HFSS PORT终极解决方案（一）

2016-09-24 by:CAE仿真在线来源:互联网

本文大纲

本文章分三部分:

(一)wave port与lumped port的理解

(二)两种port的仿真操作用法

(三)S参数归一化的问题

说明:这里说的port主要是针对Ansys的HFSS电磁场全波仿真器

简单介绍下HFSS:

ANSYS HFSS,是ANSYS公司推出的三维电磁仿真软件;是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件,业界公认的三维电磁场设计和分析的电子设计工业标准。HFSS提供了一简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场解器、拥有空前电性能分析能力的功能强大后处理器,能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场。HFSS软件拥有强大的天线设计功能,它可以计算天线参量,如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3D图和3dB带宽;绘制极化特性,包括球形场分量、圆极化场分量、Ludwig第三定义场分量和轴比。使用HFSS,可以计算:

① 基本电磁场数值解和开边界问题,近远场辐射问题

② 端口特征阻抗和传输常数

③ S参数和相应端口阻抗的归一化S参数

④ 结构的本征模或谐振解。

而且,由ANSYS HFSS和ANSYS Designer构成的ANSYS高频解决方案,是目前唯一以物理原型为基础的高频设计解决方案,提供了从系统到电路直至部件级的快速而精确的设计手段,覆盖了高频设计的所有环节。现在最新的版本应该到了ANSYS HFSS 16.

ANSYS workbench

SI-list【中国】HFSS PORT终极解决方案(一)HFSS仿真分析图片1

1 wave port与lumped port的理解

首先wave port与lumped port是ANSYS自己定义的这么两个端口类型,其他3D仿真器应该也有这两个PORT的概念,只不过可能定义不太一样而已,类如ADS_EM等。

PORT,顾名思义,就是端口的意思,正弦波从PORT口进入,经过无源器件后再从另一个PORT口(或者是从PORT进口)出来。我们所谓的S参数其实就是指的是在PORT处测量信号的能量然后按照定义的公式计算得来的。电磁波遇到不连续点时会出现反射现象,也就是能量发生改变,这个大家都知道,所以在端口处不匹配同样会造成反射,这么看来PORT的值的大小,肯定会影响测量的S参数了,这个咱们在第三章归一化里再详细说明。

在说这两种PORT之前,我们先来说说端口阻抗PORT Z0,输入阻抗Zin和特性阻抗Z0,这三个和Z相关的量需要分清楚,不能弄混淆了,因为这个和两种类型PORT的自身特点还是有点关系的,下面我们简单介绍下,等介绍到PORT时再联系起来详细说明。

1. 端口阻抗PORTZ0,顾名思义,即端口处的阻抗,在HFSS里选择图1里的标注处可以查看。

SI-list【中国】HFSS PORT终极解决方案(一)HFSS仿真分析图片2

图1

2. 输入阻抗Zin,即从端口处看向网络的阻抗,其实这个可以等同于一定条件下的Z参数,另外它不是一个常数,它是一个函数,和被测网络的传播延时,被测网络的阻抗不连续点和激励信号的频率有关系。可能很多人刚学S参数的时候会把输入阻抗Zin和特性阻抗Z0给弄混了。在HFSS里选择图2里的标注处可以查看。

图2

3. 特性阻抗Z0,相信大家对这个概念应该很熟悉了,虽然说它的值和信号的频率是有关系的,不过它变化不是很大,一般在工程上我们都把它看做是一个常数来用,在HFSS里选择图3里的标注处可以查看。

图3

现在我们正式进入PORT的世界,首先来看看lumped port,lumped port翻译过来就是集总端口,lumped port的激励是以电压或者电流的形式,加在一个点或者一个单元上,本身HFSS是一个计算电磁波在空间分部的一个软件,波是矢量,电压电流则为标量,那为什么还要用lumped port呢,大家想下,如果频率很低或者激励加在足够小的区域上,“波”就可以用“电压”或“电流”来描述。lumped port加的时候非常的方便,使用简单,尤其激励点附近存在几何或材料上的不连续区时只能选用lumped port,比如给package加激励的时候。用lumpde port时需要注意需要指定导体和参考平面,且端口阻抗PORTZ0一般都设为纯电阻50欧,也就是说求解后观察端口PORTZ0时它会一直是50欧不会变化。最后lumped port没有端口平移,也就是去嵌(deembedding)。其实这个lumped port在我看来和SIWAVE的port很是相似,大家可以比较一下

接下来说说wave port,wave port翻译过来就是波端口的意思,wave port的激励称做本征波,比如微带线馈源提供的准横电磁波TEM波,它加在一个横截面(剖面)上,wave port有个很特别的地方就是它的端口阻抗PORTZ0,当加了wave port后对PORT进行做不归一化处理时,那么求解器在求解时把该端口看作一个半无限长均匀传输线,该传输线具有与端口相同的截面和材料,利用2D特征模求解器可以求得对应模式的特性阻抗即等于端口阻抗PORTZ0,也就是说不管在哪个频率上求得的端口阻抗在端口处与被测网络是完全匹配的,信号在端口处不会发生任何反射。另外当我们假设导体模型为理想导体时,我们可以不需要建立地平面,也就是参考平面,软件会将介质边界处当做Perfect Conductors来处理,端口的设置中仅仅需要指定导体就OK。如果我们需要研究导体铜的影响,我们可以将导体定义有限电导体边界(Finite Conductors Boundary)来仿真。再顺便插一句,其中铜箔粗糙度的仿真就在定义有限电导体边界这个对话框里有设置。最后wave port可以进行端口平移。

最后让我们简单总结下wave port与lumped port的区别:

lumped port:加在一个点或者一个面上;需要指定导体和参考平面;端口阻抗一般为设为50欧为一定值;可以加在材料不连续区域或者结构内部,没有端口平移操作。

wave port: 加载一个横截面(剖面上);在某些情况下不需要指定参考平面;端口阻抗可以设为归一化某个值或者非归一化;只能只应用于暴露在背景中的表面,可以进行端口平移操作。

最后总结:能用wave port就用wave port,毕竟支持端口平移和端口阻抗计算,实在没法用的情况下再用lumped port。另外lumped port只考虑单次模情况,忽略了可能会激发出来的高次模情况。

来一张表格,大家能看的对比很清楚些,图4