HFSS端口詳解：WavePort、LumpedPort及對(duì)比總結(jié)

2016-09-22 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

本文詳解了Wave Port和Lumped Port兩個(gè)端口的使用, 并對(duì)Wave Port和Lumped port的一些主要區(qū)別進(jìn)行對(duì)比。

一、Wave Port

Wave Port是HFSS中典型的外部端口,這里所說(shuō)的外部是指只有一側(cè)有場(chǎng)分布,一般都在邊界和背景的交界處。外部端口需要通過(guò)傳輸線的方式才能將激勵(lì)信號(hào)加入到結(jié)構(gòu)中,而外部端口通常會(huì)定義成傳輸線的截面。Wave Port截面就是HFSS求解結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)的參考面,它對(duì)于S參數(shù)的相位計(jì)算非常重要。HFSS在端口截面處求解傳輸線的特性,得到端口的特性阻抗和傳播常數(shù),用于計(jì)算S參數(shù)。

1.1.傳輸線原型:

傳輸線線寬W=6mil,線間距S=3W=18mil,線長(zhǎng)2000mil,層疊結(jié)構(gòu)是銅厚1.4mil,傳輸線距離下方的GND平面58mil,介質(zhì)的介電常數(shù)是4.25,如下圖:

由上圖有Polar計(jì)算得到的傳輸線的特性阻抗是138.27ohm。

1.2.airbox背景作為Wave Port端口:

將Wave Port創(chuàng)建在Boundary face of free space上,且讓W(xué)ave Port平面緊貼傳輸線,如下圖所示:

上圖可以看到,HFSS計(jì)算得到的傳輸線的阻抗大約是136.7~138.5ohm,這個(gè)結(jié)果與原型中的Polar的特性阻抗計(jì)算值是完全吻合的。

1.3.以PCB側(cè)邊YZ平面作為Wave Port端口:

將Wave Port創(chuàng)建在PCB的側(cè)邊YZ平面上,且讓W(xué)ave Port平面緊貼free space,如下圖所示:

上圖可以看到,仿真出來(lái)的特性阻抗隨著頻率有比較大的變化,這是因?yàn)閃ave Port沒有考慮傳輸線上方空間的電磁場(chǎng)效應(yīng)導(dǎo)致的,因此這個(gè)結(jié)果是錯(cuò)誤的。

Wave Port端口不緊貼free space:

將Wave Port創(chuàng)建在PCB的側(cè)邊YZ平面上,但是讓W(xué)ave Port平面不緊貼free space,如下圖所示:

上圖可以看到,HFSS無(wú)法繼續(xù)仿真,因?yàn)椴坏珱]有考慮傳輸線上方空間的電磁場(chǎng)效應(yīng),而且在free space boundary與PCB側(cè)邊上的Wave Port之間的空間上沒有電磁場(chǎng)的information。

1.4.新增Wave Port端口平面不緊貼free space:

在PCB的側(cè)邊YZ平面上,另建一個(gè)“矩形平面”,該平面緊貼傳輸線但不貼free sapce boundary,在這個(gè)新的平面上設(shè)置Wave Port,如下圖:

上圖可以看到HFSS仿真得到的傳輸線的特征阻抗是223.9ohm左右,與Polar的計(jì)算結(jié)果偏差很大,這個(gè)結(jié)果時(shí)錯(cuò)誤的。

1.5.新增Wave Port端口大平面且緊貼free space:

在PCB的側(cè)邊YZ平面上,另建一個(gè)“矩形平面”,該平面緊貼傳輸線且緊貼free sapce boundary,平面下部超出PCB下邊沿,在這個(gè)新的平面上設(shè)置Wave Port,如下圖:

上圖看到,HFSS計(jì)算得到的傳輸線的阻抗大約是136.7~138.5ohm,這個(gè)結(jié)果與原型中的Polar的特性阻抗計(jì)算值是完全吻合的。

1.6.新增Wave Port端口小平面且緊貼free space:

在PCB的側(cè)邊YZ平面上,另建一個(gè)“矩形平面”,該平面緊貼傳輸線且緊貼free sapce boundary,但是這個(gè)平面的下方與PCB板下邊沿平齊,在這個(gè)新的平面上設(shè)置Wave Port,如下圖:

上圖看到,HFSS計(jì)算得到的傳輸線的阻抗大約是131.8~133ohm,這個(gè)結(jié)果與原型中的Polar的特性阻抗計(jì)算值基本吻合,但是偏小。

結(jié)論:

