-集总端口及其特点解析
0 2023-12-05

HFSS中可以设定多种激励端口,但在射频和SI领域使用集总端口(Lumped Port)和波端口(Wave Port)比较多,今天我们主要介绍集总端口。下面是HFSS仿真流程和端口设定说明。

  • 端口定义

端口在电磁仿真中非常重要,它提供3维电磁场求解时的激励,进而求解S参数等信息,这相当于我们平时电路中的电压源/电流源。我们平时测量时会有探针点测到传输线,测量中的探针就类似仿真中的端口,如下图所示:

  • HFSS中常用的2种激励端口

两种主要的端口是波端口(Wave Port)和集总端口(Lumped Port)。端口可用于计算网络参数(S、Y 和 Z 参数)和场信息。波端口和集总端口都可以设定在 HFSS 模型的 2维平面上。

  • Lumped Port使用场景

  • 信号完整性应用

  • 单模TEM(横向电磁波)模式传播场景

  • 非波导电路

  • 非对称结构,比如连接器和BGA

  • 天线等非开放结构

  • Lumped Port的特点

集总端口一般设定在两个导体之间,用于提供激励信号,通常是从传输线信号线到参考层(参考层一般是GND平面)。集总端口一般要设定在2维平面上,如下图所示:

集总端口类似于电流源,可用于激励常用的传输线以及其他结构。

虽然集总端口在 HFSS 模型中跨越了一定的物理距离(即端口的大小),但集总端口在 HFSS 仿真中表现为集总电路元件,所以不涉及场效应,也就不对端口进行场求解计算。

但是,集总端口存在寄生效应(主要是寄生电感),这在计算S参数时可以通过去嵌消除。

  • Lumped Port的位置

集总端口是内部端口,通常有2种情况:一是位于结构内部;二是位于结构表面,但是仍然在求解区域内部。具体如下示意图所示:

  • Lumped Port的设定

集总端口可以在模式求解(Modal)下设定,也可以在终端求解(Terminal)下设定,为了方便,我们先介绍一下HFSS的求解类型。

  • HFSS中的求解类型

HFSS中的求解类型(solution type)有多种,包括模式求解类型,终端求解类型,时域求解类型,本征模求解类型以及其他求解类型(特征模,SBR+),如下图所示:

  • Modal求解类型常用于各种中空形式的波导结构以及需要做场后处理的情况(有时候,当激励是以功率(模态)而不是电压(终端)来定义时,场后处理可能会更容易)。

  • 终端求解类型常用于各种TEM/准 TEM 结构,如带状线、微带线、同轴线、共面波导等,此外在终端求解类型下,HFSS会自动完成某些设定,这样操作更加简单。

  • 时域求解类型用于求解时域结果,如ESD计算等。

如果把模式和终端求解类型作对比,信息如下:

Modal求解类型是基于场的方法计算,而终端求解类型是基于路的方法计算。

介绍完求解类型,我们就可以进行集总端口设定。如前面讲的我们可以设定为模式求解的集总端口,也可以设定为终端求解的集总端口,而后者的设定更加简单。

  • 模式求解类型下设定集总端口

  • 终端求解类型下设定集总端口

  • Lumped Port阻抗

创建端口时定义的阻抗 Zs(通常软件默认为50欧姆,user可以修改,也可以是复数,即包含虚部)是用于计算集总端口S参数时的源阻抗(也就是参考阻抗)。当源阻抗为复数时,S参数矩阵的大小(指幅度)并不总是小于或等于1,即使对于无源器件也是如此。

以上就是Lumped Port使用时相关的说明,下面是一个简单的演示案例:

  • HFSS中创建3D模型结构:

仿真结果(回损曲线):

从上面结果可以看出:两种求解类型下的结果完全一致,并且去嵌的结果和非去嵌的结果在高频略有差异。

  • Lumped Port添加演示

注:

1.前面部分内容来自ANSYS公开资料,文档下次上传。

2.后台回复Lumped Port Sim即可下载上面工程案例,该工程案例基于HFSS2023R1创建。


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