Дискретное частотное сканирование
Как работает дискретное сканирование
Дискретное сканирование — способ расчёта частотного диапазона, при котором задача решается полностью и независимо в каждой заданной частотной точке. Никакой модели частотной зависимости и никакой интерполяции между точками нет: результат в каждой из них — это результат решателя. Отсюда эталонная точность метода и время расчёта, пропорциональное числу частотных точек.
1. Частотная сетка
Равномерная сетка задаётся полями «Мин частота», «Макс частота» и «Шаг по частоте»: 0.5–2.5 ГГц с шагом по умолчанию 0.001 ГГц — это 2001 полное решение. Частоты можно и перечислить списком — см. раздел «Два способа задать расчётные частоты».
2. Расчётная сетка
Сетка МКЭ строится на максимальной частоте диапазона — там она самая мелкая — и затем используется во всех частотных точках. Иную частоту можно задать в настройках генератора сетки.
3. Решение в каждой точке
На каждой частоте собирается и решается своя система уравнений. Свойства материалов и портовые задачи берутся на этой же частоте, поэтому дисперсия любой природы входит в расчёт точно.
4. Независимые точки
Результат в точке не зависит от остальных: погрешность не накапливается по диапазону, а сами точки можно считать параллельно — см. раздел «Как ускорить расчёт».
Шаг 3 повторяется для каждой частотной точки: время расчёта растёт пропорционально их числу — это единственная плата за отсутствие модели диапазона
Что получается на выходе. S-параметры, параметры портов и 3D-поля доступны в каждой заданной частотной точке. Ни быстрое, ни интерполяционное сканирование этого не дают: у первого поля восстанавливаются по модели, у второго сохраняются только в подобранных частотах. Собственного критерия точности у метода нет — точность в каждой точке определяется только качеством расчётной сетки.
Дискретное сканирование — опорный метод: именно с ним сверяют результаты быстрого и интерполяционного сканирования. Параметры портов — волновое сопротивление Z0 и постоянная распространения γ. В ANSYS HFSS методу соответствует Discrete Sweep.
Сравнение с другими методами
Сравнение методов расчёта в полосе частот
Практический выбор. Дискретное сканирование — когда частот немного, нужны 3D-поля во всех точках диапазона либо требуется эталонная точность. Интерполяционное — когда результат нужен в тысячах точек, а одно полное решение дорого. Быстрое — умеренная полоса, слабая дисперсия и потребность в полях на произвольной частоте.
В чём именно выигрыш. Дискретное сканирование — единственный метод, который вообще не строит модели частотной зависимости. Поэтому дисперсия материалов, волноводов и линий передачи учитывается точно, погрешность не зависит ни от ширины диапазона, ни от положения точки в нём, а 3D-поле доступно в любой заданной частоте. Плата — время, пропорциональное числу частотных точек.
Скорость и точность даны в сравнении между методами, а не в абсолютной шкале. Равномерная сетка во всех трёх методах задаётся полями «Мин частота», «Макс частота» и «Шаг по частоте»; произвольный список частот доступен только при дискретном сканировании.
Быстрый старт
-
Выбрать тип решения
В настройках решения: «Тип решения = Диапазон частот».
-
Включить дискретное сканирование
«Тип сканирования = Дискретный». В диалоге настроек решателя это поле называется «Частотное сканирование».
-
Задать частотную сетку
«Частота как = Диапазон» — границы и шаг, либо «Пользовательский набор» — список частот через запятую. Каждая точка стоит полного решения задачи.
-
Проверить построение сетки
По умолчанию сетка строится на максимальной частоте диапазона и используется во всех точках. Другая частота задаётся в настройках генератора сетки.
-
При необходимости включить параллельный обход
«Настройки → МКЭ → Решение», поле «Число потоков дискретного обхода». См. раздел «Как ускорить расчёт».
Настройки решения в дереве проекта:
Шаг по умолчанию придётся укрупнить
В остальных методах шаг влияет только на объём выходных данных, поэтому 0.001 ГГц по умолчанию их устраивает. Здесь тот же шаг — это 2001 полное решение на диапазоне 0.5–2.5 ГГц. Укрупнять до приемлемого по времени: 0.01 ГГц даёт 201 точку, 0.05 ГГц — 41.
Те же поля доступны в диалоге «Настройки решателя» на вкладке «Общие» — значения в дереве и в диалоге синхронизированы. Шаг по частоте — единственное умолчание, которое при дискретном сканировании почти всегда требует правки.
Два способа задать расчётные частоты
Поле «Частота как». Частоты задаются либо равномерной сеткой по границам и шагу, либо явным списком — второй режим есть только у дискретного сканирования. По сути это выбор между формой характеристики целиком и минимальной стоимостью расчёта: платится за каждую точку, независимо от режима.
«Диапазон»
Равномерная сетка: «Мин частота», «Макс частота», «Шаг по частоте». Число точек — (Fмакс − Fмин) / шаг + 1, и каждая из них стоит полного решения. Режим по умолчанию. Подходит, когда нужна форма характеристики, а не значения в отдельных частотах. Шаг здесь приходится укрупнять до приемлемого по времени.
Так же задаются частоты у быстрого и интерполяционного сканирования, поэтому режим удобен, когда результаты трёх методов нужно сравнивать на одной сетке.
«Пользовательский набор»
Явный список частот через запятую в поле «Частоты, ГГц» — например, 2.4, 2.8, 4. Набор может быть неравномерным; решается ровно столько задач, сколько частот в списке.