由上面的幾種仿真結(jié)果對(duì)比我們可以歸納出Wave Port的兩點(diǎn)結(jié)論:

Wave Port必須設(shè)置在外部端口上,即一定要貼著free space boundary;
Wave Port平面的大小對(duì)仿真結(jié)果精度有較大影響。

通常HFSS的Wave Port平面的規(guī)則如下:

雙帶狀線的Wave Port平面尺寸規(guī)則

單帶狀線的Wave Port平面尺寸規(guī)則

以上是一些常用的Wave Port使用規(guī)則,其實(shí)在實(shí)際的應(yīng)用中Wave Port也可以用作內(nèi)部端口,但是此時(shí)需要做特殊處理。

二、Lumped Port

2.1.Lumped Port簡(jiǎn)介:

Lumped Port是HFSS里面的內(nèi)部端口,它需要通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)來(lái)給結(jié)構(gòu)加入信號(hào),類似于測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試探針。因?yàn)長(zhǎng)umped Port注入給結(jié)構(gòu)的是電壓和電流信號(hào),因此Lumped Port必須要指定端口阻抗,否則就會(huì)導(dǎo)致信號(hào)源短路,Lumped Port端口的阻抗一般設(shè)置與測(cè)試系統(tǒng)的內(nèi)阻一致。同理,因?yàn)槭请娏骱碗妷盒盘?hào),Lumped Port必須要有參考也叫回流通路,因此Lumped Port必須要有兩個(gè)端口面,其中一個(gè)端口面為參考面。

2.2.Lumped Port應(yīng)用:

因?yàn)長(zhǎng)umped Port定義的輸入是電壓和電流信號(hào),因此一般Lumped Port端口主要用于信號(hào)完整性分析,即電路仿真中需要考慮布線寄生效應(yīng)。Lumped Port的典型應(yīng)用如下:

1)同層走線:

2)相鄰層走線:

3)多針腳連接器:

4)替代RLC無(wú)源器件:

2.3.Lumped Port注意:

1)Lumped Port所在端面的長(zhǎng)和寬需要遠(yuǎn)小于信號(hào)波長(zhǎng),一般以1/10波長(zhǎng)為界;
2)因?yàn)長(zhǎng)umped Port端口的兩側(cè)默認(rèn)都是Perfect H邊界,因此兩個(gè)Lumped Port的邊緣不能相接;
3)Lumped Port的兩端必須和Perfect E邊界或金屬表面相接觸,否則信號(hào)無(wú)法注入;
4)Lumped Port只能用于傳輸TEM模式或準(zhǔn)TEM模式;
5)因?yàn)檎鎸?shí)的測(cè)試環(huán)境中回流通路是存在的,因此2個(gè)Lumped Port端口之間必須要形成回流通路,如下圖:

6)為了確保多端口S參數(shù)相位的一致性,Lumped Port積分線的定義方向必須一致;

以上是常用的一些Lumped Port的使用規(guī)則。下周我們將對(duì)Lumped Port和Wave Port做一個(gè)對(duì)比總結(jié),有興趣的同學(xué)請(qǐng)繼續(xù)關(guān)注。

附上Wave Port當(dāng)內(nèi)部端口使用問(wèn)題:

Wave Port當(dāng)內(nèi)部端口使用的唯一情況就是在同軸線激勵(lì)的對(duì)稱振子天線設(shè)計(jì)。因?yàn)閃ave Port直接定義在同軸線的截面上時(shí),由于場(chǎng)的雙向存在,HFSS軟件會(huì)報(bào)錯(cuò),導(dǎo)致仿真無(wú)法繼續(xù)。此時(shí)我們需要在Wave Port所在位置額外增加一個(gè)Perfect E物體,通常稱為“Coductive Cap”。利用此物體將端口面完全覆蓋,因?yàn)镠FSS對(duì)Perfect E物體的內(nèi)部是不求解場(chǎng)的,這樣可以保證場(chǎng)的單向存在。如下圖:

三、對(duì)比總結(jié)

我們已經(jīng)介紹了一下Lumped Port和Wave Port的使用,下面我們做個(gè)對(duì)比和小結(jié)。

3.1.Lumped Port是內(nèi)部端口,Wave Port是外部端口:

Lumped Port相當(dāng)于用測(cè)試系統(tǒng)如探針給傳輸線加激勵(lì),Wave Port相當(dāng)于用傳輸線給傳輸線加激勵(lì);因此Lumped Port需要指定端口阻抗,Wave Port自動(dòng)求解端口阻抗。此外,Wave Port加上“conductive cap”可以當(dāng)內(nèi)部端口用。