HFSS中的激励方式

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HFSS中的激励方式

关于激励方式

\(\text{HFSS}\) 中，激励是一种定义在三维物体表面或者二维物体上的激励源，这种激励源可以是电磁波激励、电压源或者电流源。激励端口是一种允许能量进入或流出几何结构的特殊边界条件类型：

  • 波端口 (\(\text{Wave Port}\))
  • 集总端口 (\(\text{Lumped Port}\))
  • \(\text{Floquet}\) 端口 (\(\text{Floquet Port}\))
  • \(\text{Incident Wave}\)
  • \(\text{Voltage}\)
  • \(\text{Current}\)
  • \(\text{Magnetic Bias}\)

1. 波端口激励 (\(\text{Wave Port}\))

默认的情况下，所有三维物体和背景之间的接触面都是理想的导体边界，没有能量可以进出:波端口设置在背景面上，用作模型的激励源并提供一个能量进入/流出的窗口。

\(\text{HFSS}\) 软件设定入射到端口上的每个模式的平均功率为 \(\text{1W}\) 。求解时，首先端口 \(1\) 被 \(\text{1W}\) 的信号激励，其他端口设置为 \(\text{0W}\) : 在该解产生后，端口 \(2\) 被 \(\text{1W}\) 的信号激励，他端口设置为 \(\text{0W}\)，如此循环：最后的解是所有解的叠加。

波端口一般设置在背景平面上，不允许端口平面弯曲。

模式

对于给定横截面的波导或传输线，特定频率下有一系列的解满足相应的边界条件和麦克斯韦方程组，每个解都称之为一种模式，或者说一种波型。

通常，模式是根据电场和磁场沿导波系统传输方向上有无分量这一情况来命名的，假设导波系统沿 \(\text{Z}\) 轴放置，上述分量是指 \(\text{Z}\) 向的电场分量 \(E_{\mathrm{Z}}\) 和磁场分量 \(H_{\mathrm Z}\) 。对于 \(E_{\mathrm Z} =0、H_{\mathrm Z}=0\) 一类的模，称之为横电磁模，即 \(\text{TEM}\) 模: 对于 \(E_{\mathrm Z} =0、H_{\mathrm Z}\ne 0\) 一类的模，称之为横电模，即 \(\text{TE}\) 模：对于\(E_{\mathrm z}\ne0、Hz=0\) 一类的模，称之为横磁模，即 \(\text{TM}\) 模。

默认情况下，\(\text{HFSS}\) 只计算主模，即模式 \(\text{1}\)。但是某些情况下，计算中包含高阶模式的影响是必须的。

端口校准

波端口必须被校准以确保一致的结果:校准的目的有两个:确定场的方向、设置电压积分路径。

积分校准线: 对于模式驱动 \(\text{(Driven Modal)}\) ，波端口使用积分线校准，积分校准线具有以下作用：

  • 作为在端口对电场进行积分计算电压的积分路径 \(\text{HFSS}\) 利用计算出的电压来计算波端口的特性阻抗。
  • 定义每个波端口上场的正方向;对于任何一个波端口，\(wt=0\) 时的场至少有两个方向，通过校准线来确定一个正方向；如果同一端口如果场有两个以上可能方向，如圆端口，这时使用极化电场 \(\text{(Polarize E Field)}\) 的选项。

对于有多个模式问题的求解，在定义波端口时每个模式都需要设置一个积分校准线。

\(\text S\) 参数的归一化处理

  • 模式：
    • 对于给定横截面的波导或传输线，特定频率下有一系列的场模式满足 \(\text{Maxwell}\) 方程组，这些模式的线性叠加都可以在波导中存在；一般来说，传播常数和特性祖抗总是随着频率变化的，每个频点，都有相应的计算结果。
  • 广义 \(\text S\) 参数：
    • 正确定义了波端口后，\(\text{HFSS}\) 在仿真计算中包括的每个模式在端口处都是完全匹配的；因此，每个模式的 \(\text S\) 参数和波端口，将会根据不同频率下的特性祖抗进行归一化，这种类型的 \(\text S\) 参数叫做广义 \(\text S\) 参数。
  • 归一化 \(\text S\) 参数：
    • 在实验测量（如矢量网络分析仪)和）路仿真器 (如 \(\text{ADS}\)，\(\text{Ansoft Designer}\) ) 使用的特性祖抗通常是常数（如 \(\text{50}\) 欧姆），为了使 \(\text{HFSS}\) 计算结果和合实验测量或电路仿真结果保持一致，\(\text{HFSS}\) 计算得出的广义 \(\text{S}\) 参数必须用常数特性阻抗进行归一化。

端口平移 (\(\text{Deembed}\))

\(\text{De-embed}\) 功能是指平移端口的位置，查看其对计算结果的影响:选中使用端口平移功能，只影响数据后处理，\(\text{HFSS}\)不会重新进行仿真计算。\(\text{HFSS}\)端口平移中的正数表示参考平面向模型内部移动，负数则是向外延伸。

