HFSS 基础培训教程 端口和激励 ANSYS 中国 © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 11 ANSYS, Inc. Proprietary HFSS设计流程 Design Solution Type Boundaries Parametric Model Geometry/Materials Mesh Operations Excitations Analysis Solution Setup Frequency Sweep Mesh Refinement Analyze Results NO 2D Reports Fields Solve Converged Solve Loop YES Update © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. Finished 2 ANSYS, Inc. Proprietary HFSS 端口、激励类型 © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 3 ANSYS, Inc. Proprietary 端口的含义 • 计算S参数时信号进入和输出的地方 – 在端口处加电，在端口处测量 – 类似于实际测量时的探针 • 通过探针加电，在探针上测量 © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 4 ANSYS, Inc. Proprietary 实测环境中存在的电磁场 5 © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 5 ANSYS, Inc. Proprietary HFSS可以定义的三种端口 Wave Port 求解微带线 • Wave Port – 外部端口 – 通过传输线方式将信号加入结构中 – 端口定义为传输线的截面，HFSS在端口处 求解传输线的特性，得到特性阻抗，用于计 算S参数 – 传输线以端口的形状可以向后无限延展 – 端口是理想匹配负载 • Lumped Port – 内部端口 – 相当于测试系统的内阻，通过测试系统给结 构加入信号 – 使用者指定端口阻抗，端口阻抗设定为测试 系统的内阻 – 实际求解时可以不画出探针结构 – 端口面所在处有可能产生反射 Lumped Port 求解微带线 • Floquet Port © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 8 ANSYS, Inc. Proprietary Wave Port 9 © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 9 ANSYS, Inc. Proprietary Wave Port的定义 • WavePort是传输线的截面，信号通过传输线进入结构 – 端口面所在位置就是参考面，对计算S参数的相位很重要 – 对于包含开放结构的传输线（如微带线）可建立二维物体用以定义端口 • WavePort所定义的位置上，场只能是单向存在的 – 整个结构的最外面，与背景相交接 – 与理想导体相交接 非求解空间 • WavePort的边是Perfect E 求解空间 © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 10 ANSYS, Inc. Proprietary Wave Port 设置时的注意事项 • Wave Port的边缘相当于Perfect E – 对于外围是开放结构的传输线，端口要做够大，避免端口边缘与信号线产 生耦合，影响传输线的特性 正确 左右过窄 高度不足 • 端口所在的面不能被金属层穿越分割 – 将造成端口场分布的变化，使得求解模式不是预想的结果 A B 错误的定义：地平面将传 输线分割成两部分 © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 11 ANSYS, Inc. Proprietary Wave Port 表面 • Wave Ports只能定义在没有场分布的区域。 – 定义在仿真对象和背景交接处 – 定义在理想导体表面 • 以简单的2-port波导为例： – 端口设定在波导的端截面处。 – 端口面积需限制在波导截面内。 – 选择表面或相应的2D物体来定义端口。 © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 12 ANSYS, Inc. Proprietary – Wave Ports 需要一段横截面具有连续性的长度 • HFSS 假设每一个定义的端口都连接到一个半无限长且具有与端口形状相同的截 面的波导上. • 当对S参数求解时，仿真器假设的激励源是自然辐射场（包含多模）在端口横截 面的叠加. Port 1 Port 4 Port 3 Port 2 © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 13 ANSYS, Inc. Proprietary Wave Port 设置时的注意事项 • Wave Port 距离不连续性应当有充分的距离 – 在模型中保留一段均匀传输线 – 确保凋落高阶模式充分衰减 – 通过“ Ports-only Solution ”计算所需长度 no uniform cross section at Wave Ports © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. uniform cross section added for each Wave Port 15 ANSYS, Inc. Proprietary 端口延伸和高次模问题 • 包含一段横截面具有连续性的长度，使高次模得到足够的衰减. • Evanescent Waves 的传输系数为 e-αz （ α 为衰耗系数，Ζ为位移） • 可选: 通过“ Ports-only Solution ”先得出高次模的衰耗系数 α。 • 利用公式 20 log (e-αz) = -20 dB 计算使得高次模衰减至可忽略不计的距离。 • 利用以上计算得到的位移 z 调整端口的延伸长度。 © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 16 ANSYS, Inc. Proprietary Wave Port 设置实例 • 单根微带传输线 – 宽度为微带线宽度w的5倍，或者介质高度h的三倍，左右对称 • 取5w和3h较大的 – 高度为介质高度的5倍到10 倍左右 – 端口的下边从地平面向上，不要跨越 5w × 2 + w 或 3h × 2 + w 注意： 5w或3h较大者 5~10h 如果建立的端口高度或宽度 超过了λ/2，则不要采用此规 则，应该适当减小端口的尺 寸，避免出现波导模式 w h © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 17 ANSYS, Inc. Proprietary Wave Port设置实例 • 耦合微带传输线 – 宽度为微带线宽度w的5倍，或者介质高度h的三倍，左右对称 • 取5w和3h较大的 – 高度为介质高度的5倍到10 倍左右 – 端口的下边从地平面向上，不要跨越 注意： 5w 或 3h较大者 5~10h … w 如果建立的端口高度或宽 度超过了λ/2，则不要采 用此规则，应该适当减小 端口的尺寸，避免出现波 导模式 h © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 18 ANSYS, Inc. Proprietary Wave Port设置实例 • 单根带状线 – 端口边缘到带状线边缘的距离应为宽度w的3.5倍，或者介质高度h的1.5到2 倍，左右对称 • 根据宽高比确定 – 高度由上下两个地平面的距离决定 注意： 8w 或 3h~4h w h w≧h时 3.5w w＜h时 1.5h~2h © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 19 如果建立的端口高度或宽 度超过了λ/2，则不要采 用此规则，应该适当减小 端口的尺寸，避免出现波 导模式 ANSYS, Inc. Proprietary Wave Port设置实例 • 多根带状线 – 端口边缘到带状线边缘的距离应为宽度w的3.5倍，或者介质高度h的1.5到2 倍，左右对称 • 根据宽高比确定 – 高度由上下两个地平面的距离决定 注意： h … w w≧h时 3.5w w＜h时 1.5h~2h © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 20 如果建立的端口高度或宽 度超过了λ/2，则不要采 用此规则，应该适当减小 端口的尺寸，避免出现波 导模式 ANSYS, Inc. Proprietary Wave Port设置实例 • 无地线共面波导 – 宽度为2g+w的3倍左右 – 高度为介质高度h的4倍以上 – 传输线应当基本上在端口的上下位置的中央 3(2g+w) 注意： 2g+w 4~10h w h © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 如果建立的端口高度或宽 度超过了λ/2，则不要采 用此规则，应该适当减小 端口的尺寸，避免出现波 导模式 g 21 ANSYS, Inc. Proprietary Wave Port设置实例 • 有地线共面波导 – 宽度为2g+w的3倍左右 – 高度为介质高度h的4倍以上 – 端口的下边框与地线位置一致 3(2g+w) 注意： 4~10h 2g+w w h © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. g 22 如果建立的端口高度或宽 度超过了λ/2，则不要采 用此规则，应该适当减小 端口的尺寸，避免出现波 导模式 ANSYS, Inc. Proprietary Wave Port设置实例 • 有地线共面波导地线较窄时 – – – – 宽度为2g+w的3倍左右 高度为介质高度h的4倍以上 传输线应当基本上在端口的上下位置的中央 将端口矩形减掉一部分，使得端口边框与地线相接触 • 端口的边框是电壁，从而确保两边的地电位相等，保证传输CPW模式 3(2g+w) 注意： 2g+w w 4~10h h © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 如果建立的端口高度或宽 度超过了λ/2，则不要采 用此规则，应该适当减小 端口的尺寸，避免出现波 导模式 g 23 ANSYS, Inc. Proprietary Wave Port设置实例 • GSSG结构 – 端口的边框距离地边缘2g+w – 高度为介质高度h的4倍以上 – 无地线的GSSG结构设置与此相同 注意： 4~10h 2g+w w h © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. g 24 如果建立的端口高度或宽 度超过了λ/2，则不要采 用此规则，应该适当减小 