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              一文詳解HFSS波端口和集總端口

              2022-06-17 來源:微波射頻網 字號:

              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,但是不同模型在設計激勵時,究竟選用什么激勵端口?兩種端口在具體設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。

              01 兩種端口簡介

              很多初學者在利用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書上,跟著T形波導這個入門實例開始學習的。當跟著指導書建立波端口并設置積分線的時候,很多初學者應該就有點一知半解、囫圇吞棗了。不過在學了傳輸線和波導理論后就好理解:經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,波導等),多模式求解(例如矩形波導的TE10,TE11等模式),Deembed(去嵌技術,端口平移)。相較而言,集總端口(Lumped port)的設置項就比較簡單,用戶只需要設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TEM模式) 激勵下的結果。

              在實際的建模仿真中,我們需要根據兩種激勵端口的功能特點去靈活應用到不同場景中。例如前文所提到的T形波導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置好求解模式數。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,一些開放結構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(實現進行非平衡-平衡饋電)和SMA/SMP射頻連接器(進行同軸-微帶轉換)。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置成50歐姆的集總端口激勵,亦可設置波端口單模激勵(可以不設置積分線,TEM主模激勵)。如果連接器的內外徑和內部絕緣子構成的特征阻抗是50歐姆,則兩者的仿真結果基本一致,反之則不然。

              不過同軸線的尺寸設置不合理時,在高頻段也會出現高次模,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。

              02 波端口的基本原理和使用

              波端口四周默認采用是理想導體邊界條件,因此對于波導和同軸線這類橫截面閉合且截面四周都是導體的傳輸線,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別。如果采用射頻連接器對天線進行饋電,可以設置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,波端口的參數設置還需要明確激勵模式數、積分線、特征阻抗類型、Mode Alignment and Polarity、端口阻抗歸一化Deembed去嵌處理。

              這里首先講講特征阻抗的設置。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。TEM以外模式,這三個量將給出不同的結果,因為電壓不是唯一的,結果與用于計算電壓的路徑相關。Zwave嚴格意義上來講僅適用于均勻波導。

              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;矩形波導主模TE10的波阻抗與窄邊b無關。但兩個寬邊相等而窄邊不同的波導相連接,會發生很大反射,因此波導的波阻抗相等并不能保證無反射匹配

              • 根據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,因此對于不同種類傳輸線,要進行良好的阻抗匹配設計,則應當將其統一到一種特征阻抗。

              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)-利用積分線設置模式的極化。

              波端口激勵是假設和一個半無限長的矩形波導相連,因此波導的尺寸越小,截止頻率越高,越有利于單模傳輸。但對于微帶線、帶狀線、共面波導等開放或半開放結構的傳輸線,電磁場并不完全束縛在導體和參考地之間,部分電磁能量會輻射到傳輸線四周的空氣和介質中,因此設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,否則會激發矩形波導模式,進而影響到計算的準確性。

              對于簡單的微帶線、帶狀線和共面波導傳輸線,波端口激勵的端口尺寸設置,可以參考下圖。當然,也可以嘗試將波端口的寬度和高度設為變量進行掃描,當端口阻抗趨近收斂時,此時的端口設置為最佳。

              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構,如果波端口尺寸大小設置合理,則觀看Port Field Display可以發現,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?。▽挾冗^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。

              動圖封面

              接下來我們講講波端口設置里的Deembed(去嵌技術,端口平移)。Deembed指的是去嵌,比如矢量網絡分析儀就采用了TRL校準法,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,通過短傳輸線的結果推算長傳輸線的結果。如果傳輸線是無耗的,Deembed只改變S參數的相位,如果傳輸線是有耗的,HFSS會自動將傳輸線的損耗修正到結果中,而不必將這些傳輸線建立到求解模型中,從而節省求解時間。

              例如粗略評估下面采用了2發6收的毫米波雷達收發天線的性能時,不必添加完整饋線部分,可以利用Deembed功能將結果進行延拓,從而推算長傳輸線的結果。不過臨近饋線和收發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風險。

              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,常規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而言,波端口設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里對此進行了簡要推導得出如下公式:

              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,轉換到不同特征阻抗的網絡上去。不過對于大部分情況而言,我們無需勾選波端口設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而言,實際使用的時候,激勵端口和負載也是采用50歐姆標準,我們也沒必要指定每個端口歸一化到特定的值。

              03 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,因此可以充當一個理想匹配負載(Edit Sources里設置端口激勵幅度為0即可)的作用。而集總端口需要人為設定端口阻抗(可以是復阻抗,HFSS15.0和Ansys20.2這兩種版本的設置有一點區別),當其與傳輸線的特性阻抗不一致時,端口面所在處會發生反射。除此之外,集總端口必須設置積分線,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。在設置該類端口激勵時,其起、終點必須和PEC或者金屬導體材料的物體接觸(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體接觸。

              --  END --

              主題閱讀:HFSS
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