HFSS端口詳解：WavePort、LumpedPort及對比總結

2016-09-22 by:CAE仿真在線來源:互聯網

本文詳解了Wave Port和Lumped Port兩個端口的使用, 并對Wave Port和Lumped port的一些主要區別進行對比。

一、Wave Port

Wave Port是HFSS中典型的外部端口,這里所說的外部是指只有一側有場分布,一般都在邊界和背景的交界處。外部端口需要通過傳輸線的方式才能將激勵信號加入到結構中,而外部端口通常會定義成傳輸線的截面。Wave Port截面就是HFSS求解結構參數時的參考面,它對于S參數的相位計算非常重要。HFSS在端口截面處求解傳輸線的特性,得到端口的特性阻抗和傳播常數,用于計算S參數。

1.1.傳輸線原型:

傳輸線線寬W=6mil,線間距S=3W=18mil,線長2000mil,層疊結構是銅厚1.4mil,傳輸線距離下方的GND平面58mil,介質的介電常數是4.25,如下圖:

由上圖有Polar計算得到的傳輸線的特性阻抗是138.27ohm。

1.2.airbox背景作為Wave Port端口:

將Wave Port創建在Boundary face of free space上,且讓Wave Port平面緊貼傳輸線,如下圖所示:

上圖可以看到,HFSS計算得到的傳輸線的阻抗大約是136.7~138.5ohm,這個結果與原型中的Polar的特性阻抗計算值是完全吻合的。

1.3.以PCB側邊YZ平面作為Wave Port端口:

將Wave Port創建在PCB的側邊YZ平面上,且讓Wave Port平面緊貼free space,如下圖所示:

上圖可以看到,仿真出來的特性阻抗隨著頻率有比較大的變化,這是因為Wave Port沒有考慮傳輸線上方空間的電磁場效應導致的,因此這個結果是錯誤的。

Wave Port端口不緊貼free space:

將Wave Port創建在PCB的側邊YZ平面上,但是讓Wave Port平面不緊貼free space,如下圖所示:

上圖可以看到,HFSS無法繼續仿真,因為不但沒有考慮傳輸線上方空間的電磁場效應,而且在free space boundary與PCB側邊上的Wave Port之間的空間上沒有電磁場的information。

1.4.新增Wave Port端口平面不緊貼free space:

在PCB的側邊YZ平面上,另建一個“矩形平面”,該平面緊貼傳輸線但不貼free sapce boundary,在這個新的平面上設置Wave Port,如下圖:

上圖可以看到HFSS仿真得到的傳輸線的特征阻抗是223.9ohm左右,與Polar的計算結果偏差很大,這個結果時錯誤的。

1.5.新增Wave Port端口大平面且緊貼free space:

在PCB的側邊YZ平面上,另建一個“矩形平面”,該平面緊貼傳輸線且緊貼free sapce boundary,平面下部超出PCB下邊沿,在這個新的平面上設置Wave Port,如下圖:

上圖看到,HFSS計算得到的傳輸線的阻抗大約是136.7~138.5ohm,這個結果與原型中的Polar的特性阻抗計算值是完全吻合的。

1.6.新增Wave Port端口小平面且緊貼free space:

在PCB的側邊YZ平面上,另建一個“矩形平面”,該平面緊貼傳輸線且緊貼free sapce boundary,但是這個平面的下方與PCB板下邊沿平齊,在這個新的平面上設置Wave Port,如下圖:

上圖看到,HFSS計算得到的傳輸線的阻抗大約是131.8~133ohm,這個結果與原型中的Polar的特性阻抗計算值基本吻合,但是偏小。

結論:

由上面的幾種仿真結果對比我們可以歸納出Wave Port的兩點結論:

Wave Port必須設置在外部端口上,即一定要貼著free space boundary;
Wave Port平面的大小對仿真結果精度有較大影響。

通常HFSS的Wave Port平面的規則如下:

雙帶狀線的Wave Port平面尺寸規則

單帶狀線的Wave Port平面尺寸規則

以上是一些常用的Wave Port使用規則,其實在實際的應用中Wave Port也可以用作內部端口,但是此時需要做特殊處理。

二、Lumped Port

2.1.Lumped Port簡介:

Lumped Port是HFSS里面的內部端口,它需要通過測試系統來給結構加入信號,類似于測試系統的測試探針。因為Lumped Port注入給結構的是電壓和電流信號,因此Lumped Port必須要指定端口阻抗,否則就會導致信號源短路,Lumped Port端口的阻抗一般設置與測試系統的內阻一致。同理,因為是電流和電壓信號,Lumped Port必須要有參考也叫回流通路,因此Lumped Port必須要有兩個端口面,其中一個端口面為參考面。

2.2.Lumped Port應用:

因為Lumped Port定義的輸入是電壓和電流信號,因此一般Lumped Port端口主要用于信號完整性分析,即電路仿真中需要考慮布線寄生效應。Lumped Port的典型應用如下:

1)同層走線:

2)相鄰層走線:

3)多針腳連接器:

4)替代RLC無源器件:

2.3.Lumped Port注意:

1)Lumped Port所在端面的長和寬需要遠小于信號波長,一般以1/10波長為界;
2)因為Lumped Port端口的兩側默認都是Perfect H邊界,因此兩個Lumped Port的邊緣不能相接;
3)Lumped Port的兩端必須和Perfect E邊界或金屬表面相接觸,否則信號無法注入;
4)Lumped Port只能用于傳輸TEM模式或準TEM模式;
5)因為真實的測試環境中回流通路是存在的,因此2個Lumped Port端口之間必須要形成回流通路,如下圖:

6)為了確保多端口S參數相位的一致性,Lumped Port積分線的定義方向必須一致;

以上是常用的一些Lumped Port的使用規則。下周我們將對Lumped Port和Wave Port做一個對比總結,有興趣的同學請繼續關注。

附上Wave Port當內部端口使用問題:

Wave Port當內部端口使用的唯一情況就是在同軸線激勵的對稱振子天線設計。因為Wave Port直接定義在同軸線的截面上時,由于場的雙向存在,HFSS軟件會報錯,導致仿真無法繼續。此時我們需要在Wave Port所在位置額外增加一個Perfect E物體,通常稱為“Coductive Cap”。利用此物體將端口面完全覆蓋,因為HFSS對Perfect E物體的內部是不求解場的,這樣可以保證場的單向存在。如下圖: