一文详解HFSS波端口和集总端口

2022-06-17 来源:微波射频网 字号:

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HFSS的波端口和集总端口均需要定义在模型的2D平面上,但是不同模型在设计激励时,究竟选用什么激励端口?两种端口在具体设置上的操作步骤有哪些?本次推文就这些问题一一展开,希望抛砖引玉,能对读者有所启发。

01 两种端口简介

很多初学者在利用HFSS软件进行电磁仿真时,都会在端口激励上有一些疑惑——为什么这里要用波端口?集总端口在什么情况下会使用呢?听说波端口仿真要准一点?对于这些问题,得从两种端口的使用场景和特点说起了。对于端口激励这部分,HFSS帮助文档有比较详尽的阐述和设置方法。本次推文也只是信息的二次加工,便于向广大受众传播而已。

言归正传,相信不少读者都是从某软件培训书上,跟着T形波导这个入门实例开始学习的。当跟着指导书建立波端口并设置积分线的时候,很多初学者应该就有点一知半解、囫囵吞枣了。不过在学了传输线和波导理论后就好理解:经过仿真可以得到电场,如果不是匀强电场,就不能套用公式U=Ed,此时需要对电场进行积分才能得到电压,所以要有积分线。定义积分线的方向为电场正方向,通过积分公式∫Edl可求解出端口电压。在计算某些值要用到端口电压这个参量。比如计算端口阻抗时,如果已知端口上电压和电流,就可以通过公式Z=U/I计算出端口阻抗。

对于波端口(Wave port)而言,其设置项比较多,但是支持的功能也较多。比如计算端口的特征阻抗(微带线,带状线,波导等),多模式求解(例如矩形波导的TE10,TE11等模式),Deembed(去嵌技术,端口平移)。相较而言,集总端口(Lumped port)的设置项就比较简单,用户只需要设置积分线并指定端口的特征阻抗,不过该激励方式仅能求解单一模式 (TEM或者准TEM模式) 激励下的结果。

在实际的建模仿真中,我们需要根据两种激励端口的功能特点去灵活应用到不同场景中。例如前文所提到的T形波导就只能采用波端口激励,如果想观察高次模激励则还需指定积分线并选择设置好求解模式数。除此之外,对于微带线、带状线等微波传输线特征阻抗的计算,也只能用波端口激励求解并在后处理中观看Port Zo。不过在只考虑单一模式激励时,一些开放结构比如下图所示的天线,就没法采用波端口激励。

对于上面不考虑巴伦、理想馈电的阿基米德螺旋天线,设置集总端口进行粗略仿真是可以的。如果需要做成实物,则要添加巴伦(实现进行非平衡-平衡馈电)和SMA/SMP射频连接器(进行同轴-微带转换)。因此我们需要将整个模型(包括射频连接器)在HFSS软件中建立起来,连接器末端的端口可以直接设置成50欧姆的集总端口激励,亦可设置波端口单模激励(可以不设置积分线,TEM主模激励)。如果连接器的内外径和内部绝缘子构成的特征阻抗是50欧姆,则两者的仿真结果基本一致,反之则不然。

不过同轴线的尺寸设置不合理时,在高频段也会出现高次模,例如TE11模式,可参考阅读一文了解常用的微波传输线(一)。如果前期仿真仅设置单模激励,但是实际存在高次模且影响不可忽略,则其实际性能会与仿真有所出入。

02 波端口的基本原理和使用

波端口四周默认采用是理想导体边界条件,因此对于波导和同轴线这类横截面闭合且截面四周都是导体的传输线,波端口可直接定义在其终端横截面上,且波端口需要接触空气盒子边界(设置为Radiation或者PML边界条件)或者金属物体(用来确定激励方向,但是需要注意的时,阵列天线这种多端口模型下,不建议采用这种方法!可能会引入附加反射相位。从而造成给端口配置扫描相差时,方向图会与理论值有区别。如果采用射频连接器对天线进行馈电,可以设置50欧姆集总端口进行馈电)。如果只考虑主模传输,可以不定义积分线

除此之外,波端口的参数设置还需要明确激励模式数积分线特征阻抗类型Mode Alignment and Polarity端口阻抗归一化Deembed去嵌处理

这里首先讲讲特征阻抗的设置。HFSS波端口中的特征阻抗有四个选项(Zpi、Zpv、Zvi 和 Zwave),选项 Zpv和Zvi只有在定义一条积分线才会出现。TEM以外模式,这三个量将给出不同的结果,因为电压不是唯一的,结果与用于计算电压的路径相关。Zwave严格意义上来讲仅适用于均匀波导。

接下来阐述这四种特征阻抗的定义:

