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HFSS端口详解:Wave Port 、Lumped Port及对比总结

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本文详解了Wave Port和Lumped Port两个端口的使用, 并对Wave Port和Lumped port的一些主要区别进行对比。

一、Wave Port

Wave Port是HFSS中典型的外部端口,这里所说的外部是指只有一侧有场分布,一般都在边界和背景的交界处。外部端口需要通过传输线的方式才能将激励信号加入到结构中,而外部端口通常会定义成传输线的截面。Wave Port截面就是HFSS求解结构参数时的参考面,它对于S参数的相位计算非常重要。HFSS在端口截面处求解传输线的特性,得到端口的特性阻抗和传播常数,用于计算S参数。

1.1.传输线原型:

传输线线宽W=6mil,线间距S=3W=18mil,线长2000mil,层叠结构是铜厚1.4mil,传输线距离下方的GND平面58mil,介质的介电常数是4.25,如下图:

上图可以看到,HFSS计算得到的传输线的阻抗大约是136。7~138。5ohm,这个结果与原型中的Polar的特性阻抗计算值是完全吻合的。

1.3.以PCB侧边YZ平面作为Wave Port端口:

将Wave Port创建在PCB的侧边YZ平面上,且让Wave Port平面紧贴free space,如下图所示:

上图可以看到,HFSS无法继续仿真,因为不但没有考虑传输线上方空间的电磁场效应,而且在free space boundary与PCB侧边上的Wave Port之间的空间上没有电磁场的information。

1.4.新增Wave Port端口平面不紧贴free space:

在PCB的侧边YZ平面上,另建一个“矩形平面”,该平面紧贴传输线但不贴free sapce boundary,在这个新的平面上设置Wave Port,如下图:

上图看到,HFSS计算得到的传输线的阻抗大约是131。8~133ohm,这个结果与原型中的Polar的特性阻抗计算值基本吻合,但是偏小。

结论:

由上面的几种仿真结果对比我们可以归纳出Wave Port的两点结论:

  1. Wave Port必须设置在外部端口上,即一定要贴着free space boundary;

  2. Wave Port平面的大小对仿真结果精度有较大影响。

通常HFSS的Wave Port平面的规则如下:

双带状线的Wave Port平面尺寸规则

2)相邻层走线:

3)多针脚连接器:

2.3.Lumped Port注意:

1)Lumped Port所在端面的长和宽需要远小于信号波长,一般以1/10波长为界;
2)因为Lumped Port端口的两侧默认都是Perfect H边界,因此两个Lumped Port的边缘不能相接;
3)Lumped Port的两端必须和Perfect E边界或金属表面相接触,否则信号无法注入;
4)Lumped Port只能用于传输TEM模式或准TEM模式;
5)因为真实的测试环境中回流通路是存在的,因此2个Lumped Port端口之间必须要形成回流通路,如下图:

以上是常用的一些Lumped Port的使用规则。下周我们将对Lumped Port和Wave Port做一个对比总结,有兴趣的同学请继续关注。

附上Wave Port当内部端口使用问题:

Wave Port当内部端口使用的唯一情况就是在同轴线激励的对称振子天线设计。因为Wave Port直接定义在同轴线的截面上时,由于场的双向存在,HFSS软件会报错,导致仿真无法继续。此时我们需要在Wave Port所在位置额外增加一个Perfect E物体,通常称为“Coductive Cap”。利用此物体将端口面完全覆盖,因为HFSS对Perfect E物体的内部是不求解场的,这样可以保证场的单向存在。如下图:

3.2.Lumped Port的激励是电流和电压,Wave Port的激励是电磁波:

Lumped Port只能用于TEM模式或准TEM模式,不能进行Deembeding;Wave Port没有这些限制。

3.3.Lumped Port和Wave Port的外表面的边界定义有差别:

Lumped Port的两侧面区域为Profect H,其他面为Profect E;Wave Port的所有外表面均为Profect E。

3.4.Lumped Port和Wave Port的尺寸要求有差异:

(1)Wave port所在的截面一定要均匀。Wave Port的尺寸要求如下:

上图中左边的Lumped Port太细,本身会引入比较大的寄生RL效应,并且此时的电压馈入点没有覆盖整个走线。

3.5.Lumped Port可以模拟RLC的寄生效应,Wave Port不行:

Lumped Port模拟RLC的寄生效应的情况如下图:

 

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