端口的尺寸，避免出现波 导模式 ANSYS, Inc. Proprietary Wave Port设置实例 • GSGSG结构 – 端口的边框距离地边缘2g+w – 对于中间的地，将端口矩形减掉一部分，使得端口边框和中间地相接触 • 端口的边框是电壁，从而确保两边的地电位相等 – 高度为介质高度h的4倍以上 注意： 4~10h 2g+w w h © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. g 25 如果建立的端口高度或宽 度超过了λ/2，则不要采 用此规则，应该适当减小 端口的尺寸，避免出现波 导模式 ANSYS, Inc. Proprietary Wave Port设置实例 • 同轴馈电双极振子天线 – Wave Port 定义的位置在整个求解空间内部 • 直接定义Wave Port将导致端口求解失败，HFSS报错 – 在Wave Port 所在位置增加理想导体物体，将端口完全覆盖 • 理想导体的内部不求解场 理想导体圆 柱 求解空间 Wave Port所在位置上，场能够双 向存在，从而导致求解报错 © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 26 用理想导体圆柱覆盖端口所在位 置，确保场的单向存在 ANSYS, Inc. Proprietary 端口自动终端定义 • 无须定义终端线通过电流积分得到端口特性 • 多导体传输结构端口定义 • 精度更高 © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 29 ANSYS, Inc. Proprietary 波导端口的设置 • 波导端口的形状应当与波导一致 – 所有可以传播的模式都要求解 – 端口模式的数量可在定义端口时设置 – 求解后可在Port Field Display观察端 口上的场分布，确定模式类型 – 在Matrix中查看各个模式的传播常数 确定可传播的模式 波导高 波导宽 © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 30 ANSYS, Inc. Proprietary 波导端口设置的注意事项 • 圆波导端口 – 圆波导TE11 的极化方向在端口处是不确定的 – 会造成S参数求解的错误 – 定义极化线约束端口处的电磁场 TE11 模极化方向可以沿着任何一个直径 © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 31 ANSYS, Inc. Proprietary 极化线的定义 • 在端口定义窗口，做出积分线 • 选中Polarize E Field 注意 即使定义了积分线，并选中Polarize E Field，对于TE11 模，另外一个垂直方 向的模式也是可能存在的，因此，圆波 导应当求解两个模式 © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 32 ANSYS, Inc. Proprietary Wave Port 和积分线 Integration Line • 积分线是定义端口时的选项设置， • 在以下几种情况下，应当定义积分线： – 确保多端口S参数相位的一致性 • 关注Sij的相位 • 多端口天线组阵 Port1 Port1 Integration Line 箭头方向不一致，不推荐 Port2 Port2 – 需要计算端口电压时 • HFSS默认的端口阻抗是Zpi，如果要得到Zpv和Zvi，应当定义积分线 • 电场沿着积分线积分得到电压 © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 33 ANSYS, Inc. Proprietary 端口特性阻抗的三种定义 • Wave Port的端口特性阻抗由HFSS自动计算 – 在端口定义窗口中，定义Modes时选择Characteristic Impedance 用以计算S参数 – Zpi： 功率电流阻抗（HFSS默认） P I ⋅I – Zpv： 功率电压阻抗 Zpi = Zpv = V ⋅V P I = ∫ H ⋅ ds s V = ∫ E ⋅ dl l 定义积分线后，可以得到Zpv和Zvi – Zvi： 电压电流阻抗 Zvi = Zpi ⋅ Zpv 34 © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 34 ANSYS, Inc. Proprietary 端口后处理选项：重新归一化 • 设置计算S参数时的归一化阻抗 – 默认归一化阻抗为HFSS求解得到的端口阻抗（Port Z 0）， – 端口的重新归一化设置在端口定义中的Post Processing选项卡 – 设置重新归一化无须重新求解整个模型，软件自动更新结果 Do Not Renormalize 直接利用HFSS求解的端口阻抗归 一得到S参数 Renormalize All Modes 对于所有模式用同样的阻抗重新 进行归一化 Renormalize Specific Modes 对于各个模式选择不同的归一化 阻抗，或者不做重新归一化 36 © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 36 ANSYS, Inc. Proprietary 端口后处理选项：去嵌入 • 改变计算S参数时的参考面 – 在端口的Post Processing选项卡中设置 – 利用HFSS端口求解得到的传播常数推算参考面改变后的S参数 • 端口必须是Wave Port，只能在均匀传输线部分进行，不要穿越 • 可以包含传输线的损耗 • 无须重新求解整个模型 距离为正，向模型 内部去嵌入，相当 于缩短传输线 © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 距离为负，向模型 外部去嵌入，相当 于延长传输线 37 ANSYS, Inc. Proprietary Lumped Port © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 38 ANSYS, Inc. Proprietary Lumped Port • 从给定的位置，用指定的阻抗强制加电 • 可看作信号加入的地方或测试系统的内阻直接接入 • 建立方法 – 在电磁场集中的位置上作二维物体，信号线与地连接 – 做好的二维物体选中定义为集总端口 – 作积分线（必须），给定端口阻抗（必须） 加入信号后焊盘周边的场分布 地焊盘 定义集总端口的面 信号线焊盘 电磁场集中在信号线的Pad和GND的Pad之间 © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 在电磁场集中的区域定义集总端口 39 ANSYS, Inc. Proprietary Lumped Port定义时的注意事项 • Lumped Port是内部端口，必须定义在周边有场存在的区域 • 集总端口的长和宽要远远小于波长 • 端口积分线的起点和终点必须和Perfect E或金属表面相接 • 集总端口的侧边是Perfect H，两个集总端口的边缘不能相接 • 可以和Wave Port混合定义 • 仅能用于TEM模式或准TEM模式 – 不可用于波导等非TEM模式的传输线中 – 不能进行Deembeding © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 40 ANSYS, Inc. Proprietary 集总端口定义实例 • 多针连接器 – 在结构中增加地平面 – 集总端口将针脚与地连接 增加的 GND平面 由于结构中没有明确的地，因而需要 建立地平面，作为集总端口的参考面 © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 41 ANSYS, Inc. Proprietary 集总端口的应用 • 在电路仿真需要考虑布线寄生效应时 – 在电路元件所在位置定义集总端口 – 每个元件须定义两个端口 • 可通过设置端口名实现端口和元件的映射 Lumped Port2 Lumped Port1 电路中的元器件 如果元件接入的位置，无法接地，或 接地不方便，可采用这种方法处理 © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 42 ANSYS, Inc. Proprietary 集总端口 • 要得到正确结果，两个集总端口之间必须形成回流通路 – 实际测试时，回流通路一定是存在的 如果地环封闭，则在 信号线 和地线之间定义端口 © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 如果地环没有封闭，则建桥， 将地连接，然后定义集总端口 43 ANSYS, Inc. Proprietary Lumped Port 的 Integration Line • 集总端口必须定义积分线 – 为确保多端口S参数相位的一致性，积分线的定义方向必须一致 GND焊盘 Integration Line 箭头方向不一致，不推荐 信号线 © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 44 ANSYS, Inc. Proprietary Lumped Port应用实例 • Low Pass Filter – 和Designer / Nexxim协同仿真 – HFSS仿真版图，在放元件的位置定义端口 – 在Designer/Nexximzhong调用HFSS，将Designer中的元件接入 • 元件参数可以优化 Port1 4pF 4pF 6nH © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. C1_1:1 C1_2:1 C2_1:1 C2_2:1 L1_1:1 L1_2:1 L2_1:1 L2_2:1 L3_1:1 L3_2:1 WavePort1:1 WavePort2:1 Port2 6nH 6nH 45 ANSYS, Inc. Proprietary Floquet 端口 • 用于周期性结构，与周期性边界条件相结合 – 阵列天线和频率选择性表面 • • • • 端口的边缘必须和周期性边界条件相接 对于开放结构，无须定义PML 容易使用，速度快 输出S参数包括相位和幅度 © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 46 ANSYS, Inc. Proprietary Floquet Port vs Wave Port • Floquet port类似于Wave port ，区别在于Floquet port – 邻近的边界必须是链接边界条件（LBCs，如周期性主从边界） – 端口材料必须是各向同性且匀质的 – 模式由解析方法生成，而非本征解 © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 48 ANSYS, Inc. Proprietary Incident Wave © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 