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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:

摘要:

HFSS的波接口和集总接口均需定位在型号的2D平面设计的概念上,然而 有差异型号在设计的概念激发时,到底运用这么多激发接口?二者接口在大概设为上的方法步驟有哪方面?这一次软文就这么多原因依次展开图,愿意抛砖引玉,能对意林杂志有所作为教益。

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。

可是同基准面的寸尺配置合不来理时,在高频段也会出现了高次模,如TE11传统模式,可考生阅读理解。一旦下一阶段逼真仅配置单模勉励,有时候预期存在的高次模且决定不行改变,则其预期安全性能会与逼真为之出入库。

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

那里要聊聊显著特点电位差的设制。HFSS波接口中的显著特点电位差有以下按钮(Zpi、Zpv、Zvi 和 Zwave),按钮 Zpv和Zvi只是在构成一条线积分换线才会突然出现。TEM之外模型,这3个量将拿出不同的的结杲,这是因为电流并非仅有的的,结杲与用在计算出电流的路径分析涉及到。Zwave按照严格的意义上了解仅不适用在匀称波导。

收起来说明这六种的特点电位差的的定义:

  • 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

  • 基于等效线电压等效直流电和传送数据电率,就可以分这三种条件理解等效电位差(Zpi、Zpv、Zvi):

从里面工式应该查出4种特性电阻值适配仅仅只是差了个常数,以至于就的不同总类接入线,要做非常好的电阻值适配适配制定,则不得将其全部统一到有一种特性电阻值适配。

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。

就十分简单的微带线、带状线和共面波导传送线,波表层鼓励的表层规格設置,会对比如图所示。然而,也会成功将波表层的高宽比和髙度设为数组采取打印,当表层抗阻趋近有界时,这时的表层設置为最适。

除此以外,也行能够看HFSS求根下来的波网络网口处号表面的场地域地理生长来评断网络网口处号的尽寸会不会适合。内容如下图如图所示的微带线格局,一旦波网络网口处号的尽寸长宽比安装正确,则看到Port Field Display行感觉,交变交变电场都聚焦在微带线和地中,而在波网络网口处号的界线上近乎都没有场地域地理生长。反过来,若网络网口处号的尽寸过小(参数过窄甚至宽度欠佳),则波网络网口处号的界线上也会都存在很多的交变交变电场地域地理生长。

动图封面

现在来让我们讲点波串口设立里的Deembed(去嵌技術,串口直线运动)。Deembed指的是去嵌,列如矢量图互联网了解仪就所采用了TRL调校法,将检测串口面直线运动到真识的待测材料处,这一形式就不错称是去嵌。

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。

假如初略开展报告下文应用了2发6收的厘米波声纳接收外置天线的性时,不用修改完好馈线那局部,会运用Deembed特点将报告开展延拓,最终得以推算出长接入线的报告。不够临到馈线和接收阵列之中的存在电磁振动器解耦,结尾开展整个机器开展报告时,還是将完好馈线那局部加入到到模式化模拟模式化,便掌握许多潜在性的技术工艺危害性。

后面简单易行申辩权下网口输出抗阻匹配归一化。真而对于单网口奖励的模特现阶段,输出抗阻匹配归一化前提不决定网口折射比率,规范的散射参数也是针真而对于各网口兼有同等特征英文输出抗阻匹配现阶段的,然而真而对于多网口体系现阶段,波网口布置里网口输出抗阻匹配归一化则需用谈起生态板材在广义散射参数。在微波通信工作第五章节里就此通过了简略求出测得如下所示函数:

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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