增益平坦濾波器優(yōu)化的案例
OptiSystem：增益平坦濾波器優(yōu)化
EDFA的增益依賴于波長，即某些波長被放大比其它波長更多。增益平坦濾波器將所有波長恢復(fù)到大約相同強(qiáng)度。OptiSystem擁有增益平坦濾波器優(yōu)化引擎。
1.建模任務(wù)
WDM發(fā)射器生成八個信道從195 THz到196.4 THz，每個信道的功率為-20 dBm。增益平坦濾波器組件放置在EDFA之后，它將使增益平坦化。
2.仿真步驟
下圖所示為光路圖。
WDM發(fā)射器、WDM復(fù)用器和WDM解復(fù)用器分別設(shè)置八個信道，頻率從195THz 開始，信道間隔20GHz，每個信道的功率為-20 dBm。
WDM發(fā)射器設(shè)置
WDM復(fù)用器設(shè)置
WDM解復(fù)用器設(shè)置
下圖顯示了優(yōu)化的主要參數(shù)。優(yōu)化將運(yùn)行10次，目標(biāo)是在1500至1600 nm范圍內(nèi)產(chǎn)生0.1 dB的增益紋波。濾波器的最小傳輸值為-40 dB，最大值為-0.1 dB。濾波器的傳輸值將在濾波器中定義的用戶定義頻率下進(jìn)行優(yōu)化。組件選項(xiàng)卡應(yīng)選擇過濾器組件，可視化工具選項(xiàng)卡應(yīng)選擇雙端口分析器。
設(shè)置優(yōu)化
優(yōu)化參數(shù)設(shè)置
優(yōu)化元件選擇增益平坦濾波器
可視化工具選項(xiàng)卡應(yīng)選擇雙端口分析器
為了運(yùn)行優(yōu)化，只需計(jì)算項(xiàng)目即可。請確保已啟用“Runalloptimation”選框。在計(jì)算過程中，用戶可以單擊Optimization選項(xiàng)卡并可視化優(yōu)化的進(jìn)度，如下圖。
在這個特定的項(xiàng)目中，我們在報(bào)告頁面中有增益平坦濾波器前后的信號。我們還可以通過查看濾波器“傳輸”參數(shù)，使用WDM分析儀可視化放大器的總體增益和濾波器傳輸值的值。
1.仿真結(jié)果
關(guān)閉運(yùn)行窗口，查看運(yùn)行結(jié)果，如下圖。
A）平坦濾波前 B)平坦濾波后
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EDFA的增益依賴于波長，即某些波長被放大比其它波長更多。增益平坦濾波器將所有波長恢復(fù)到大約相同強(qiáng)度。OptiSystem擁有增益平坦濾波器優(yōu)化引擎。
1. 建模任務(wù)
WDM發(fā)射器生成八個信道從195 THz到196.4 THz，每個信道的功率為-20 dBm。增益平坦濾波器組件放置在EDFA之后，它將使增益平坦化。
2. 仿真步驟
下圖所示為光路圖。
WDM發(fā)射器、WDM復(fù)用器和WDM解復(fù)用器分別設(shè)置八個信道，頻率從195THz 開始，信道間隔20GHz，每個信道的功率為-20 dBm。
WDM發(fā)射器設(shè)置
WDM復(fù)用器設(shè)置
WDM解復(fù)用器設(shè)置
下圖顯示了優(yōu)化的主要參數(shù)。優(yōu)化將運(yùn)行10次，目標(biāo)是在1500至1600 nm范圍內(nèi)產(chǎn)生0.1 dB的增益紋波。濾波器的最小傳輸值為-40 dB，最大值為-0.1 dB。濾波器的傳輸值將在濾波器中定義的用戶定義頻率下進(jìn)行優(yōu)化。組件選項(xiàng)卡應(yīng)選擇過濾器組件，可視化工具選項(xiàng)卡應(yīng)選擇雙端口分析器。
設(shè)置優(yōu)化
優(yōu)化參數(shù)設(shè)置
優(yōu)化元件選擇增益平坦濾波器
可視化工具選項(xiàng)卡應(yīng)選擇雙端口分析器
