一文詳解HFSS波端口和集總端口

漢無為 2022-06-23 發(fā)布于湖北

展開全文

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)計激勵時，究竟選用什么激勵端口？兩種端口在具體設(shè)置上的操作步驟有哪些？本次推文就這些問題一一展開，希望拋磚引玉，能對讀者有所啟發(fā)。

0 1

兩種端口簡介

很多初學(xué)者在利用HFSS軟件進行電磁仿真時，都會在端口激勵上有一些疑惑——為什么這里要用波端口？集總端口在什么情況下會使用呢？聽說波端口仿真要準(zhǔn)一點？對于這些問題，得從兩種端口的使用場景和特點說起了。

對于端口激勵這部分，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)書上，跟著T形波導(dǎo)這個入門實例開始學(xué)習(xí)的。當(dāng)跟著指導(dǎo)書建立波端口并設(shè)置積分線的時候，很多初學(xué)者應(yīng)該就有點一知半解、囫圇吞棗了。

不過在學(xué)了傳輸線和波導(dǎo)理論后就好理解：經(jīng)過仿真可以得到電場，如果不是勻強電場，就不能套用公式U=Ed，此時需要對電場進行積分才能得到電壓，所以要有積分線。定義積分線的方向為電場正方向，通過積分公式∫Edl可求解出端口電壓。在計算某些值要用到端口電壓這個參量。比如計算端口阻抗時，如果已知端口上電壓和電流，就可以通過公式Z=U/I計算出端口阻抗。

對于波端口（Wave port）而言，其設(shè)置項比較多，但是支持的功能也較多。比如計算端口的特征阻抗（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)置項就比較簡單，用戶只需要設(shè)置積分線并指定端口的特征阻抗，不過該激勵方式僅能求解單一模式 (TEM或者準(zhǔn)TEM模式) 激勵下的結(jié)果。

在實際的建模仿真中，我們需要根據(jù)兩種激勵端口的功能特點去靈活應(yīng)用到不同場景中。例如前文所提到的T形波導(dǎo)就只能采用波端口激勵，如果想觀察高次模激勵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，對于微帶線、帶狀線等微波傳輸線特征阻抗的計算，也只能用波端口激勵求解并在后處理中觀看Port Zo。不過在只考慮單一模式激勵時，一些開放結(jié)構(gòu)比如下圖所示的天線，就沒法采用波端口激勵。

對于上面不考慮巴倫、理想饋電的阿基米德螺旋天線，設(shè)置集總端口進行粗略仿真是可以的。如果需要做成實物，則要添加巴倫（實現(xiàn)進行非平衡-平衡饋電）和SMA/SMP射頻連接器（進行同軸-微帶轉(zhuǎn)換）。因此我們需要將整個模型（包括射頻連接器）在HFSS軟件中建立起來，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，亦可設(shè)置波端口單模激勵（可以不設(shè)置積分線，TEM主模激勵）。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。

不過同軸線的尺寸設(shè)置不合理時，在高頻段也會出現(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，但是實際存在高次模且影響不可忽略，則其實際性能會與仿真有所出入。

0 2

波端口的基本原理和使用

波端口四周默認采用是理想導(dǎo)體邊界條件，因此對于波導(dǎo)和同軸線這類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（用來確定激勵方向，但是需要注意的時，陣列天線這種多端口模型下，不建議采用這種方法！可能會引入附加反射相位。從而造成給端口配置掃描相差時，方向圖會與理論值有區(qū)別。如果采用射頻連接器對天線進行饋電，可以設(shè)置50歐姆集總端口進行饋電）。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)置還需要明確激勵模式數(shù)、積分線、特征阻抗類型、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選項(Zpi、Zpv、Zvi 和 Zwave)，選項 Zpv和Zvi只有在定義一條積分線才會出現(xiàn)。TEM以外模式，這三個量將給出不同的結(jié)果，因為電壓不是唯一的，結(jié)果與用于計算電壓的路徑相關(guān)。Zwave嚴格意義上來講僅適用于均勻波導(dǎo)。

接下來闡述這四種特征阻抗的定義：

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

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系數(shù)，因此對于不同種類傳輸線，要進行良好的阻抗匹配設(shè)計，則應(yīng)當(dāng)將其統(tǒng)一到一種特征阻抗。

對于Mode Alignment and Polarity這個選項，默認選擇第一個小項(Set Mode Polarity Using Integration Line)-利用積分線設(shè)置模式的極化。

波端口激勵是假設(shè)和一個半無限長的矩形波導(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。但對于微帶線、帶狀線、共面波導(dǎo)等開放或半開放結(jié)構(gòu)的傳輸線，電磁場并不完全束縛在導(dǎo)體和參考地之間，部分電磁能量會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，以避免電場耦合到波端口邊緣上，影響傳輸線的特性。不過波端口尺寸也不宜過大，其寬度和高度都不能超過半個工作波長，否則會激發(fā)矩形波導(dǎo)模式，進而影響到計算的準(zhǔn)確性。

對于簡單的微帶線、帶狀線和共面波導(dǎo)傳輸線，波端口激勵的端口尺寸設(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)為變量進行掃描，當(dāng)端口阻抗趨近收斂時，此時的端口設(shè)置為最佳。

除此之外，也可以通過看HFSS求解出來的波端口面上的場分布來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)，電場都集中在微帶線和地之間，而在波端口的邊界上幾乎沒有場分布。反之，若端口尺寸過小（寬度過窄或者高度不足），則波端口的邊界上也會存在不少電場分布。

接下來我們講講波端口設(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，將測量端口面平移到真實的待測物體處，這個方法就可以稱為去嵌。

如果仿真模型中包括了電長尺寸的均勻傳輸線，那么就可以利用Deembed功能，通過短傳輸線的結(jié)果推算長傳輸線的結(jié)果。如果傳輸線是無耗的，Deembed只改變S參數(shù)的相位，如果傳輸線是有耗的，HFSS會自動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)省求解時間。

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

最后簡單陳述下端口阻抗歸一化。對于單端口激勵的模型而言，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于各端口具有相同特征阻抗而言的，但是對于多端口系統(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)里對此進行了簡要推導(dǎo)得出如下公式：

因此，我們可以通過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。不過對于大部分情況而言，我們無需勾選波端口設(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，實際使用的時候，激勵端口和負載也是采用50歐姆標(biāo)準(zhǔn)，我們也沒必要指定每個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)一個理想匹配負載（Edit Sources里設(shè)置端口激勵幅度為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)置有一點區(qū)別），當(dāng)其與傳輸線的特性阻抗不一致時，端口面所在處會發(fā)生反射。除此之外，集總端口必須設(shè)置積分線，其特征阻抗類型為固定的Zpi形式。

對于集總端口而言，其端口尺寸同樣有限制：建議長、寬都在0.1個工作波長以內(nèi)。在設(shè)置該類端口激勵時，其起、終點必須和PEC或者金屬導(dǎo)體材料的物體接觸（軟件會自動檢測與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，希望對大家有所幫助~~

END