基于改进渐进空间映射算法的SIW滤波器设计方法

本发明属于三维集成，具体涉及一种基于改进渐进空间映射算法的siw滤波器设计方法。

背景技术：

1、基片集成波导(substrate integrated waveguide，siw)技术以其低成本、体积小、可批量生产、易于集成等优点，显示出巨大的应用价值，受到了越来越多的关注。siw技术表现出很大的设计灵活性，可以在一个印刷电路板或者硅衬底中实现复杂的无源器件和电路。许多基于siw技术的高性能滤波器已被报道，包括切比雪夫响应滤波器和有限传输零点的滤波器。目前，基于siw滤波器的无源器件也已被开发出来，在大多数情况下，需要通过全波电磁仿真来获得满足特定属性的siw滤波器。

2、传统的siw滤波器设计主要基于全波电磁仿真的直接优化方法来获取最优结构参数，其具有广泛的适用性，但需要较高的cpu计算资源和较长的计算时间。特别是在siw结构中，金属通孔的数量庞大，对全波模拟求解器的网格密度要求很高。而优化速度又取决于每个电磁模型仿真的计算时间和电磁仿真的次数。因此，传统基于全波电磁仿真的直接优化方法的优化效率有待进一步提高。

3、随后，研究人员提出了一种渐进空间映射算法进行siw滤波器优化设计，其在原始空间渐进映射算法的基础上进行了优化，从第一次精细模型仿真开始到最后，每次的精细模型仿真都参与了参数提取和两空间映射关系的建立，并预测下一个改善的精细模型新设计参量，因此精细模型设计参量是自适应步进的，逐渐逼近理想精细模型设计参量。该算法结合应用了古典broyden公式的拟牛顿迭代法，能够解决非线性映射问题，不用预先假设两个空间之间的映射关系。

4、然而，现有的渐进空间映射算法中，雅可比矩阵通过broyden算法更新，由于参数提取的误差和不唯一性可能导致雅可比矩阵在迭代中产生误差，从而导致算法发散，最终无法得到最优siw滤波器结构参数。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于改进渐进空间映射算法的siw滤波器设计方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

2、本发明提出了一种基于改进渐进空间映射算法的siw滤波器设计方法，包括：

3、步骤1：获取待设计siw滤波器的理想粗糙模型特征参量以及初始精细模型设计参量；

4、步骤2：对所述理想粗糙模型特征参量进行ads仿真，得到ads仿真曲线；并对所述初始精细模型设计参量进行hfss仿真，得到hfss仿真曲线；

5、步骤3：将所述ads仿真曲线和所述hfss仿真曲线进行拟合，得到当前粗糙模型特征参量，并计算所述当前粗模型特征参量与所述理想粗糙模型特征参量之间的误差矢量；

6、步骤4：基于siw滤波器的一般映射模型计算雅可比矩阵，并结合所述误差矢量计算精细模型设计参量的增量步长；

7、步骤5：根据所述精细模型设计参量的增量步长计算迭代后新的精细模型设计参量；

8、步骤6：对所述新的精细模型设计参量进行hfss仿真，并返回步骤3进行重复迭代，直到满足设计要求。

9、在本发明的一个实施例中，步骤1包括：

10、将设计的siw滤波器转换为ads软件中粗糙模型的等效电路，利用切比雪夫滤波器公式计算出实际应用所使用的耦合矩阵，并根据所述耦合矩阵提取所述粗糙模型的理想特征参量，得到满足设计要求的理想粗糙模型特征参量；

11、根据设计指标和所述耦合矩阵在hfss中提取出初始精细模型设计参量。

12、在本发明的一个实施例中，步骤2包括：

13、将所述理想粗糙模型特征参量代入ads软件中的粗糙模型等效电路，进行仿真，得到ads仿真曲线；

14、使用所述初始精细模型设计参量作为siw滤波器的初始值进行全波电磁仿真，得到hfss仿真曲线。

15、在本发明的一个实施例中，在步骤3中，所述误差矢量的计算公式为：

16、δx(i)＝argmin||rf(yf(i))-rc(xc*+δx(i))||；

17、式中，δx(i)表示第i次迭代中的粗模型特征参量与所述理想粗糙模型特征参量之间的误差矢量，yf(i)表示第i次迭代中的精细模型设计参量，rf(yf(i))表示yf(i)对应的响应，xc*表示理想粗糙模型特征参量，rc(xc*+δx(i))表示xc*+δx(i)对应的响应。