為了運(yùn)行優(yōu)化，只需計(jì)算項(xiàng)目即可。請確保已啟用“Run all optimation”選框。在計(jì)算過程中，用戶可以單擊Optimization選項(xiàng)卡并可視化優(yōu)化的進(jìn)度，如下圖。
在這個特定的項(xiàng)目中，我們在報(bào)告頁面中有增益平坦濾波器前后的信號。我們還可以通過查看濾波器“傳輸”參數(shù)，使用WDM分析儀可視化放大器的總體增益和濾波器傳輸值的值。
3. 仿真結(jié)果
關(guān)閉運(yùn)行窗口，查看運(yùn)行結(jié)果，如下圖。
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EDFA的增益依賴于波長，即某些波長被放大比其它波長更多。增益平坦濾波器將所有波長恢復(fù)到大約相同強(qiáng)度。OptiSystem擁有增益平坦濾波器優(yōu)化引擎。
1. 建模任務(wù)
WDM發(fā)射器生成八個信道從195 THz到196.4 THz，每個信道的功率為-20 dBm。增益平坦濾波器組件放置在EDFA之后，它將使增益平坦化。
2. 仿真步驟
下圖所示為光路圖。
WDM發(fā)射器、WDM復(fù)用器和WDM解復(fù)用器分別設(shè)置八個信道，頻率從195THz 開始，信道間隔20GHz，每個信道的功率為-20 dBm。
WDM發(fā)射器設(shè)置
WDM復(fù)用器設(shè)置
WDM解復(fù)用器設(shè)置
下圖顯示了優(yōu)化的主要參數(shù)。優(yōu)化將運(yùn)行10次，目標(biāo)是在1500至1600 nm范圍內(nèi)產(chǎn)生0.1 dB的增益紋波。濾波器的最小傳輸值為-40 dB，最大值為-0.1 dB。濾波器的傳輸值將在濾波器中定義的用戶定義頻率下進(jìn)行優(yōu)化。組件選項(xiàng)卡應(yīng)選擇過濾器組件，可視化工具選項(xiàng)卡應(yīng)選擇雙端口分析器。
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EDFA的增益依賴于波長，即某些波長被放大比其它波長更多。增益平坦濾波器將所有波長恢復(fù)到大約相同強(qiáng)度。OptiSystem擁有增益平坦濾波器優(yōu)化引擎。
1. 建模任務(wù)
WDM發(fā)射器生成八個信道從195 THz到196.4 THz，每個信道的功率為-20 dBm。增益平坦濾波器組件放置在EDFA之后，它將使增益平坦化。
2. 仿真步驟
下圖所示為光路圖。
WDM發(fā)射器、WDM復(fù)用器和WDM解復(fù)用器分別設(shè)置八個信道，頻率從195THz 開始，信道間隔20GHz，每個信道的功率為-20 dBm。
WDM發(fā)射器設(shè)置
WDM復(fù)用器設(shè)置
WDM解復(fù)用器設(shè)置
下圖顯示了優(yōu)化的主要參數(shù)。優(yōu)化將運(yùn)行10次，目標(biāo)是在1500至1600 nm范圍內(nèi)產(chǎn)生0.1 dB的增益紋波。濾波器的最小傳輸值為-40 dB，最大值為-0.1 dB。濾波器的傳輸值將在濾波器中定義的用戶定義頻率下進(jìn)行優(yōu)化。組件選項(xiàng)卡應(yīng)選擇過濾器組件，可視化工具選項(xiàng)卡應(yīng)選擇雙端口分析器。
設(shè)置優(yōu)化
優(yōu)化參數(shù)設(shè)置
優(yōu)化元件選擇增益平坦濾波器
可視化工具選項(xiàng)卡應(yīng)選擇雙端口分析器
為了運(yùn)行優(yōu)化，只需計(jì)算項(xiàng)目即可。請確保已啟用“Run all optimation”選框。在計(jì)算過程中，用戶可以單擊Optimization選項(xiàng)卡并可視化優(yōu)化的進(jìn)度，如下圖。
