6.4  掃頻分析

 前面講解了如何添加和定義求解設置，通過求解設置，可以對模型結構進行自適應網格剖分，并計算在指定的網格剖分頻率點處的S 參數和場解。這只是分析一個頻點處的 S 參數和場解，如果要分析或計算某個頻段范圍內的S 參數和場解，則需要進行頻率掃描設置。HFSS 中有3 種掃頻類型，分別為快速掃頻（Fast Frequency Sweep）、離散掃頻（Discrete Frequency Sweep）和插值掃頻（Interpolating Frequency Sweep）。

    6.4.1 掃頻類型

    1．快速掃頻

    快速掃頻是在1994 年引入 HFSS 中，最初基于AWE（Asymptotic Waveform Evaluation） 算法用于搜尋傳輸函數的主零、極點，適合于窄帶問題的求解；后來采用ALPS（Adaptive Lanczos-Pade Sweep）算法，Lanczos 法是求解稀疏矩陣本征值問題的有效方法，采用 ALPS 算法可以在很寬的頻帶范圍內搜尋出傳輸函數的全部零、極點。因此，快速掃頻適用于諧振問題和高Q 值問題的分析，使用快速掃頻可以得到場在諧振點附近行為的精確描述。

    使用快速掃頻，一般選擇頻帶中心頻率作為自適應網格剖分頻率，進行網格剖分，計算出該頻點的S 參數和場分布，然后使用基于ALPS 算法的求解器從中心頻率處的 S 參數解和場解來外推整個頻帶范圍的 S 參數解和場解。使用快速掃頻，計算時只會求解中心頻點處的 場解，但在數據后處理時整個掃頻范圍內的任意頻點的場都可以顯示。

    2．離散掃頻

    離散掃頻是在頻帶內的指定頻點處計算S 參數和場解。例如，指定頻帶范圍為 1～2GHz、 步長為0.25GHz，則會計算在 1GHz、1.25GHz、1.5GHz、1.75GHz、2GHz 共5 個頻點處的 S 參 數和場解。默認情況下，使用離散掃頻只保存最后計算的頻率點的場解，上例中即只保存2GHz 處的場解。用戶如果希望保存指定的所有頻率點的場解，需要選中設置對話框中的Save Fields 復選框。 對于離散掃頻，需要求解的頻率點越多，完成頻率掃描所需的時間就越長。如果整個頻帶范圍的解只需要有限幾個頻率點就能精確表示，那么可以選擇離散掃頻。

    3．插值掃頻

    插值掃頻使用二分法來計算整個頻段內的 S 參數和場解。使用插值掃頻， HFSS 自適應選擇計算場解的頻率點，并計算相鄰兩個頻點之間的解的誤差，當解達到指定的誤差收斂標 準或者達到了設定的最大頻點數目后，掃描完成；其他頻率點上的 S 參數和場解由內插給出。

    插值掃頻過程中，前一個插值頻率點的場 解會被刪除，然后產生下一個頻率點的場解， 這樣最終只有最后計算的頻率點的場解才會 被保存下來。

    4．上述3 種掃頻類型的選擇

     作為經驗準則，當 fmax/fmin < 4 時，掃頻類型一般選擇快速掃頻；對于 fmax /fmin >4 的寬帶問題，掃頻類型一般選擇插值掃頻；離散掃頻通常較少使用，只有在用戶只希望得到問題的有限幾個頻點的精確解時才選擇離散掃頻。快速掃頻可以得到場在諧振點附近行為的精確描述，因而適用于諧振問題和高Q值問題的分析；離散掃頻采用的是二分法，適合頻率響應較為平坦的問題的分析。通常把快速掃頻作為默認的掃頻類型；當使用快速掃頻所占用的內存資源超出計算機可使用的內存時，選擇插值掃頻；或者所需分析的問題頻帶很寬時，例如多數高速數字信號問題的分析，選擇插值掃頻。 需要記住的是，在頻率掃描求解過程中HFSS 是不重新進行網格剖分細化的，整個頻率掃描求解過程中，HFSS 始終是基于求解頻率處所產生的網格進行計算的。