Подходит, когда интерес сосредоточен в известных частотах: рабочие каналы, контрольные точки, сверка с другими методами. Стоимость расчёта известна заранее.
Режим доступен только при дискретном сканировании: у остальных методов частоты задаются диапазоном.
Диалог «Настройки решателя»: пользовательский набор частот
Что выбрать. Нужна форма характеристики — «Диапазон» с укрупнённым шагом. Нужны значения в конкретных частотах — «Пользовательский набор»: он снимает главное неудобство равномерной сетки, когда нужная частота в неё не попадает и её приходится считать отдельным запуском. Для сверки результатов быстрого и интерполяционного сканирования это основной режим.
Список частот вводится через запятую в гигагерцах. В дереве настроек решения поле называется «Частоты, ГГц», в диалоге «Настройки решателя» — «Частота решения, ГГц». Поля «Мин частота», «Макс частота» и «Шаг по частоте» в этом режиме не используются и из интерфейса убираются.
Параметры, которые имеет смысл менять
Настраивать почти нечего. У дискретного сканирования нет ни допусков интерполяции, ни параметров модели диапазона: метод полностью описывается набором расчётных частот. Всё, что влияет на результат помимо него, относится к построению сетки и общим настройкам МКЭ.
| Поле | По умолчанию | Что задаёт | Когда менять |
|---|---|---|---|
| Частота как | Диапазон | Способ задания расчётных частот: равномерная сетка либо явный список. | «Пользовательский набор» — если интерес сосредоточен в известных частотах: решается ровно столько задач, сколько частот в списке. |
| Мин частота, ГГц Макс частота, ГГц | — | Границы диапазона; обе входят в расчёт. Только в режиме «Диапазон». | Не задавать диапазон шире, чем требуется: каждая лишняя точка — это полное решение задачи. |
| Шаг по частоте, ГГц | 0.001 | Расстояние между соседними точками; вместе с границами задаёт их число. Только в режиме «Диапазон». | Ключевой параметр именно для дискретного сканирования: умолчание рассчитано на методы, где точки почти бесплатны, и здесь почти всегда избыточно. Укрупнять до приемлемого по времени, следя, чтобы нужные частоты попадали в сетку. |
| Частоты, ГГц | — | Список расчётных частот через запятую — 2.4, 2.8, 4. Только в режиме «Пользовательский набор»; в диалоге поле называется «Частота решения, ГГц». | Единственный способ задать неравномерный набор частот и не платить за промежуточные точки. |
| Число потоков дискретного обхода | 1 | Сколько частотных точек считается одновременно. Задаётся в «Настройки → МКЭ → Решение», а не в настройках решения. | Основной способ ускорения дискретного расчёта. См. раздел «Как ускорить расчёт». |
Порядок настройки. Выбрать режим задания частот, укрупнить шаг до приемлемого и выполнить расчёт. Убедиться, что характеристика разрешена по частоте и нужные частоты попали в набор, и только затем измельчать шаг или включать параллельный обход.
Точность результата дискретное сканирование не регулирует: она целиком определяется расчётной сеткой. По умолчанию сетка строится на максимальной частоте диапазона; её параметры задаются в настройках генератора сетки и общие для всех методов расчёта диапазона.
Как ускорить расчёт
Два независимых ресурса. Дискретное сканирование — это N независимых полных решений, поэтому ускорять его можно с двух сторон: потоками внутри одного решения и одновременным расчётом нескольких частот. Общее число потоков при этом фиксировано и делится между частотами. Настраивается в «Настройки → МКЭ → Решение»; на результат не влияет.
| Способ | Где настраивается | Что даёт |
|---|---|---|
| Потоки внутри одного расчёта | «Общее количество потоков» | Параллельные сборка и решение системы уравнений на каждой частоте. Работает всегда, независимо от числа одновременно считаемых точек. |
| Одновременный расчёт нескольких частот | «Число потоков дискретного обхода» | Несколько частотных точек считаются параллельно. Точки независимы, поэтому масштабирование прямое — в отличие от интерполяционного сканирования. |
| Распределение потоков | оба поля совместно | Потоков на одну частоту = «Общее количество потоков» / «Число потоков дискретного обхода». При 16 потоках и 4 частотах — по 4 потока на каждую. |
| Меньше частотных точек | настройки решения | Сужение диапазона и увеличение шага — единственный способ уменьшить сам объём работы: время расчёта пропорционально числу точек. |
| Режим Out-of-core | «Режим OOC», «Максимальный лимит OOC RAM» | Не средство ускорения: позволяет считать задачу, не помещающуюся в оперативную память, ценой обращений к диску. |
«Настройки → МКЭ → Решение»: распределение потоков
Как выбрать число одновременных частот
Память растёт кратно: N частот одновременно — это N одновременно хранимых систем уравнений и их разложений, поэтому пиковое потребление оперативной памяти увеличивается примерно в N раз.
Одновременно уменьшается число потоков на каждое решение, а отдача от потоков в прямом решателе нелинейна: слишком мелкое дробление съедает выигрыш от параллельности.
Практический ориентир — увеличивать число одновременных частот, пока задача уверенно помещается в память и на каждую частоту остаётся не менее четырёх потоков.
Формула распределения выведена прямо в интерфейсе: «потоков на DS = Всего потоков / Количество DS». Значение «Число потоков дискретного обхода» = 1 означает последовательный обход частот, при котором всё общее число потоков достаётся одному решению.