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空间映射方法研究及其在LTCC电路设计中的应用

邓建华  
【摘要】: 传统微波无源电路优化技术直接利用仿真响应结果或其派生物,使响应结果逐步逼近设计要求。电路理论的仿真和CAD工具是采用元件经验模型进行仿真,能快速得到响应结果及其派生数据,加快优化进程,但其准确性不能得到很好的保证。电磁仿真长期用于设计验证,近来也被用于优化过程,然而仿真精度越高,优化成本也就越贵。电磁仿真虽然结果准确,但直接应用于优化所花费时间巨大,对于复杂电磁问题基本无法实现。所以我们期望电路设计中能够结合电路仿真的快速性和电磁仿真的准确性,来进行无源电路设计、优化。空间映射优化方法正是适应这种要求而提出的,它是一种新的优化思想,通过构造空间映射(粗糙模型参量与精确模型参量之间的映射关系)获得合适的替代模型,不断更新和优化以仿真快速性的粗糙模型为基础的替代模型,从而把许多优化工作放到粗糙空间来完成。 本文首先对空间映射方法进行了回顾,特别对一些早期报道的空间映射算法进行了较为详细的阐述。并且针对微波、毫米波LTCC技术发展需要和国内加工水平,探索具有良好电磁特性的新型组件拓扑结构及其内嵌无源电路、互连实现形式,利用在空间映射研究中取得的成果和开发的实用技术,实现LTCC电路的优化,主要是采用初始空间映射方法优化设计了LTCC电容电感、采用主动空间映射方法LTCC过渡、采用基于知识主动空间映射方法与神经网络空间映射方法优化设计了LTCC等效集总元件滤波器等。 针对已开发空间映射算法存在的不足,提出了一种新的空间映射算法即特征元件空间映射方法。该方法采用动态粗糙模型,即综合得出的等效电路模型。这是一种简便的空间映射方法,对设计初值要求不高,消除了烦琐且容易引起优化失败的参数抽取过程。因为每次迭代后粗糙模型都准确跟踪精确模型响应结果,避免了过去一些空间映射方法中粗糙模型与精确模型匹配程度不高而带来的算法不稳定的问题,较大地提高了优化效率,并且综合得出的准确等效电路能为LTCC无源电路建模提供有效的帮助。为了演示该算法过程,应用特征元件空间映射方法对LTCC电容进行了优化设计。 目前,空间映射方法只局限于一些理论研究及少量的试验性工作,没有出现相关实用工具。仅凭手工操作空间映射方法非常烦琐,因为有较多的算法步骤,且数据处理和交互工作量巨大。为了促进该方法广泛应用于实际电路设计中,本文开发了空间映射优化系(SMOS)软件。通过调用电路仿真器和电磁仿真器,自动运行空间映射优化算法,为复杂多参量无源元件的优化设计提供帮助。 本文提出一种基于空间映射增强模型的LTCC无源元件模型库建立方法,该方法利用ADS自带的Design Kit Tool工具,开发了具有ADS内建元件模型一样使用方法的CAD模型。为了简化模型库开发过程,仅采用初始空间映射和神经网络空间映射来构造增强模型。并且以开发LTCC平行耦合电容和等效集总参数滤波器的增强模型为实例,阐述建立实用LTCC模型库的思路及过程,实验结果证明了该建库方法的有效性和准确性。 最后,对本文所做的工作进行了总结,并对空间映射方法的未来研究做出建议,前述研究工作在国内实现了空间映射方法应用于多层电路优化、建模等开拓性工作,表明空间映射优化方法应用于LTCC工程设计具有重要意义。


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