一、Wave Port

Wave Port是HFSS中典型的外部端口，這里所說的外部是指只有一側(cè)有場分布，一般都在邊界和背景的交界處。外部端口需要通過傳輸線的方式才能將激勵信號加入到結(jié)構(gòu)中，而外部端口通常會定義成傳輸線的截面。Wave Port截面就是HFSS求解結(jié)構(gòu)參數(shù)時的參考面，它對于S參數(shù)的相位計算非常重要。HFSS在端口截面處求解傳輸線的特性，得到端口的特性阻抗和傳播常數(shù)，用于計算S參數(shù)。

1.傳輸線原型：

傳輸線線寬W=6mil，線間距S=3W=18mil，線長2000mil，層疊結(jié)構(gòu)是銅厚1.4mil，傳輸線距離下方的GND平面58mil，介質(zhì)的介電常數(shù)是4.25，如下圖：

由上圖有Polar計算得到的傳輸線的特性阻抗是138.27ohm。

2.airbox背景作為Wave Port端口：

將Wave Port創(chuàng)建在Boundary face of free space上，且讓W(xué)ave Port平面緊貼傳輸線，如下圖所示:

上圖可以看到，HFSS計算得到的傳輸線的阻抗大約是136.7~138.5ohm，這個結(jié)果與原型中的Polar的特性阻抗計算值是完全吻合的。

3.以PCB側(cè)邊YZ平面作為Wave Port端口：

將Wave Port創(chuàng)建在PCB的側(cè)邊YZ平面上，且讓W(xué)ave Port平面緊貼free space，如下圖所示:

上圖可以看到，仿真出來的特性阻抗隨著頻率有比較大的變化，這是因為Wave Port沒有考慮傳輸線上方空間的電磁場效應(yīng)導(dǎo)致的，因此這個結(jié)果是錯誤的。

3.Wave Port端口不緊貼free space：

將Wave Port創(chuàng)建在PCB的側(cè)邊YZ平面上，但是讓W(xué)ave Port平面不緊貼free space，如下圖所示:

上圖可以看到，HFSS無法繼續(xù)仿真，因為不但沒有考慮傳輸線上方空間的電磁場效應(yīng)，而且在free space boundary與PCB側(cè)邊上的Wave Port之間的空間上沒有電磁場的information。

4.新增Wave Port端口平面不緊貼free space：

在PCB的側(cè)邊YZ平面上，另建一個“矩形平面”，該平面緊貼傳輸線但不貼free sapce boundary，在這個新的平面上設(shè)置Wave Port，如下圖：

上圖可以看到HFSS仿真得到的傳輸線的特征阻抗是223.9ohm左右，與Polar的計算結(jié)果偏差很大，這個結(jié)果時錯誤的。

5.新增Wave Port端口大平面且緊貼free space：

在PCB的側(cè)邊YZ平面上，另建一個“矩形平面”，該平面緊貼傳輸線且緊貼free sapce boundary，平面下部超出PCB下邊沿，在這個新的平面上設(shè)置Wave Port，如下圖：

上圖看到，HFSS計算得到的傳輸線的阻抗大約是136.7~138.5ohm，這個結(jié)果與原型中的Polar的特性阻抗計算值是完全吻合的。

6.新增Wave Port端口小平面且緊貼free space：

在PCB的側(cè)邊YZ平面上，另建一個“矩形平面”，該平面緊貼傳輸線且緊貼free sapce boundary，但是這個平面的下方與PCB板下邊沿平齊，在這個新的平面上設(shè)置Wave Port，如下圖：

上圖看到，HFSS計算得到的傳輸線的阻抗大約是131.8~133ohm，這個結(jié)果與原型中的Polar的特性阻抗計算值基本吻合，但是偏小。

結(jié)論:

由上面的幾種仿真結(jié)果對比我們可以歸納出Wave Port的兩點結(jié)論：

1. Wave Port必須設(shè)置在外部端口上，即一定要貼著free space boundary；
2. Wave Port平面的大小對仿真結(jié)果精度有較大影響。

通常HFSS的Wave Port平面的規(guī)則如下：

雙帶狀線的Wave Port平面尺寸規(guī)則

單帶狀線的Wave Port平面尺寸規(guī)則

以上是一些常用的Wave Port使用規(guī)則，其實在實際的應(yīng)用中Wave Port也可以用作內(nèi)部端口，但是此時需要做特殊處理，具體應(yīng)用我們在下一期再介紹。

