HFSS的波端口和集總端

摘要：

HFSS的波端口和集總端口均需要定義在模型的2D平面上，但是不同模型在設(shè)計(jì)激勵(lì)時(shí)，究竟選用什么激勵(lì)端口？?jī)煞N端口在具體設(shè)置上的操作步驟有哪些？本次推文就這些問(wèn)題一一展開(kāi)，希望拋磚引玉，能對(duì)讀者有所啟發(fā)。 0 1 兩種端口簡(jiǎn)介 很多初學(xué)者在利用HFSS軟件進(jìn)行電磁仿真時(shí)，都會(huì)在端口激勵(lì)上有一些疑惑——為什么這里要用波端口？集總端口在什么情況下會(huì)使用呢？聽(tīng)說(shuō)波端口仿真要準(zhǔn)一點(diǎn)？對(duì)于這些問(wèn)題，得從兩種端口的使用場(chǎng)景和特點(diǎn)說(shuō)起了。 對(duì)于端口激勵(lì)這部分，HFSS幫助文檔有比較詳盡的闡述和設(shè)置方法。本次推文也只是信息的二次加工，便于向廣大受眾傳播而已。

言歸正傳，相信不少讀者都是從某軟件培訓(xùn)書(shū)上，跟著T形波導(dǎo)這個(gè)入門(mén)實(shí)例開(kāi)始學(xué)習(xí)的。當(dāng)跟著指導(dǎo)書(shū)建立波端口并設(shè)置積分線的時(shí)候，很多初學(xué)者應(yīng)該就有點(diǎn)一知半解、囫圇吞棗了。 不過(guò)在學(xué)了傳輸線和波導(dǎo)理論后就好理解：經(jīng)過(guò)仿真可以得到電場(chǎng)，如果不是勻強(qiáng)電場(chǎng)，就不能套用公式U=Ed，此時(shí)需要對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行積分才能得到電壓，所以要有積分線。定義積分線的方向?yàn)殡妶?chǎng)正方向，通過(guò)積分公式∫Edl可求解出端口電壓。在計(jì)算某些值要用到端口電壓這個(gè)參量。比如計(jì)算端口阻抗時(shí)，如果已知端口上電壓和電流，就可以通過(guò)公式Z=U/I計(jì)算出端口阻抗。

對(duì)于波端口（Wave port）而言，其設(shè)置項(xiàng)比較多，但是支持的功能也較多。比如計(jì)算端口的特征阻抗（微帶線，帶狀線，波導(dǎo)等），多模式求解（例如矩形波導(dǎo)的TE10，TE11等模式），Deembed（去嵌技術(shù)，端口平移）。相較而言，集總端口（Lumped port）的設(shè)置項(xiàng)就比較簡(jiǎn)單，用戶只需要設(shè)置積分線并指定端口的特征阻抗，不過(guò)該激勵(lì)方式僅能求解單一模式 (TEM或者準(zhǔn)TEM模式) 激勵(lì)下的結(jié)果。 在實(shí)際的建模仿真中，我們需要根據(jù)兩種激勵(lì)端口的功能特點(diǎn)去靈活應(yīng)用到不同場(chǎng)景中。例如前文所提到的T形波導(dǎo)就只能采用波端口激勵(lì)，如果想觀察高次模激勵(lì)則還需指定積分線并選擇設(shè)置好求解模式數(shù)。除此之外，對(duì)于微帶線、帶狀線等微波傳輸線特征阻抗的計(jì)算，也只能用波端口激勵(lì)求解并在后處理中觀看Port Zo。不過(guò)在只考慮單一模式激勵(lì)時(shí)，一些開(kāi)放結(jié)構(gòu)比如下圖所示的天線，就沒(méi)法采用波端口激勵(lì)。

