复杂大网络的仿真与优化设计

２００２年辛；１期　（总第７８期）　喜　。　（ＳＮ０ｅｒ．ｉｅ１ｓ　２　Ｎｏ０．０７２８　）　复杂大网络的仿真与优化设计　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ　Ｌａｒｇｅ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　王周海金谋平范娟　（华东电子工程研究所，台肥２３００３１）¨　【摘要】先进的ＨＦＳＳ仿真软件为微波工程设计提供了一个方便、高豉的仿真设计手段。但　是，由于受到计算机内存、计算时间等限制．该仿真轴件不能直接仿真复杂的太网络，更不能进行　优化。本文利用网络红联技术和Ｓ事敷修正技术解决１复杂太网嬉的仿真与优化设计问题。　关键词网络扭联ｓ枣敷修正仿真与优化　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ａｄｖａｎｃｅｄ　ＨＦＳＳ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ａ　ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ　ａｎｄ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｔｏｏｌ　０ｒ　ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｄｅｓｉｇｎ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｄｕｅ　ｔＯ　ｔｈｅ　ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ。　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｍｅｍｏｒｙ　ａｎｄ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｔｉｍｅ，　ｔｈｅ　ＨＦＳＳ　ｃａｎ　ｎｏｔ　ｄｉｒｅｃｔｌｙ　ｓｉｍｕｌａｔｅ　ａｎｄ　ｏｐｔｉｍｉｚｅ　ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ　ｌａｒｇｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｓｏｌｖｅｓ　ｗｅｌｌ　ｔｈｉｓ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｕｓｉｎｇ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｃａｓｃａｄｅ　ａｎｄ　Ｓ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｎｅｔｗｏｒｋ　ｃａｓｃａｄｅ，Ｓ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ，Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　为子网络间连接线段（两端Ｉ：１网络）的长度，　１引言　高频结构仿真（ＨＦｓｓ）软件　是一个非　常先进的商用软件，它利用三维有限元法分　析微波元件内部的电磁场分布，进而得到各　种网络参数，为微波工程设计提供了一个方　便、有效的设计手段。但对于大的复杂网络，　如图１所示的一个微带结构的１：１６功分网　优化目标为总网络参数。在此过程中利用Ｓ　参数修正技术解决了级联过程中仿真计算误　差放大问题。　固】１：１６功分网络示意图　络，其对计算机内存的要求以及计算时间部　是令人无法忍受的，根本不能直接进行仿真　设计，更谈不上优化。本文的解决思路是将无　法直接仿真设计的大的复杂同络分解成可以　直接仿真的小的子网络，然后利用网络广义　２　复杂大网络广义连接的数学　模型　对于图１所示的功分网络，我们将其分　解成１　５个三端Ｉ：Ｉ网络和１４个两端Ｉ：Ｉ网络，　连接技术得到总的网络参数。优化变量定义　２００１卑１２　Ｂ　１８日收到　・・Ｗａｎｇ　Ｚｈｏｕｈａｉ，Ｊｉｎ　Ｍｏｕｐｉｎｇｌ　Ｆａｎ　Ｉｕａａ（Ｅａｓｔ　Ｃｈｉｎａ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｅ　Ｌｅｃｔ　ｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｈｅｆｅｉ　２３００３１）　维普资讯 http://www.cqvip.com

第１期　复杂大网络的仿真与优化设计　１５　根据网络的对称性，１５个三端口网络分成８　种，１４个两端口网络分成７种，如图２所示。　对于前８种三端口网络，可以直接用ＨＦＳＳ　进行仿真，得到其ｓ参数；后７种两端口网络　注意图２中的端口号的标识，端口１到　端口　是非互连端口；而　＋１到一则为互　连端口，其连接方式是端口　＋１和　＋２　相连，端口　＋３和　＋４相连…端口　一１　可以看作理想传输线，然后利用网络广义连　接技术将各子网络级联起来得到总的网络参　数。　和　相连。这里，非互连端口是ｍ一１７，总端　一　口数是　＝７３。求解广义连接的办法是：先假　Ｉ１　］　一　想一　端口网络，这时必须注意，应把原网络　ｈ　＋１和ｍ＋２处，　＋３和ｍ＋¨　４处，…　一　．　Ｅ：　晒二二１［１＝　一１和　处断开，从而在形式上组成　端口　～　Ｓ　Ｓ　靶　¨　．　圭［　　［＝＝匀　网络，在此　端口网络中，ｍ＋１，　＋２，…，　，　一１　均为互不连接的独立端口，如图２所　示。根据端口之问的关系，利用子网络仿真得　～　Ｓ　Ｓ　．：＝　●＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿Ｊ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿ｌ曲　．禹鸯．　．　南　擀髀～到的ｓ参数，可写出这时的散射矩阵ＥＳ］　，称　为联合矩阵，有　　髀一　］　其中　也＿ｊ］］　一　！ｌ　一　嘲　＝　］　一ｌ　　＋　！囤２复杂太网络的广义连接蟆型　ⅡＬ　ｄ　＋Ｌ　且　［６　：　ｍ　唯　Ⅱ　＋２　：　＾　Ｓ　＋２…Ｓ　Ｌ　］　ｓ　＋　…ｓ　ｌ　＋　＿　＋Ｌ一】　Ｓ　＋±＋２　…　Ｓ　＋Ｉ，　，　５　＋２一ｌ　Ｓ　２．　＋２　…　Ｓ　＋２．　Ｓ…一１　Ｓ…＋２　…　５…　．接下来，再把假想的，ｚ端口按实际连接起来，　＋４端口相连，…”一１和　端口相连，由　也即　ｌ＋１和　＋２端口相连，　＋３和　图２可知，连接条件是　　　５　～５＋　维普资讯 http://www.cqvip.com

