HFSS PORT終極解決方案（一）

2016-09-24 by:CAE仿真在線來源:互聯網

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化的三維結構電磁場仿真軟件,業界公認的三維電磁場設計和分析的電子設計工業標準。HFSS提供了一簡潔直觀的用戶設計界面、精確自適應的場解器、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構的S參數和全波電磁場。HFSS軟件擁有強大的天線設計功能,它可以計算天線參量,如增益、方向性、遠場方向圖剖面、遠場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 基本電磁場數值解和開邊界問題,近遠場輻射問題

② 端口特征阻抗和傳輸常數

③ S參數和相應端口阻抗的歸一化S參數

④ 結構的本征模或諧振解。

而且,由ANSYS HFSS和ANSYS Designer構成的ANSYS高頻解決方案,是目前唯一以物理原型為基礎的高頻設計解決方案,提供了從系統到電路直至部件級的快速而精確的設計手段,覆蓋了高頻設計的所有環節。現在最新的版本應該到了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口進入,經過無源器件后再從另一個PORT口(或者是從PORT進口)出來。我們所謂的S參數其實就是指的是在PORT處測量信號的能量然后按照定義的公式計算得來的。電磁波遇到不連續點時會出現反射現象,也就是能量發生改變,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參數了,這個咱們在第三章歸一化里再詳細說明。

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系的,下面我們簡單介紹下,等介紹到PORT時再聯系起來詳細說明。

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,即從端口處看向網絡的阻抗,其實這個可以等同于一定條件下的Z參數,另外它不是一個常數,它是一個函數,和被測網絡的傳播延時,被測網絡的阻抗不連續點和激勵信號的頻率有關系。可能很多人剛學S參數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里的標注處可以查看。

圖2

3. 特性阻抗Z0,相信大家對這個概念應該很熟悉了,雖然說它的值和信號的頻率是有關系的,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來用,在HFSS里選擇圖3里的標注處可以查看。

圖3

現在我們正式進入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區時只能選用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體和參考平面,且端口阻抗PORTZ0一般都設為純電阻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,當加了wave port后對PORT進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絡是完全匹配的,信號在端口處不會發生任何反射。另外當我們假設導體模型為理想導體時,我們可以不需要建立地平面,也就是參考平面,軟件會將介質邊界處當做Perfect Conductors來處理,端口的設置中僅僅需要指定導體就OK。如果我們需要研究導體銅的影響,我們可以將導體定義有限電導體邊界(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體邊界這個對話框里有設置。最后wave port可以進行端口平移。

最后讓我們簡單總結下wave port與lumped port的區別:

lumped port:加在一個點或者一個面上;需要指定導體和參考平面;端口阻抗一般為設為50歐為一定值;可以加在材料不連續區域或者結構內部,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;端口阻抗可以設為歸一化某個值或者非歸一化;只能只應用于暴露在背景中的表面,可以進行端口平移操作。

最后總結: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