對(duì)于上面不考慮巴倫、理想饋電的阿基米德螺旋天線，設(shè)置集總端口進(jìn)行粗略仿真是可以的。如果需要做成實(shí)物，則要添加巴倫（實(shí)現(xiàn)進(jìn)行非平衡-平衡饋電）和SMA/SMP射頻連接器（進(jìn)行同軸-微帶轉(zhuǎn)換）。因此我們需要將整個(gè)模型（包括射頻連接器）在HFSS軟件中建立起來(lái)，連接器末端的端口可以直接設(shè)置成50歐姆的集總端口激勵(lì)，亦可設(shè)置波端口單模激勵(lì)（可以不設(shè)置積分線，TEM主模激勵(lì)）。如果連接器的內(nèi)外徑和內(nèi)部絕緣子構(gòu)成的特征阻抗是50歐姆，則兩者的仿真結(jié)果基本一致，反之則不然。 不過(guò)同軸線的尺寸設(shè)置不合理時(shí)，在高頻段也會(huì)出現(xiàn)高次模，例如TE11模式，可參考閱讀一文了解常用的微波傳輸線（一）。如果前期仿真僅設(shè)置單模激勵(lì)，但是實(shí)際存在高次模且影響不可忽略，則其實(shí)際性能會(huì)與仿真有所出入。 0 2 波端口的基本原理和使用 波端口四周默認(rèn)采用是理想導(dǎo)體邊界條件，因此對(duì)于波導(dǎo)和同軸線這類(lèi)橫截面閉合且截面四周都是導(dǎo)體的傳輸線，波端口可直接定義在其終端橫截面上，且波端口需要接觸空氣盒子邊界（設(shè)置為Radiation或者PML邊界條件）或者金屬物體（用來(lái)確定激勵(lì)方向，但是需要注意的時(shí)，陣列天線這種多端口模型下，不建議采用這種方法！可能會(huì)引入附加反射相位。從而造成給端口配置掃描相差時(shí)，方向圖會(huì)與理論值有區(qū)別。如果采用射頻連接器對(duì)天線進(jìn)行饋電，可以設(shè)置50歐姆集總端口進(jìn)行饋電）。如果只考慮主模傳輸，可以不定義積分線。

除此之外，波端口的參數(shù)設(shè)置還需要明確激勵(lì)模式數(shù)、積分線、特征阻抗類(lèi)型、Mode Alignment and Polarity、端口阻抗歸一化和Deembed去嵌處理。

這里首先講講特征阻抗的設(shè)置。HFSS波端口中的特征阻抗有四個(gè)選項(xiàng)(Zpi、Zpv、Zvi 和 Zwave)，選項(xiàng)Zpv和Zvi只有在定義一條積分線才會(huì)出現(xiàn)。TEM以外模式，這三個(gè)量將給出不同的結(jié)果，因?yàn)殡妷翰皇俏ㄒ坏?，結(jié)果與用于計(jì)算電壓的路徑相關(guān)。Zwave嚴(yán)格意義上來(lái)講僅適用于均勻波導(dǎo)。

接下來(lái)闡述這四種特征阻抗的定義：

波阻抗定義為電場(chǎng)的振幅和磁場(chǎng)的振幅之比，具有阻抗的量綱，故稱(chēng)為波阻抗；矩形波導(dǎo)主模TE10的波阻抗與窄邊b無(wú)關(guān)。但兩個(gè)寬邊相等而窄邊不同的波導(dǎo)相連接，會(huì)發(fā)生很大反射，因此波導(dǎo)的波阻抗相等并不能保證無(wú)反射匹配

根據(jù)等效電壓等效電流和傳輸功率，可以分三種情況定義等效阻抗(Zpi、Zpv、Zvi)：

從上面公式可以看出4種特征阻抗只是差了個(gè)系數(shù)，因此對(duì)于不同種類(lèi)傳輸線，要進(jìn)行良好的阻抗匹配設(shè)計(jì)，則應(yīng)當(dāng)將其統(tǒng)一到一種特征阻抗。 對(duì)于Mode Alignment and Polarity這個(gè)選項(xiàng)，默認(rèn)選擇第一個(gè)小項(xiàng)(Set Mode Polarity Using Integration Line)-利用積分線設(shè)置模式的極化。 波端口激勵(lì)是假設(shè)和一個(gè)半無(wú)限長(zhǎng)的矩形波導(dǎo)相連，因此波導(dǎo)的尺寸越小，截止頻率越高，越有利于單模傳輸。但對(duì)于微帶線、帶狀線、共面波導(dǎo)等開(kāi)放或半開(kāi)放結(jié)構(gòu)的傳輸線，電磁場(chǎng)并不完全束縛在導(dǎo)體和參考地之間，部分電磁能量會(huì)輻射到傳輸線四周的空氣和介質(zhì)中，因此設(shè)置的波端口需要有足夠大的尺寸，以避免電場(chǎng)耦合到波端口邊緣上，影響傳輸線的特性。不過(guò)波端口尺寸也不宜過(guò)大，其寬度和高度都不能超過(guò)半個(gè)工作波長(zhǎng)，否則會(huì)激發(fā)矩形波導(dǎo)模式，進(jìn)而影響到計(jì)算的準(zhǔn)確性。 對(duì)于簡(jiǎn)單的微帶線、帶狀線和共面波導(dǎo)傳輸線，波端口激勵(lì)的端口尺寸設(shè)置，可以參考下圖。當(dāng)然，也可以嘗試將波端口的寬度和高度設(shè)為變量進(jìn)行掃描，當(dāng)端口阻抗趨近收斂時(shí)，此時(shí)的端口設(shè)置為最佳。

