CST入門15-激勵(lì)源之波導(dǎo)端口
波導(dǎo)端口代表了計(jì)算域的一種特殊邊界條件，它既可以激發(fā)能量，也可以吸收能量。這種端口等效一個(gè)無限長(zhǎng)波導(dǎo)連接到結(jié)構(gòu)。波導(dǎo)模式從結(jié)構(gòu)向邊界平面?zhèn)鞑?，以非常低的反射水平離開計(jì)算域。
當(dāng)端口中的波導(dǎo)模式與結(jié)構(gòu)內(nèi)部波導(dǎo)的模式完全匹配時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)非常低的反射。微波工作室使用二維特征模式求解器來計(jì)算波導(dǎo)端口模式。
定義波導(dǎo)端口的面需要覆蓋整個(gè)傳輸線與端口區(qū)域間的場(chǎng)域。特征模態(tài)求解器可以在這些邊界內(nèi)計(jì)算出精確的端口模態(tài)。要考慮的模式數(shù)量在波導(dǎo)端口對(duì)話框中定義。如何合適的定義波導(dǎo)端口在一定程度上取決于傳輸線的類型。
激發(fā)波導(dǎo)端口的輸入信號(hào)被歸一化為1（瓦^1/2）的峰值功率。
波導(dǎo)端口定義菜單說明
Distance to ref. plane:在進(jìn)行S參數(shù)的去嵌（de-embeding）時(shí)，需要確定參考平面與待測(cè)器件之間的距離以獲得正確的相位信息。正值表示將參考平面向外移動(dòng)，負(fù)值則向內(nèi)移動(dòng)。此外，在計(jì)算運(yùn)行后也可以進(jìn)行去嵌入操作。后處理中Signal Post-Processing > S-Parameter Calculations > Deembed S-Parameter....
Multipin port: 定義多引腳端口勾選此框
Define pins...: 按下此按鈕后出現(xiàn)多引腳定義對(duì)話框。
Number of modes:指定用于計(jì)算使用的模式數(shù)量。
Single-ended:勾此選項(xiàng)會(huì)在后處理中將先前定義的單端多引腳端口重新計(jì)算S參數(shù)。在設(shè)置多引腳定義期間，必須為每個(gè)內(nèi)導(dǎo)體創(chuàng)建一個(gè)單獨(dú)的模式，留一個(gè)最外層導(dǎo)體不定義表示地。
單端口模式計(jì)算時(shí)，求解器會(huì)自動(dòng)激活阻抗歸一化到固定阻抗的功能。在開始仿真前，可以在相應(yīng)的求解器對(duì)話框中修改這個(gè)固定阻抗值。
Ensure shielding: 如果端口模式域內(nèi)沒有電氣屏蔽（例如在同軸波導(dǎo)中），則可以勾選此框以激活邊界做特殊處理。electric: 波導(dǎo)端口的邊界被視為PEC屏蔽層。magnetic: 波導(dǎo)端口的邊界被視為PMC屏蔽層。積分方程求解器不支持磁場(chǎng)屏蔽，會(huì)自動(dòng)應(yīng)用電場(chǎng)屏蔽。
Monitor only:勾選后會(huì)監(jiān)測(cè)模態(tài)振。
Impedance and calibration: 勾選此框定義阻抗、校準(zhǔn)和極化線。
Polarization angle: 兩個(gè)共享一個(gè)傳播常數(shù)的模式可以線性組合，形成模式退化。通過輸入極化角度（0到360度之間），可以確定第一個(gè)模式的E場(chǎng)主方向，并在端口平面上用綠色箭頭可視化該方向。
空腔波導(dǎo)
端口定義方法
這種類型波導(dǎo)的端口分配非常簡(jiǎn)單。只要確保端口覆蓋整個(gè)波導(dǎo)截面。定義端口可以通過選擇空腔中介質(zhì)的面定義，也可以通過選擇多條邊或者多個(gè)點(diǎn)，只要能確定唯一平面就可以定義：
端口模式
微波工作室中波導(dǎo)端口不僅僅可以使用基本模式，也可以考慮高階模式。
下圖中，列出了空腔波導(dǎo)按照截止頻率排序的前三種模式。傳播模式的數(shù)量隨設(shè)置的頻率范圍而變化。在波導(dǎo)端口設(shè)置的模式數(shù)要足夠，否則將有未考慮的模式被端口反射。