现代电子　０　０一一】一日…　数矩阵，即ｚ．．是一个纯虚数。　日　十２　根据网络理论，Ｅｓ３矩阵和Ｅｚ３矩阵的　关系为　一ｄ…　Ｏ　１　Ｏ　０　一ｄ　：＝　０　０　［ｚ］一（［』］＋Ｅｓ３）（［』］一Ｅｓ３）　Ｅｓ３＝（ＥＺ３一［Ｊ］）（ＥＺ３＋Ｕ３）　利用上述三条性质，可消除级联误差，具　网络连接之后　［ｅ］相联系，即　］和［６。］可用连接矩阵　０　０　０　１　０　０　０　¨　０　Ｏ　～　体步骤如下：　０　Ｏ　［日　］一［ｓ］　］　其中　（１）将［５］矩阵转换成［ｚ］矩阵；（２）去　～　～　¨　¨　０　～　～　～　Ｏ　０　¨　ＥＺ３矩阵的实部，成为新的［ｚ。］矩阵；（３）将　一　：＝　［Ｚ。］转换成Ｅｓ３矩阵。　¨　●　一　●　一　●　¨　●　一　●　一　●　¨　●　Ｏ　０　０　ｏ　．　４优化设计　１　０　［ｅ］：　为了便于优化，图２中的两端口网络看　作理想传输线，设线长为厶（　＝１～　，　一　７），则其ＥＳ３矩阵可表示如下：　ｓｌ】一ｓ￡２＝０　Ｅｄ矩阵具有性质　ｆ　］一［￡　【或［ｅ］［￡］一Ｕ３　如果把连接矩阵［￡］看成是广义负载矩阵　Ｅｖ３，则连接后的ｍ端口冈络参数写为　：ｓ　］：口．．］＋　．　］　ｅ］：［　一　。。］［　］｝一　ＩＳ　．］　考虑到［Ｅ］矩阵性质，上式进一步写成　］＝［ｓ。．：＋［ｓ．。］　［ｆ］＿５。。］）　。．］　Ｓ】　一Ｓ２ｌ＝　一２　厶　厶为优化变量，通过网络级联后的ｍ端　口网络参数　］可以表达为Ｌ的函数。采用　共扼梯度法或Ｐｏｗｄｌ法进行优化，如果网络　更复杂（如大型行、列馈网络），可以选择优化　功能更强大的遗传算法　优化目标函数定义为　…　ｍＩｎ．ｔ（１．，　・‘）＝ＩＳ…　＋（＞：ＩＳ＾　【　一１）　＝　上述过程采用计算机编程，很容易实现。　３级联误差的补偿　从理论上讲．多端口网络的广义连接是　不会产生级联误差的。但如果子网络的５参　数本身带有一定的误差（计算误差或实验误　差）．那么广义连接后，总网络的５参数将引　入更大的误差，甚至导致不满足网络具有的　特性，如无耗网络的幺正性等。因此，必须在　网络级联时进行广义连接误差补偿。　已知．无耗互易网络的ｓ参数矩阵满足　幺正性，即Ｅｓ３一Ｅｓ３一Ｕ３　厶的初始值可根据结构尺寸确定　需要注意　的是厶为约束变量，优化过程中要给出合适　的约束范围。　５计算结果　根据以上分析，设计了两种功分网络：　１：１　６微带功分／合成器和１：２０空气板线功　分／合成器。　图３、４是１：１　６和１：２０功分器的设计　结果．在工作频带内驻波小于１．２，满足指标　无耗互易网络的ｚ参数矩阵是一个纯虚　要求。图中．测量值与仿真结果（下转　５７而）　维普资讯 http://www.cqvip.com

第１期　软件质量的评价和保障　５７　档案管理机构：负责软件的配置管理，根　据实际情况，制定出不同时期的软件基线，确　售后服务机构：负责产品交付以后的维　护工作，及时发布软件的运行状态，以便质量　保软件生存期各阶段活动状态的记录准确Ｉ生　和客观性。　检查验证机构组织相关人员及时对软件产品　进行质量改进、技术改进　…～一一………～●●一……●…～……一一…一………一●－……一‘●●　（上接第１６贾１　的不一致，这是因为仿真优化时没有考虑传　输线到同轴接头过渡以及测量时负载不匹配　引入的误差。　囤３　１；１６功分网站总口驻ｌ蹙　国４　１：２０砷分器总口驻照　６结论　本文利用网络级联技术以及ｓ参数修正　技术解决了复杂大网络的仿真与优化设计翔　题。文中使用的分析方法为更大型馈电网络　（如精密馈电行馈或列馈网络）的设计提供　了较好的思路，为复杂大网络的一体化设计　打下了基础　参考文献　１　Ａｎｓｏｆｔ　ＨＦＳＳ　Ｗｏｒｋｓｈｏｐ．Ｊｕｌｙ　１　０—１　２，２０００，　Ｘｉ’ａｎ，Ｃｈｉｎａ　２　张玉，李尤，梁昌洪，翟会清．大型波导纵缝阵列　的分析与设计（ＩＩ）——馈电网络．２００１年全国　微波毫米波会议　３　梁昌洪．计算微波．西电出版社ｔ１９９４　４　王周海，范娟．１４０７课题１：１９２路馈电网络研　制报告．３８所内部资料