除此之外，也可以通過(guò)看HFSS求解出來(lái)的波端口面上的場(chǎng)分布來(lái)判斷端口尺寸是否合適。如下圖所示的微帶線結(jié)構(gòu)，如果波端口尺寸大小設(shè)置合理，則觀看Port Field Display可以發(fā)現(xiàn)，電場(chǎng)都集中在微帶線和地之間，而在波端口的邊界上幾乎沒(méi)有場(chǎng)分布。反之，若端口尺寸過(guò)小（寬度過(guò)窄或者高度不足），則波端口的邊界上也會(huì)存在不少電場(chǎng)分布。

接下來(lái)我們講講波端口設(shè)置里的Deembed（去嵌技術(shù)，端口平移）。Deembed指的是去嵌，比如矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀就采用了TRL校準(zhǔn)法，將測(cè)量端口面平移到真實(shí)的待測(cè)物體處，這個(gè)方法就可以稱(chēng)為去嵌。

如果仿真模型中包括了電長(zhǎng)尺寸的均勻傳輸線，那么就可以利用Deembed功能，通過(guò)短傳輸線的結(jié)果推算長(zhǎng)傳輸線的結(jié)果。如果傳輸線是無(wú)耗的，Deembed只改變S參數(shù)的相位，如果傳輸線是有耗的，HFSS會(huì)自動(dòng)將傳輸線的損耗修正到結(jié)果中，而不必將這些傳輸線建立到求解模型中，從而節(jié)省求解時(shí)間。

例如粗略評(píng)估下面采用了2發(fā)6收的毫米波雷達(dá)收發(fā)天線的性能時(shí)，不必添加完整饋線部分，可以利用Deembed功能將結(jié)果進(jìn)行延拓，從而推算長(zhǎng)傳輸線的結(jié)果。不過(guò)臨近饋線和收發(fā)陣列之間存在電磁耦合，最后進(jìn)行整機(jī)評(píng)估時(shí)，還是將完整饋線部分加入到仿真模型，以便識(shí)別一些潛在的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

最后簡(jiǎn)單陳述下端口阻抗歸一化。對(duì)于單端口激勵(lì)的模型而言，阻抗歸一化與否不影響端口反射系數(shù)，常規(guī)的散射參量也是針對(duì)于各端口具有相同特征阻抗而言的，但是對(duì)于多端口系統(tǒng)而言，波端口設(shè)置里端口阻抗歸一化則需要提及廣義散射參量。在微波工程第四章節(jié)里對(duì)此進(jìn)行了簡(jiǎn)要推導(dǎo)得出如下公式：

因此，我們可以通過(guò)上述公式將具有相同特征阻抗的S參量，轉(zhuǎn)換到不同特征阻抗的網(wǎng)絡(luò)上去。不過(guò)對(duì)于大部分情況而言，我們無(wú)需勾選波端口設(shè)置里的端口阻抗歸一化（Renormalize all mode），保持Do not renormalize即可。即使是陣列天線這種多端口系統(tǒng)而言，實(shí)際使用的時(shí)候，激勵(lì)端口和負(fù)載也是采用50歐姆標(biāo)準(zhǔn)，我們也沒(méi)必要指定每個(gè)端口歸一化到特定的值。 0 3 集總端口的基本原理和使用 波端口的特性阻抗和與它接觸的傳輸線保持一致，因此可以充當(dāng)一個(gè)理想匹配負(fù)載（Edit Sources里設(shè)置端口激勵(lì)幅度為0即可）的作用。而集總端口需要人為設(shè)定端口阻抗（可以是復(fù)阻抗，HFSS15.0和Ansys20.2這兩種版本的設(shè)置有一點(diǎn)區(qū)別），當(dāng)其與傳輸線的特性阻抗不一致時(shí)，端口面所在處會(huì)發(fā)生反射。除此之外，集總端口必須設(shè)置積分線，其特征阻抗類(lèi)型為固定的Zpi形式。

對(duì)于集總端口而言，其端口尺寸同樣有限制：建議長(zhǎng)、寬都在0.1個(gè)工作波長(zhǎng)以內(nèi)。在設(shè)置該類(lèi)端口激勵(lì)時(shí)，其起、終點(diǎn)必須和PEC或者金屬導(dǎo)體材料的物體接觸（軟件會(huì)自動(dòng)檢測(cè)與Port面接觸的物體，并做出判斷），下圖為微帶線和同軸線的集總端口設(shè)置示意圖。需要注意的是，集總端口不需要像波端口那樣將端口面與背景邊界或者導(dǎo)體接觸。

以上便是要給大家分享的內(nèi)容，希望對(duì)大家有所幫助~~

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審核編輯 ：李倩