在這個特定的項(xiàng)目中，我們在報(bào)告頁面中有增益平坦濾波器前后的信號。
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OptiSystem應(yīng)用：增益平坦濾波器優(yōu)化
布局和初始參數(shù)：
耦入耦合器
·理想光柵
·380 nm周期
·效率+1級次：50%
·效率0級次：50%（用于背面照明）
耦出耦合器
·二元光柵
·380 nm周期
·高度：50 nm
·填充系數(shù)：50%
光瞳擴(kuò)展器
·二元光柵
·268.7nm周期
·高度50 nm
·填充系數(shù)50%
仿真與設(shè)置：單平臺交互性
連接建模技術(shù)：光源
光源引擎模型
·光束類型：平面波束
·直徑：3mm（圓形）
·偏振：線偏振
·波長：532 nm
·帶寬：0 nm、1 nm、10 nm
針對具有有限帶寬（時間相干性）的光源的可用建模技術(shù)：
在此設(shè)置中，有兩種不同的技術(shù)對光源建模，每種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)將在文檔中討論。
建模技術(shù)的單平臺交互性
每束光束在復(fù)雜系統(tǒng)中傳播時都與不同類型的光學(xué)元件相互作用。因此，一個精確的模型需要算法的無縫交互性，以便能夠處理以下出現(xiàn)的所有方面：
1. 光柵（耦入耦合器、光瞳擴(kuò)展器、耦出耦合器）
2. 自由空間（平板玻璃內(nèi)傳播）
3. 平板玻璃表面的反射
4. 區(qū)域邊界（光柵邊界）
5. 探測器表面的反射（視野范圍均勻性測量）
6. 眼睛模型（PSF和MTF計(jì)算）
連接建模技術(shù)：光柵
1. 光柵（耦入耦合器、光瞳擴(kuò)展器、耦出耦合器）
2. 自由空間（平板玻璃內(nèi)傳播）
3. 平板玻璃表面的反射
4. 區(qū)域邊界（光柵邊界）
5. 探測器表面的反射（視野范圍均勻性測量）
6.
展開 濾波器 | 仿真、優(yōu)化和基于測量的建模顯著加快設(shè)計(jì)進(jìn)程
該軟件基于濾波器性能規(guī)范，實(shí)現(xiàn)了集總組件和物理濾波器的綜合布局設(shè)計(jì)，并在Ansys HFSS電磁仿真器中自動設(shè)置濾波器分析和優(yōu)化
Modelithics為表面貼裝部件提供了綜合模型庫，可以考慮部件對濾波器設(shè)計(jì)的影響，從而可以簡化濾波器優(yōu)化設(shè)計(jì)流程。此外，Modelithics部件庫將組件表面、基板或電路板作為參數(shù)。這些模型還提供與安裝焊盤尺寸相關(guān)的參數(shù)。
通過選擇尺寸準(zhǔn)確的組件和材料，您可以更好地了解設(shè)計(jì)，并降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和失敗的可能性。
您可以從Nuhertz或HFSS訪問Modelithics庫。Nuhertz能以直接、無縫的方式提供自動濾波器設(shè)計(jì)、綜合與優(yōu)化。基于濾波器性能規(guī)范，Nuhertz可以綜合設(shè)計(jì)出濾波器上的集總組件，并在HFSS中自動設(shè)置濾波器分析和優(yōu)化。
HFSS適用于電磁仿真，可幫助您設(shè)計(jì)和仿真高頻電子產(chǎn)品，例如RF和微波組件、濾波器、連接器、PCB、天線等。首先，對RLC組件的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行優(yōu)化；然后，優(yōu)化平面互連，以確保離散組件及其互連的電磁耦合都能被考慮到，實(shí)現(xiàn)符合性能規(guī)范的最佳設(shè)計(jì)。如果需要，可以將屏蔽、外殼效應(yīng)和基板邊緣連接器納入整體優(yōu)化中。