对于三端口器件： \[ \begin{aligned} &[S_{deembed}]=[e^{\varkappa}][S][e^{\varkappa}]\newline &[e^{\varkappa}]= \begin{bmatrix} e^{\gamma_1l_1} & 0 & 0\newline 0 & e^{\gamma_2l_2} & 0\newline 0 & 0 & e^{\gamma_3l_3} \end{bmatrix} \end{aligned} \]

2. 集总端口激励 (\(\text{Lumped Port}\))

集总端口激励和波端口激励是 \(\text{HFSS}\) 中最常用的两种激励方式。集总端口类似于传统的波端口，与波端口不同的是集总端口可以设置在物体模型内部，且用户需要设定端口阻抗；集总端口直接在端口处计算 \(\text{S}\) 参数，设定的端口阻抗即为集总端口上 \(\text{S}\) 参数的参考阻抗；另外集总端口不计算端口处的传播常数，因此根据集总端口无法进行端口平移操作。

\(\text{Wave Port}\) \(\text{Lumped Port}\)
\(\text{Accessibility}\) \(\text{External Faces}\) \(\text{Internal to Model}\)
\(\text{Higher order modes}\) \(\text{Yes}\) \(\text{No}\)
\(\text{De-embedding}\) \(\text{Yes}\) \(\text{No}\)
\(\text{Re-normalization}\) \(\text{Yes}\) \(\text{Yes}\)
\(\text{Setup complexity}\) \(\text{Moderate}\) \(\text{Low}\)

3. \(\text{Floquet}\) 端口激励

\(\text{Floquet}\) 端口基于 \(\text{Floquet}\) 模式进行场求解，用于二维平面周期性结构的仿真设计，如平面相控阵列和频率选择表面等类型的问题。

与波端口的求解方式类似，\(\text{Floquet}\) 端口求解的反射和传输系数能够以 \(\text{S}\) 参数的形式显示；使用 \(\text{Floquet}\) 端口激励井结合周期性边界，能够像传统的波导端口激励一样轻松地分析周期性结构的电磁特性，从而避免了场求解器复杂的后处理过程。

平面周期性结构可以看作由一个个单元 \(\text{(Unit Cell)}\) 组成，使用 \(\text{Floquet}\) 端口和主从边界条件分析平面周期结构，用户只需要建立一个单元模型，在设置 \(\text{Floquet}\) 端口激励时需要指定端口的栅格坐标系统 \(\text{(Lattice Coordinate System)}\)，该坐标系统的 \(\text{a，b}\) 轴分别表示单元的排列方向。

需要注意的是：

  • 只有驱动模式求解类型 \(\text{(Modal Driven Solution)}\) 的设计可以使用 \(\text{Floquet}\) 端口。
  • \(\text{Floquet}\) 端口不支持快速扫频的方式，但是可以支持离散扫频和插值扫频。
  • \(\text{Floquet}\) 端口的四周必须与主从边界条件相连。

4. 入射波激励 (\(\text{Incident Wave}\))

是自定义的朝某一特定方向传播的电磁波，其等相位面与传播方向垂直；入射波照射到器件表面和器件表面的夹角称为入射角。入射波激励常用于雷达反射截面 (\(\text{RCS}\)) 问题的计算。

需要设置的参数有：

  • 波的传播方向 (\(\text{Poynting Vector}\))；
  • 电场强度以及电场的方向。

5. 电压源激励 (\(\text{Voltage...}\))

电压源激励定义在两层导体之间的平面上，用理想电压源来表示该平面上的电场激励。需要设置的参数有：电压的幅度、相位以及电场的方向。

需注意：

  • 电压源激励所在的平面必须远小于工作波长，且平面上的电场是恒定电场。
  • 电压源激励是理想的源，没有内阻，因此后处理时不会输出 \(\text{S}\) 参数。

6. 电流源激励 (\(\text{Current}\))

电流源激励定义于导体表面或者导体表面的缝隙上，用理想电流源来表示该平面上激励。需要设定的参数有导体表面缝隙的电流幅度、相位和方向。

需注意：

  • 电流源激励所在的平面/缝隙必须远小于工作波长，且平面/缝隙上的电流是恒定的。
  • 电流源激励是理想的源，没有内阻，因此后处理时不会输出 \(\text{S}\) 参数。

7. 磁偏置激励 (\(\text{Magnetic Bias}\))

创建一个铁氧体材料时，必须通过设置磁偏置激励来定义网格的内部偏置场：该偏置场使得铁氧体中的磁性偶极子规则排列，产生一个非零的磁矩：

  • 如果应用的偏置场是均匀的，张量坐标系可以通过旋转全局坐标系来设置；
  • 如果应用的偏置场是非均匀的，不允许旋转全局坐标来设置张量坐标系。

均匀偏置场的参数可以由 \(\text{HFSS }\)直接输入，i而非均匀偏置场的需要从其它的静磁求解器 (如 \(\text{Ansoft}\) \(\text{Maxwell}\) \(\text{3D}\) 软件) 导入。