HFSS PORT終極解決方案（一）

2016-09-24 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

本文大綱

本文章分三部分:

(一)wave port與lumped port的理解

(二)兩種port的仿真操作用法

(三)S參數(shù)歸一化的問題

說明:這里說的port主要是針對Ansys的HFSS電磁場全波仿真器

簡單介紹下HFSS:

ANSYS HFSS,是ANSYS公司推出的三維電磁仿真軟件;是世界上第一個商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場仿真軟件,業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場設(shè)計和分析的電子設(shè)計工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。HFSS提供了一簡潔直觀的用戶設(shè)計界面、精確自適應(yīng)的場解器、擁有空前電性能分析能力的功能強大后處理器,能計算任意形狀三維無源結(jié)構(gòu)的S參數(shù)和全波電磁場。HFSS軟件擁有強大的天線設(shè)計功能,它可以計算天線參量,如增益、方向性、遠(yuǎn)場方向圖剖面、遠(yuǎn)場3D圖和3dB帶寬;繪制極化特性,包括球形場分量、圓極化場分量、Ludwig第三定義場分量和軸比。使用HFSS,可以計算:

① 基本電磁場數(shù)值解和開邊界問題,近遠(yuǎn)場輻射問題

② 端口特征阻抗和傳輸常數(shù)

③ S參數(shù)和相應(yīng)端口阻抗的歸一化S參數(shù)

④ 結(jié)構(gòu)的本征模或諧振解。

而且,由ANSYS HFSS和ANSYS Designer構(gòu)成的ANSYS高頻解決方案,是目前唯一以物理原型為基礎(chǔ)的高頻設(shè)計解決方案,提供了從系統(tǒng)到電路直至部件級的快速而精確的設(shè)計手段,覆蓋了高頻設(shè)計的所有環(huán)節(jié)。現(xiàn)在最新的版本應(yīng)該到了ANSYS HFSS 16.

ANSYS workbench

SI-list【中國】HFSS PORT終極解決方案(一)HFSS仿真分析圖片1

1 wave port與lumped port的理解

首先wave port與lumped port是ANSYS自己定義的這么兩個端口類型,其他3D仿真器應(yīng)該也有這兩個PORT的概念,只不過可能定義不太一樣而已,類如ADS_EM等。

PORT,顧名思義,就是端口的意思,正弦波從PORT口進(jìn)入,經(jīng)過無源器件后再從另一個PORT口(或者是從PORT進(jìn)口)出來。我們所謂的S參數(shù)其實就是指的是在PORT處測量信號的能量然后按照定義的公式計算得來的。電磁波遇到不連續(xù)點時會出現(xiàn)反射現(xiàn)象,也就是能量發(fā)生改變,這個大家都知道,所以在端口處不匹配同樣會造成反射,這么看來PORT的值的大小,肯定會影響測量的S參數(shù)了,這個咱們在第三章歸一化里再詳細(xì)說明。

在說這兩種PORT之前,我們先來說說端口阻抗PORT Z0,輸入阻抗Zin和特性阻抗Z0,這三個和Z相關(guān)的量需要分清楚,不能弄混淆了,因為這個和兩種類型PORT的自身特點還是有點關(guān)系的,下面我們簡單介紹下,等介紹到PORT時再聯(lián)系起來詳細(xì)說明。

1. 端口阻抗PORTZ0,顧名思義,即端口處的阻抗,在HFSS里選擇圖1里的標(biāo)注處可以查看。

SI-list【中國】HFSS PORT終極解決方案(一)HFSS仿真分析圖片2

圖1

2. 輸入阻抗Zin,即從端口處看向網(wǎng)絡(luò)的阻抗,其實這個可以等同于一定條件下的Z參數(shù),另外它不是一個常數(shù),它是一個函數(shù),和被測網(wǎng)絡(luò)的傳播延時,被測網(wǎng)絡(luò)的阻抗不連續(xù)點和激勵信號的頻率有關(guān)系?？赡芎芏嗳藙倢W(xué)S參數(shù)的時候會把輸入阻抗Zin和特性阻抗Z0給弄混了。在HFSS里選擇圖2里的標(biāo)注處可以查看。

