[案例赏析]参赛案例：基于HFSS与Matlab 实现的可调器件调试仿真与优化

       本案例主要面向可调器件的调试与优化场景，针对器件中可变电容的偏压控制，提出更贴合实际情况的仿真与优化方案。传统方案中通常针对电容容值进行建模，存在容值与实际应用中的偏压值未能直接对应、其非线性关系不利于搜索设计最优解等问题。为了解决已有的问题，本案例先对容值与偏压值的关系进行建模，再将建立的数学关系导入HFSS中，从而实现直接设置偏压值获取对应的仿真结果。利用Matlab调用HFSS的方式，实现自动搜索符合设计指标的偏压值，从而提高了调试与优化的效率。

2、应用背景：

       在通信系统中，可调器件因其具有灵活可控的工作频率、工作带宽等优点而受到广泛的关注。以可调滤波器为例，如下图所示，该器件通过控制3个可变电容对应的2个偏压值，可以实现工作频率在1.6 ~ 2.4 GHz内移动。

图片:Structure1.png

案例难点①：

       在应用到具体的实际场景时，通常需要获取不同工作频率下对应的偏压值作为器件的配置文件信息，而不同工作频率下的偏压情况也各不相同，因此构成了一个多任务且时间昂贵的优化问题。

案例难点②：

       可变电容的容值与偏压值存在非线性关系。以MA46H202可变电容为例，偏压值小于10 V时，容值变化范围大（1 ~ 15pF），偏压值大于10 V时，容值变化范围小（0.6 ~ 1pF）。而不同工作频率对应的容值分布的疏密程度差异较大，直接针对容值的搜索优化难度较高，不利于手动或算法搜索设计的最优解。考虑实际应用中通常是调整偏压值改变容值，因此转为对偏压值的搜索优化问题。

3、解决方案：

技术点①：

       根据已有的容值与偏压值的对应关系，建立对数线性关系，具体如下：

图片:C.png

       Matlab代码如下：

图片:code1.png

       将建立的数学关系导入HFSS中：

图片:hfss.png

技术点②：

       通过Matlab调用HFSS仿真，实现自动搜索不同工作频率对应的电压值，提高调试与优化的效率。

具体方法：构建从偏压值input_v到S参数output_s的Kriging代理模型，可以利用Matlab的DACE工具箱实现。

最终5个工作频率对应的偏压值汇总如下：

图片:V.png

       仿真结果如下：

图片:FABPF.png

4、加工实测：

       器件加工后的模型如下：

图片:Structure2.png

       优化目标设置如下：

for fc = 1.6 GHz, 1.8 GHz, 2 GHz

F1: |S11| ≤ -20 dB, fc - 0.16 GHz ≤ f ≤ fc + 0.16 GHz

F2: |S21| ≥ -4 dB, fc - 0.16 GHz ≤ f ≤ fc + 0.16 GHz  

F3: |S21| ≤ -20 dB, 1 GHz ≤ f ≤ fc - 0.4 GHz              

F4: |S21| ≤ -20 dB, fc + 0.4 GHz ≤ f ≤ 2.5 GHz          

       使用算法调试后的S参数实测曲线如下：

图片:optimal.png

5、小结：

       本案例针对可调器件的调试与优化场景中存在的问题，提出了建立可变电容的容值与偏压值的对数线性关系，并将该关系导入HFSS建立的器件模型中，从而使仿真场景更加贴近实际的测试与应用场景。为了提高多任务且时间昂贵优化问题的调试与优化效率，利用Matlab的DACE工具箱构建Kriging代理模型，且自动调用HFSS电磁仿真软件进行仿真，最终获得对应工作频率的偏压值。仿真和实测结果印证了本案例的有效性和先进性。

6、参考文献：

       [1] Li Z, Tang X, Lu D, et al. Tunable diplexer with identical passband and constant absolute bandwidth[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2019, 68(2): 721-731.

       [2] Li S, Laforge P D. A post-fabrication tuning method for a varactor-tuned microstrip filter using the implicit space mapping technique[C]//2015 IEEE MTT-S International Microwave Symposium. IEEE, 2015: 1-4.

       [3] Liu B, Aliakbarian H, Ma Z, et al. An efficient method ..

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