18、在本发明的一个实施例中，步骤4包括：

19、41)从待设计siw滤波器结构的hfss仿真模型中提取相关函数，并结合一般解析映射模型生成雅可比矩阵；

20、其中，所述相关函数包括各个谐振腔的tsv通孔间距与各自谐振频率的函数、不同谐振腔的之间的耦合窗口宽度与磁耦合系数的函数、不同谐振腔之间耦合槽的宽度与电耦合系数的函数、以及输入输出微带线的凹槽深度与外部品质因数的函数；

21、42)根据所述雅可比矩阵和所述误差矢量计算精细模型设计参量的增量步长。

22、在本发明的一个实施例中，在步骤42)中，所述精细模型设计参量的增量步长的计算公式为：

23、δy(i)t＝jpδx(i)t；

24、式中，δy(i)表示第i次迭代中的精细模型设计参量的增量步长，δx(i)表示第i次迭代中粗模型特征参量与所述理想粗糙模型特征参量之间的误差矢量，表示由一般解析映射模型生成和更新的雅可比矩阵，“t”表示转置。

25、在本发明的一个实施例中，在步骤5中，所述新的精细模型设计参量的计算公式为：

26、yf(i+1)＝yf(i)+δy(i)；

27、式中，yf(i+1)表示第i+1次迭代中的精细模型设计参量，yf(i)表示第i次迭代中的精细模型设计参量，δy(i)表示第i次迭代中的精细模型设计参量的增量步长。

28、本发明的有益效果：

29、本发明设计的基于改进渐进空间映射算法的siw滤波器设计方法，通过提取siw滤波器的一般解析映射模型，并基于该映射模型生成和更新雅可比矩阵，有助于最大限度地减少电磁模拟次数，并减少模型提取的额外工作，大幅节省了siw滤波器设计过程中的电磁优化时间，提高了优化效率；且利用一般映射模型更新雅可比矩阵还可以防止参数估计误差从当前迭代传播到下一次迭代，很好的避免了因为参数提取的误差和不唯一性导致的算法发散问题，克服了采用broyden算法更新雅可比矩阵所带来的稳健性问题，使得算法具有更好的鲁棒性。

30、以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

技术特征：

1.一种基于改进渐进空间映射算法的siw滤波器设计方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于改进渐进空间映射算法的siw滤波器设计方法，其特征在于，步骤1包括：

3.根据权利要求1所述的基于改进渐进空间映射算法的siw滤波器设计方法，其特征在于，步骤2包括：

4.根据权利要求1所述的基于改进渐进空间映射算法的siw滤波器设计方法，其特征在于，在步骤3中，所述误差矢量的计算公式为：

5.根据权利要求1所述的基于改进渐进空间映射算法的siw滤波器设计方法，其特征在于，步骤4包括：

6.根据权利要求5所述的基于改进渐进空间映射算法的siw滤波器设计方法，其特征在于，在步骤42)中，所述精细模型设计参量的增量步长的计算公式为：

7.根据权利要求5所述的基于改进渐进空间映射算法的siw滤波器设计方法，其特征在于，在步骤5中，所述新的精细模型设计参量的计算公式为：

技术总结
本发明公开了一种基于改进渐进空间映射算法的SIW滤波器设计方法，包括：对待设计SIW滤波器的理想粗糙模型特征参量和初始精细模型设计参量分别进行ADS和HFSS仿真，得到ADS仿真曲线和HFSS仿真曲线；将ADS仿真曲线和HFSS仿真曲线进行拟合，并计算当前粗模型特征参量与理想粗糙模型特征参量之间的误差矢量；基于一般映射模型计算雅可比矩阵，并计算精细模型设计参量的增量步长；计算迭代后新的精细模型设计参量；对新的精细模型设计参量进行HFSS仿真，并返回曲线拟合的步骤进行迭代，直到满足设计要求。该方法节省了电磁优化时间，提高了优化效率，克服了采用Broyden算法更新雅可比矩阵所带来的稳健性问题。

技术研发人员：董刚,周家科,杨明明,智常乐
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/4