SI-list【中國】HFSS PORT終極解決方案(一)HFSS結(jié)果圖片3

圖2

3. 特性阻抗Z0,相信大家對這個概念應(yīng)該很熟悉了,雖然說它的值和信號的頻率是有關(guān)系的,不過它變化不是很大,一般在工程上我們都把它看做是一個常數(shù)來用,在HFSS里選擇圖3里的標(biāo)注處可以查看。

SI-list【中國】HFSS PORT終極解決方案(一)HFSS結(jié)果圖片4

圖3

現(xiàn)在我們正式進(jìn)入PORT的世界,首先來看看lumped port,lumped port翻譯過來就是集總端口,lumped port的激勵是以電壓或者電流的形式,加在一個點或者一個單元上,本身HFSS是一個計算電磁波在空間分部的一個軟件,波是矢量,電壓電流則為標(biāo)量,那為什么還要用lumped port呢,大家想下,如果頻率很低或者激勵加在足夠小的區(qū)域上,“波”就可以用“電壓”或“電流”來描述。lumped port加的時候非常的方便,使用簡單,尤其激勵點附近存在幾何或材料上的不連續(xù)區(qū)時只能選用lumped port,比如給package加激勵的時候。用lumpde port時需要注意需要指定導(dǎo)體和參考平面,且端口阻抗PORTZ0一般都設(shè)為純電阻50歐,也就是說求解后觀察端口PORTZ0時它會一直是50歐不會變化。最后lumped port沒有端口平移,也就是去嵌(deembedding)。其實這個lumped port在我看來和SIWAVE的port很是相似,大家可以比較一下

接下來說說wave port,wave port翻譯過來就是波端口的意思,wave port的激勵稱做本征波,比如微帶線饋源提供的準(zhǔn)橫電磁波TEM波,它加在一個橫截面(剖面)上,wave port有個很特別的地方就是它的端口阻抗PORTZ0,當(dāng)加了wave port后對PORT進(jìn)行做不歸一化處理時,那么求解器在求解時把該端口看作一個半無限長均勻傳輸線,該傳輸線具有與端口相同的截面和材料,利用2D特征模求解器可以求得對應(yīng)模式的特性阻抗即等于端口阻抗PORTZ0,也就是說不管在哪個頻率上求得的端口阻抗在端口處與被測網(wǎng)絡(luò)是完全匹配的,信號在端口處不會發(fā)生任何反射。另外當(dāng)我們假設(shè)導(dǎo)體模型為理想導(dǎo)體時,我們可以不需要建立地平面,也就是參考平面,軟件會將介質(zhì)邊界處當(dāng)做Perfect Conductors來處理,端口的設(shè)置中僅僅需要指定導(dǎo)體就OK。如果我們需要研究導(dǎo)體銅的影響,我們可以將導(dǎo)體定義有限電導(dǎo)體邊界(Finite Conductors Boundary)來仿真。再順便插一句,其中銅箔粗糙度的仿真就在定義有限電導(dǎo)體邊界這個對話框里有設(shè)置。最后wave port可以進(jìn)行端口平移。

最后讓我們簡單總結(jié)下wave port與lumped port的區(qū)別:

lumped port:加在一個點或者一個面上;需要指定導(dǎo)體和參考平面;端口阻抗一般為設(shè)為50歐為一定值;可以加在材料不連續(xù)區(qū)域或者結(jié)構(gòu)內(nèi)部,沒有端口平移操作。

wave port: 加載一個橫截面(剖面上);在某些情況下不需要指定參考平面;端口阻抗可以設(shè)為歸一化某個值或者非歸一化;只能只應(yīng)用于暴露在背景中的表面,可以進(jìn)行端口平移操作。

最后總結(jié):能用wave port就用wave port,畢竟支持端口平移和端口阻抗計算,實在沒法用的情況下再用lumped port。另外lumped port只考慮單次模情況,忽略了可能會激發(fā)出來的高次模情況。

來一張表格,大家能看的對比很清楚些,圖4