  • 波阻抗定义为电场的振幅和磁场的振幅之比,具有阻抗的量纲,故称为波阻抗;矩形波导主模TE10的波阻抗与窄边b无关。但两个宽边相等而窄边不同的波导相连接,会发生很大反射,因此波导的波阻抗相等并不能保证无反射匹配

  • 根据等效电压等效电流和传输功率,可以分三种情况定义等效阻抗(Zpi、Zpv、Zvi):

从上面公式可以看出4种特征阻抗只是差了个系数,因此对于不同种类传输线,要进行良好的阻抗匹配设计,则应当将其统一到一种特征阻抗。

对于Mode Alignment and Polarity这个选项,默认选择第一个小项(Set Mode Polarity Using Integration Line)-利用积分线设置模式的极化。

波端口激励是假设和一个半无限长的矩形波导相连,因此波导的尺寸越小,截止频率越高,越有利于单模传输。但对于微带线、带状线、共面波导等开放或半开放结构的传输线,电磁场并不完全束缚在导体和参考地之间,部分电磁能量会辐射到传输线四周的空气和介质中,因此设置的波端口需要有足够大的尺寸,以避免电场耦合到波端口边缘上,影响传输线的特性。不过波端口尺寸也不宜过大,其宽度和高度都不能超过半个工作波长,否则会激发矩形波导模式,进而影响到计算的准确性。

对于简单的微带线、带状线和共面波导传输线,波端口激励的端口尺寸设置,可以参考下图。当然,也可以尝试将波端口的宽度和高度设为变量进行扫描,当端口阻抗趋近收敛时,此时的端口设置为最佳。

除此之外,也可以通过看HFSS求解出来的波端口面上的场分布来判断端口尺寸是否合适。如下图所示的微带线结构,如果波端口尺寸大小设置合理,则观看Port Field Display可以发现,电场都集中在微带线和地之间,而在波端口的边界上几乎没有场分布。反之,若端口尺寸过小(宽度过窄或者高度不足),则波端口的边界上也会存在不少电场分布。

动图封面

接下来我们讲讲波端口设置里的Deembed(去嵌技术,端口平移)。Deembed指的是去嵌,比如矢量网络分析仪就采用了TRL校准法,将测量端口面平移到真实的待测物体处,这个方法就可以称为去嵌。

如果仿真模型中包括了电长尺寸的均匀传输线,那么就可以利用Deembed功能,通过短传输线的结果推算长传输线的结果。如果传输线是无耗的,Deembed只改变S参数的相位,如果传输线是有耗的,HFSS会自动将传输线的损耗修正到结果中,而不必将这些传输线建立到求解模型中,从而节省求解时间。

例如粗略评估下面采用了2发6收的毫米波雷达收发天线的性能时,不必添加完整馈线部分,可以利用Deembed功能将结果进行延拓,从而推算长传输线的结果。不过临近馈线和收发阵列之间存在电磁耦合,最后进行整机评估时,还是将完整馈线部分加入到仿真模型,以便识别一些潜在的技术风险。

最后简单陈述下端口阻抗归一化。对于单端口激励的模型而言,阻抗归一化与否不影响端口反射系数,常规的散射参量也是针对于各端口具有相同特征阻抗而言的,但是对于多端口系统而言,波端口设置里端口阻抗归一化则需要提及广义散射参量。在微波工程第四章节里对此进行了简要推导得出如下公式:

因此,我们可以通过上述公式将具有相同特征阻抗的S参量,转换到不同特征阻抗的网络上去。不过对于大部分情况而言,我们无需勾选波端口设置里的端口阻抗归一化(Renormalize all mode),保持Do not renormalize即可。即使是阵列天线这种多端口系统而言,实际使用的时候,激励端口和负载也是采用50欧姆标准,我们也没必要指定每个端口归一化到特定的值。

03 集总端口的基本原理和使用

波端口的特性阻抗和与它接触的传输线保持一致,因此可以充当一个理想匹配负载(Edit Sources里设置端口激励幅度为0即可)的作用。而集总端口需要人为设定端口阻抗(可以是复阻抗,HFSS15.0和Ansys20.2这两种版本的设置有一点区别),当其与传输线的特性阻抗不一致时,端口面所在处会发生反射。除此之外,集总端口必须设置积分线,其特征阻抗类型为固定的Zpi形式。

对于集总端口而言,其端口尺寸同样有限制:建议长、宽都在0.1个工作波长以内。在设置该类端口激励时,其起、终点必须和PEC或者金属导体材料的物体接触(软件会自动检测与Port面接触的物体,并做出判断),下图为微带线和同轴线的集总端口设置示意图。需要注意的是,集总端口不需要像波端口那样将端口面与背景边界或者导体接触。

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