二、Lumped Port

Lumped Port是HFSS里面的內(nèi)部端口，它需要通過測試系統(tǒng)來給結(jié)構(gòu)加入信號，類似于測試系統(tǒng)的測試探針。因為Lumped Port注入給結(jié)構(gòu)的是電壓和電流信號，因此Lumped Port必須要指定端口阻抗，否則就會導(dǎo)致信號源短路，Lumped Port端口的阻抗一般設(shè)置與測試系統(tǒng)的內(nèi)阻一致。同理，因為是電流和電壓信號，Lumped Port必須要有參考也叫回流通路，因此Lumped Port必須要有兩個端口面，其中一個端口面為參考面。

2.Lumped Port應(yīng)用：

因為Lumped Port定義的輸入是電壓和電流信號，因此一般Lumped Port端口主要用于信號完整性分析，即電路仿真中需要考慮布線寄生效應(yīng)。Lumped Port的典型應(yīng)用如下：

1）同層走線：

2）相鄰層走線：

3）多針腳連接器：

4）替代RLC無源器件：

3.Lumped Port注意：

1）Lumped Port所在端面的長和寬需要遠小于信號波長，一般以1/10波長為界；
2）因為Lumped Port端口的兩側(cè)默認都是Perfect H邊界，因此兩個Lumped Port的邊緣不能相接；
3）Lumped Port的兩端必須和Perfect E邊界或金屬表面相接觸，否則信號無法注入；
4）Lumped Port只能用于傳輸TEM模式或準(zhǔn)TEM模式；
5）因為真實的測試環(huán)境中回流通路是存在的，因此2個Lumped Port端口之間必須要形成回流通路，如下圖：

6）為了確保多端口S參數(shù)相位的一致性，Lumped Port積分線的定義方向必須一致；

以上是常用的一些Lumped Port的使用規(guī)則。下周我們將對Lumped Port和Wave Port做一個對比總結(jié)，有興趣的同學(xué)請繼續(xù)關(guān)注。

附上一期Wave Port當(dāng)內(nèi)部端口使用問題：

Wave Port當(dāng)內(nèi)部端口使用的唯一情況就是在同軸線激勵的對稱振子天線設(shè)計。因為Wave Port直接定義在同軸線的截面上時，由于場的雙向存在，HFSS軟件會報錯，導(dǎo)致仿真無法繼續(xù)。此時我們需要在Wave Port所在位置額外增加一個Perfect E物體，通常稱為“Coductive Cap”。利用此物體將端口面完全覆蓋，因為HFSS對Perfect E物體的內(nèi)部是不求解場的，這樣可以保證場的單向存在。如下圖：

三、對比總結(jié)

上兩周我們已經(jīng)介紹了一下Lumped Port和Wave Port的使用，本周我們針對前兩周的內(nèi)容做個對比和小結(jié)。

1.Lumped Port是內(nèi)部端口，Wave Port是外部端口：

Lumped Port相當(dāng)于用測試系統(tǒng)如探針給傳輸線加激勵，Wave Port相當(dāng)于用傳輸線給傳輸線加激勵；因此Lumped Port需要指定端口阻抗，Wave Port自動求解端口阻抗。此外，Wave Port加上“conductive cap”可以當(dāng)內(nèi)部端口用。

2.Lumped Port的激勵是電流和電壓，Wave Port的激勵是電磁波：

Lumped Port只能用于TEM模式或準(zhǔn)TEM模式，不能進行Deembeding；Wave Port沒有這些限制。

3.Lumped Port和Wave Port的外表面的邊界定義有差別：

Lumped Port的兩側(cè)面區(qū)域為Profect H，其他面為Profect E；Wave Port的所有外表面均為Profect E。

4.Lumped Port和Wave Port的尺寸要求有差異：

（1）Wave port所在的截面一定要均勻。Wave Port的尺寸要求如下：

（2）Lumped Port的寬度要與傳輸線等寬，長度小于λ/100，Lumped Port的尺寸如下圖：

上圖中左邊的Lumped Port太細，本身會引入比較大的寄生RL效應(yīng)，并且此時的電壓饋入點沒有覆蓋整個走線。

5.Lumped Port可以模擬RLC的寄生效應(yīng)，Wave Port不行：

Lumped Port模擬RLC的寄生效應(yīng)的情況如下圖：

6.Lumped Port必須定義積分線，Wave Port只有特定情況才需要：

Wave Port需要定義積分線的情況如下圖:

以上是Wave Port和Lumped port的一些主要區(qū)別，其他還有一些小的方面就不一一列舉了，大家感興趣的可以自己去查閱相關(guān)資料。

來源：恩碩科技