Ansys HFSS 3D電磁（EM）仿真使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)Ω哳l電子產(chǎn)品進(jìn)行建模，如：天線、天線陣列、射頻（RF）或微波組件、高速互連、濾波器、連接器、集成芯片（IC）封裝與印刷電路板
HFSS有兩種模式：3D模式和3D Layout模式，后者非常適合處理分層電路板幾何結(jié)構(gòu)問題或高速組件（如IC封裝、片上嵌入式無源組件和PCB互連）的布局問題。
展開 熱門直播 | Ansys HFSS + SynMatrix：AI 驅(qū)動的低損耗平面濾波器設(shè)計(jì)與優(yōu)化
在高速發(fā)展的無線通信、衛(wèi)星系統(tǒng)與毫米波應(yīng)用中，平面濾波器已成為射頻與微波工程的核心組件。如何在緊湊設(shè)計(jì)、低損耗與高性能之間取得平衡，是工程師們面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
作為一款完全集成于 Ansys HFSS 的射頻濾波器設(shè)計(jì)與優(yōu)化平臺，SynMatrix 提供端到端的一體化解決方案，可實(shí)現(xiàn)自動 3D 建模與智能優(yōu)化：AI 驅(qū)動濾波器綜合與參數(shù)提取，設(shè)計(jì)效率提升 50%以上；無縫 HFSS 集成：輕松實(shí)現(xiàn)高精度仿真與快速驗(yàn)證；制造調(diào)諧輔助：顯著降低人工依賴，加速生產(chǎn)進(jìn)程；適配 5G/6G 與毫米波應(yīng)用：滿足更高頻段設(shè)計(jì)需求，提升靈敏度與性能。
11月20日，Ansys總部將推出網(wǎng)絡(luò)研討會「Ansys HFSS + SynMatrix：AI 驅(qū)動的低損耗平面濾波器設(shè)計(jì)與優(yōu)化」，將帶您深入了解 Ansys HFSS 與 SynMatrix的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合如何重塑濾波器設(shè)計(jì)流程——通過 AI 驅(qū)動優(yōu)化與自動化工作流程，大幅加速濾波器研發(fā)周期，幫助工程師實(shí)現(xiàn)更快、更準(zhǔn)、更具競爭力的設(shè)計(jì)。歡迎感興趣的用戶注冊參會，詳細(xì)了解如何借助 Ansys HFSS + SynMatrix，用智能仿真與自動化工作流程打造下一代低損耗平面濾波器。
展開 使用多物理場仿真預(yù)測熱漂移，優(yōu)化微波濾波器設(shè)計(jì)
微波濾波器有助于防止微波發(fā)射器的輸出中出現(xiàn)不需要的頻率成分。然而，如果微波系統(tǒng)發(fā)生了熱漂移，濾波器的高頻穩(wěn)定性將變得很差。為了解決這個問題，并改進(jìn)濾波器的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)工程師需要預(yù)測熱膨脹導(dǎo)致的通帶頻率的變化。多物理場仿真能夠幫助工程師順利完成這項(xiàng)任務(wù)。
改進(jìn)微波發(fā)射器的設(shè)計(jì)
當(dāng)設(shè)計(jì)微波發(fā)射器時，系統(tǒng)工程師必須保證輸出中沒有不需要的頻率。常用的解決方案是在發(fā)射器天線和非線性功率放大器之間放置一個微波濾波器。通過使用一個或多個窄帶濾波器對輸出進(jìn)行處理，工程師可以將放大器產(chǎn)生的諧波消除。
微波發(fā)射塔。圖片由 Tom Page 拍攝。已獲 CC BY-SA 2.0 授權(quán)，并通過 Flickr Creative Commons 共享。
這種方案自身也存在問題。當(dāng)發(fā)射器暴露在高功率載荷下和嚴(yán)酷的環(huán)境中時（比如暴露在極熱的沙漠中的蜂窩基站），可能產(chǎn)生熱漂移。