92 ANSYS, Inc. Proprietary Incident Wave • 波的种类 – – – – – – – Plane Wave Hertzian-Dipole Wave Cylindrical Wave Gaussian Beam Linear Antenna Wave Far Field Wave Near Field Wave © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 93 ANSYS, Inc. Proprietary 波的产生位置/相位基准点 • 不同的Incident Wave根据不同的波函数定义 – Plane Wave等 • 波的相位基准点 – Hertzian Dipole等任意点产生的波 • 波的产生位置 © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 94 ANSYS, Inc. Proprietary Plane Wave • 平面波 – Cartesian • 直角坐标系的定义 • E0 Vector ： 电场矢量方向 • k Vector ： 波传播方向 – Spherical • 极坐标系定义 • E0 Vector ： 电场矢量方向 • IWavePhi 和 IWaveTheta： 波传播方向 • Step：角度间隔 © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 95 ANSYS, Inc. Proprietary Plane Wave • 平面波设置选项 – Regular / Propagating – Evanescent • 传播方向衰减 – Elliptically Polarized • 椭圆极化波 E = E1e ( − jk ⋅r ) + E 2 e ( − j (k ⋅r +θ )) • Angle ： θ • Ratio ： E 2 E1 Regular / Propagating © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. Evanescent 96 Elliptically Polarized ANSYS, Inc. Proprietary Hertzian Dipole • 极小的偶极子天线 – 可设置在任何位置 – 设置选项 • 天线所在位置（可设置在求解空间之外） • 电流值*偶极子长度 • 辐射影响空间 • 电偶极子/磁偶极子 求解空间 在原点位置 在求解空间之外 97 © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 97 ANSYS, Inc. Proprietary Hertzian Dipole • 设置方法 • Assign > Incident Wave > Hertzian-Dipole Wave – 输入天线所在位置 © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 98 ANSYS, Inc. Proprietary Hertzian Dipole – 输入电流值*天线长度 – 定义辐射影响范围 • 球体内部的场幅值和球表面计算的场幅值相等 © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 99 ANSYS, Inc. Proprietary Cylindrical Wave • 数学上的定义 – 无限长导线上的电流 – 设置选项 • 天线的位置（可在求解空间之外） • 天线上的电流值 • 辐射影响空间大小 例：天线沿X轴 100 © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 100 ANSYS, Inc. Proprietary Gaussian Beam • 高斯分布的波 – 焦点处波束宽度可任意指定 波束宽度 – 设置选项 • 相位0的位置 • 电场方向和波传播方向 – E0 Vector 和 k Vector • 波束宽度 Y方向照射的高斯波束 © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 101 ANSYS, Inc. Proprietary Linear Antenna • 线天线 – 可制定天线的长度和位置 – 设置选项 • 天线的位置（可在求解空间之外） • 电流值和天线长度 • 辐射影响空间 102 © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 102 ANSYS, Inc. Proprietary Far Field Wave / Near Field Wave • 其他场数据结果作为辐射源（Data Link功能） – – 可用作辐射源的结果： • HFSS • SI Wave • 3D Field （仿真或测试） 设置选项 • 链接场的空间位置 • 坐标系相互关系 • 模型和设计文件的位置链接 SI Wave PCB 仿真结果 HFSS中读入SI Wave仿真结果 SI Wave的求解结果作为辐 射源在机箱内部仿真 103 © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 103 ANSYS, Inc. Proprietary © 2011 ANSYS, Inc. All rights reserved. 113 ANSYS, Inc. Proprietary