HFSS PORT終極解決方案（一）

2016-09-24 by:CAE仿真在線來(lái)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(wèn)題

說(shuō)明:這里說(shuō)的port主要是針對(duì)Ansys的HFSS電磁場(chǎng)全波仿真器

簡(jiǎn)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(gè)商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)仿真軟件,業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)和分析的電子設(shè)計(jì)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。HFSS提供了一簡(jiǎn)潔直觀的用戶設(shè)計(jì)界面、精確自適應(yīng)的場(chǎng)解器、擁有空前電性能分析能力的功能強(qiáng)大后處理器,能計(jì)算任意形狀三維無(wú)源結(jié)構(gòu)的S參數(shù)和全波電磁場(chǎng)。HFSS軟件擁有強(qiáng)大的天線設(shè)計(jì)功能,它可以計(jì)算天線參量,如增益、方向性、遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖剖面、遠(yuǎn)場(chǎng)3D圖和3dB帶寬;繪制極化特性,包括球形場(chǎng)分量、圓極化場(chǎng)分量、Ludwig第三定義場(chǎng)分量和軸比。使用HFSS,可以計(jì)算:

① 基本電磁場(chǎng)數(shù)值解和開(kāi)邊界問(wèn)題,近遠(yuǎn)場(chǎng)輻射問(wèn)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?；蛑C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(jì)解決方案,提供了從系統(tǒng)到電路直至部件級(jí)的快速而精確的設(shè)計(jì)手段,覆蓋了高頻設(shè)計(jì)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(guó)】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(gè)端口類型,其他3D仿真器應(yīng)該也有這兩個(gè)PORT的概念,只不過(guò)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(guò)無(wú)源器件后再?gòu)牧硪粋€(gè)PORT口(或者是從PORT進(jìn)口)出來(lái)。我們所謂的S參數(shù)其實(shí)就是指的是在PORT處測(cè)量信號(hào)的能量然后按照定義的公式計(jì)算得來(lái)的。電磁波遇到不連續(xù)點(diǎn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)反射現(xiàn)象,也就是能量發(fā)生改變,這個(gè)大家都知道,所以在端口處不匹配同樣會(huì)造成反射,這么看來(lái)PORT的值的大小,肯定會(huì)影響測(cè)量的S參數(shù)了,這個(gè)咱們?cè)诘谌職w一化里再詳細(xì)說(shuō)明。

在說(shuō)這兩種PORT之前,我們先來(lái)說(shuō)說(shuō)端口阻抗PORT Z0,輸入阻抗Zin和特性阻抗Z0,這三個(gè)和Z相關(guān)的量需要分清楚,不能弄混淆了,因?yàn)檫@個(gè)和兩種類型PORT的自身特點(diǎn)還是有點(diǎn)關(guān)系的,下面我們簡(jiǎn)單介紹下,等介紹到PORT時(shí)再聯(lián)系起來(lái)詳細(xì)說(shuō)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(guó)】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(shí)這個(gè)可以等同于一定條件下的Z參數(shù),另外它不是一個(gè)常數(shù),它是一個(gè)函數(shù),和被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的傳播延時(shí),被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的阻抗不連續(xù)點(diǎn)和激勵(lì)信號(hào)的頻率有關(guān)系?？赡芎芏嗳藙倢W(xué)S參數(shù)的時(shí)候會(huì)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(guó)】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(duì)這個(gè)概念應(yīng)該很熟悉了,雖然說(shuō)它的值和信號(hào)的頻率是有關(guān)系的,不過(guò)它變化不是很大,一般在工程上我們都把它看做是一個(gè)常數(shù)來(lái)用,在HFSS里選擇圖3里的標(biāo)注處可以查看。

SI-list【中國(guó)】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(lái)看看lumped port,lumped port翻譯過(guò)來(lái)就是集總端口,lumped port的激勵(lì)是以電壓或者電流的形式,加在一個(gè)點(diǎn)或者一個(gè)單元上,本身HFSS是一個(gè)計(jì)算電磁波在空間分部的一個(gè)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(lì)加在足夠小的區(qū)域上,“波”就可以用“電壓”或“電流”來(lái)描述。lumped port加的時(shí)候非常的方便,使用簡(jiǎn)單,尤其激勵(lì)點(diǎn)附近存在幾何或材料上的不連續(xù)區(qū)時(shí)只能選用lumped port,比如給package加激勵(lì)的時(shí)候。用lumpde port時(shí)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(shuō)求解后觀察端口PORTZ0時(shí)它會(huì)一直是50歐不會(huì)變化。最后lumped port沒(méi)有端口平移,也就是去嵌(deembedding)。其實(shí)這個(gè)lumped port在我看來(lái)和SIWAVE的port很是相似,大家可以比較一下

接下來(lái)說(shuō)說(shuō)wave port,wave port翻譯過(guò)來(lái)就是波端口的意思,wave port的激勵(lì)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(gè)橫截面(剖面)上,wave port有個(gè)很特別的地方就是它的端口阻抗PORTZ0,當(dāng)加了wave port后對(duì)PORT進(jìn)行做不歸一化處理時(shí),那么求解器在求解時(shí)把該端口看作一個(gè)半無(wú)限長(zhǎng)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(duì)應(yīng)模式的特性阻抗即等于端口阻抗PORTZ0,也就是說(shuō)不管在哪個(gè)頻率上求得的端口阻抗在端口處與被測(cè)網(wǎng)絡(luò)是完全匹配的,信號(hào)在端口處不會(huì)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(shí),我們可以不需要建立地平面,也就是參考平面,軟件會(huì)將介質(zhì)邊界處當(dāng)做Perfect Conductors來(lái)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(lái)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(gè)對(duì)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(jiǎn)單總結(jié)下wave port與lumped port的區(qū)別:

lumped port:加在一個(gè)點(diǎn)或者一個(gè)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(méi)有端口平移操作。

wave port: 加載一個(gè)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(gè)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(jì)算,實(shí)在沒(méi)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(huì)激發(fā)出來(lái)的高次模情況。

來(lái)一張表格,大家能看的對(duì)比很清楚些,圖4