在沙漠暴曬等嚴(yán)酷的環(huán)境中，微波發(fā)射器內(nèi)會發(fā)生熱漂移。圖片已獲 CC BY 4.0 授權(quán)，并通過 ESO/C. Malin 共享。
結(jié)構(gòu)的熱膨脹會擾亂微波系統(tǒng)中濾波器的頻率響應(yīng)。因此，為了設(shè)計(jì)可靠的濾波器，我們不但要進(jìn)行精確的電磁分析，而且還要研究溫度上升引起的結(jié)構(gòu)變形。本文的示例表明，我們可以借助 COMSOL Multiphysics? 軟件的“RF 模塊”和“結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊”實(shí)現(xiàn)上述操作。
微波濾波器中的熱效應(yīng)建模
我們首先觀察一下模型：銅盒內(nèi)是一根直立的圓柱體，銅盒表面鍍了一層可降低損耗的銀薄膜。圓柱體和銅盒之間的電磁空腔是充滿空氣的密閉空間。現(xiàn)實(shí)中的濾波器常常包含多個級聯(lián)空腔，不過我們模型僅重點(diǎn)分析一個空腔。
展開 Lumerical案例 | 基于粒子群優(yōu)化的雙波段MIM濾波器引領(lǐng)高靈敏度檢測革新
空氣孔洞能調(diào)節(jié)局部折射率，增強(qiáng)SPPs在金屬-介質(zhì)界面的模式限制與場增強(qiáng)效應(yīng)，優(yōu)化共振特性；同時，孔洞可調(diào)控相位匹配條件，實(shí)現(xiàn)截止波長與通帶的精準(zhǔn)調(diào)諧，還能減少傳播損耗，提升耦合效率，使傳輸譜中的共振谷更清晰。短截線的角度（?）設(shè)計(jì)為135°，這一角度平衡了靈敏度與濾波效率——角度過小時通帶傳輸?shù)汀⒔刂箮p不完全；角度過大則共振谷變寬，光譜選擇性下降，135°時能實(shí)現(xiàn)通帶高傳輸與截止帶近零傳輸?shù)睦硐胄Ч?濾波器的關(guān)鍵尺寸參數(shù)對性能影響顯著。研究通過仿真系統(tǒng)分析了短截線寬度（W1）、長度（L1）、L2/L3比例、孔洞直徑（d）等參數(shù)的影響：當(dāng)W1=60nm時，濾波器在1008nm和1348nm處實(shí)現(xiàn)尖銳截止，通帶傳輸效率最高；L1=160nm時，截止帶抑制效果最強(qiáng)，且短截線長度與共振波長呈反比關(guān)系；L2/L3=1.2時，截止波長尖銳，傳輸效率最優(yōu)；孔洞直徑d=12.5nm時，共振波長穩(wěn)定，傳輸率最佳。這些參數(shù)的初始值為后續(xù)優(yōu)化提供了重要參考。
粒子群優(yōu)化算法的精準(zhǔn)調(diào)控
為突破傳統(tǒng)優(yōu)化方法的瓶頸，本研究引入粒子群優(yōu)化（PSO）算法對濾波器尺寸進(jìn)行全局優(yōu)化。在優(yōu)化過程中，PSO算法的目標(biāo)函數(shù)被設(shè)計(jì)為優(yōu)化MIM濾波器的傳輸特性。該算法尋求最大化通帶中的傳輸速率，并最小化截止帶中的傳輸速率（接近于零），以確保有效的濾波性能：
其中T(λ)為波長λ處的傳輸率， 和 分別代表通帶和截止帶波長。PSO參數(shù)經(jīng)過精心調(diào)試：種群規(guī)模設(shè)為100個粒子，確保解空間的充分探索；慣性權(quán)重 =0.7、 =0.4，平衡探索與開發(fā)能力；加速常數(shù)c?=c?=2，使粒子兼顧個體經(jīng)驗(yàn)與群體信息；優(yōu)化迭代次數(shù)為500次，保證收斂到穩(wěn)定解。
優(yōu)化流程采用MATLAB與Lumerical FDTD聯(lián)合仿真，具體流程如圖2所示。
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