HFSS端口详解:WavePort、LumpedPort及对比总结

2016-09-22  by:CAE仿真在线  来源:互联网

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:

由上图有Polar计算得到的传输线的特性阻抗是138.27ohm。

1.2.airbox背景作为Wave Port端口:

将Wave Port创建在Boundary face of free space上,且让Wave Port平面紧贴传输线,如下图所示:

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,仿真出来的特性阻抗随着频率有比较大的变化,这是因为Wave Port没有考虑传输线上方空间的电磁场效应导致的,因此这个结果是错误的。

Wave Port端口不紧贴free space:

将Wave Port创建在PCB的侧边YZ平面上,但是让Wave Port平面不紧贴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:

上图可以看到HFSS仿真得到的传输线的特征阻抗是223.9ohm左右,与Polar的计算结果偏差很大,这个结果时错误的。

1.5.新增Wave Port端口大平面且紧贴free space:

在PCB的侧边YZ平面上,另建一个“矩形平面”,该平面紧贴传输线且紧贴free sapce boundary,平面下部超出PCB下边沿,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。

1.6.新增Wave Port端口小平面且紧贴free space:

在PCB的侧边YZ平面上,另建一个“矩形平面”,该平面紧贴传输线且紧贴free sapce boundary,但是这个平面的下方与PCB板下边沿平齐,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

单带状线的Wave Port平面尺寸规则

以上是一些常用的Wave Port使用规则,其实在实际的应用中Wave Port也可以用作内部端口,但是此时需要做特殊处理。

二、Lumped Port

2.1.Lumped Port简介:

Lumped Port是HFSS里面的内部端口,它需要通过测试系统来给结构加入信号,类似于测试系统的测试探针。因为Lumped Port注入给结构的是电压和电流信号,因此Lumped Port必须要指定端口阻抗,否则就会导致信号源短路,Lumped Port端口的阻抗一般设置与测试系统的内阻一致。同理,因为是电流和电压信号,Lumped Port必须要有参考也叫回流通路,因此Lumped Port必须要有两个端口面,其中一个端口面为参考面。

2.2.Lumped Port应用:

因为Lumped Port定义的输入是电压和电流信号,因此一般Lumped Port端口主要用于信号完整性分析,即电路仿真中需要考虑布线寄生效应。Lumped Port的典型应用如下:

1)同层走线:

2)相邻层走线:

3)多针脚连接器:

4)替代RLC无源器件:

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:

6)为了确保多端口S参数相位的一致性,Lumped Port积分线的定义方向必须一致;

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:

三、对比总结

我们已经介绍了一下Lumped Port和Wave Port的使用,下面我们做个对比和小结。

3.1.Lumped Port是内部端口,Wave Port是外部端口:

Lumped Port相当于用测试系统如探针给传输线加激励,Wave Port相当于用传输线给传输线加激励;因此Lumped Port需要指定端口阻抗,Wave Port自动求解端口阻抗。此外,Wave Port加上“conductive cap”可以当内部端口用。

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:

(2)Lumped Port的宽度要与传输线等宽,长度小于λ/100,Lumped Port的尺寸如下图:

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:

3.6.Lumped Port必须定义积分线,Wave Port只有特定情况才需要:

Wave Port需要定义积分线的情况如下图:

以上是Wave Port和Lumped port的一些主要区别,其他还有一些小的方面就不一一列举了,大家感兴趣的可以自己去查阅相关资料。



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