如果選擇了倏逝模結(jié)果，則會(huì)出現(xiàn)一個(gè)框，顯示端口模式衰減至-40dB時(shí)與端口的距離:
多個(gè)波導(dǎo)模式可以在結(jié)構(gòu)不連續(xù)處相互轉(zhuǎn)換能量。由于這些現(xiàn)象，傳播模式的s參數(shù)也會(huì)受到倏逝模的影響。因此，需要考慮一定數(shù)量的倏逝模。建議輸入的模式數(shù)，使最后一個(gè)模式的-40dB距離短于到結(jié)構(gòu)的下一個(gè)不連續(xù)處。這樣對(duì)未考慮到的模式的影響最小化。
同軸電纜
端口定義方法
這種類型波導(dǎo)的端口分配非常簡(jiǎn)單，只要確保端口覆蓋整個(gè)同軸電纜的橫截面。通過選擇點(diǎn)/線/面定義端口面，端口尺寸將自動(dòng)調(diào)整為所選單元的邊界框。
端口模式
在大多數(shù)情況下，只需要考慮同軸波導(dǎo)饋電的基本模式。模式自動(dòng)極化為電場(chǎng)從內(nèi)導(dǎo)體指向外導(dǎo)體，如下圖所示:
微帶線
這種類型的結(jié)構(gòu)需要對(duì)微帶線上方的空氣進(jìn)行建模。
端口模式/端口大小
端口的大小是一個(gè)非常重要的因素。一方面，端口需要足夠大，以覆蓋微帶線的基本準(zhǔn)tem模式。另一方面，端口尺寸也不能太大，因?yàn)檫@可能會(huì)導(dǎo)致高階模式在端口中傳播。
下面的圖片顯示了微帶線的基本模式（左）和高階模式（右）：
微帶線的高階模式與矩形波導(dǎo)中的模式非常相似。場(chǎng)型由波導(dǎo)端口一周的閉合edge描述，edge上采用的邊界條件就是模型中boundary中的設(shè)置。如果總設(shè)置中用的是“open”開放邊界，則端口edge上會(huì)用“magnetic”磁邊界。圍繞端口的封閉面使得該端口表現(xiàn)出類似于矩形波導(dǎo)的特性。
端口越大，這些模式的截止頻率就越低。由于高階模式很多都是人為造成的，在仿真中可以不考慮。端口尺寸應(yīng)選擇得足夠小，以使高階模式無法傳播，并且只選擇一個(gè)（基本）模式作為端口。
高階微帶線模式的傳播會(huì)導(dǎo)致瞬態(tài)仿真中能量衰減非常緩慢，頻域仿真則會(huì)出現(xiàn)尖峰。然而，端口尺寸過小會(huì)降低S參數(shù)精度甚至引起瞬態(tài)求解器不穩(wěn)定。如果遇到此類問題，需檢查端口尺寸大小是否合適。
端口的大小通常由系數(shù)k確定，如下圖：
端口的最佳大小取決于w/h的比值、基底介電常數(shù)和頻率范圍，其較優(yōu)值在5到10之間?？梢酝ㄟ^2D云圖查看端口模式的E和H場(chǎng)來驗(yàn)證端口大小是否合適。如果場(chǎng)云圖明顯被端口邊界修剪了，則應(yīng)該增大其尺寸。更可靠的方法是將k進(jìn)行掃參，通過線阻抗收斂曲線評(píng)估系數(shù)k是否合適。
端口定義方法
選取微帶線的整個(gè)端面或選取位于介質(zhì)基板表面上的端面邊緣定義。
然后打開端口定義對(duì)話框（Sources and Loads > Waveguide Port）。如果選擇了單個(gè)線條，則還需要設(shè)置端口的法向方向和方向。
確保準(zhǔn)確輸入微帶線下基底的高度h，否則會(huì)在基底和接地金屬之間引入一些不必要的額外空間，或者端口可能根本沒有連接到地。建議定義參數(shù)來表示基板的高度的其他方向的端口擴(kuò)展。如上圖。
當(dāng)需要模擬屏蔽微帶線時(shí)，端口通?？梢赃x擇覆蓋整個(gè)結(jié)構(gòu)的尺寸?；蛘呤褂枚丝诙x對(duì)話框中的全平面選項(xiàng)來定義覆蓋計(jì)算域整個(gè)邊界面的波導(dǎo)端口是最簡(jiǎn)單的方法。
當(dāng)多個(gè)微帶線位于計(jì)算域的同一邊界時(shí)，如果彼此足夠遠(yuǎn)，則場(chǎng)的相互作用可以忽略不計(jì)。各自定義即可，如下示例：
兩條微帶線距離很近時(shí)，它們就不再作為兩個(gè)獨(dú)立的微帶線工作，因?yàn)槟?chǎng)相互作用并且波導(dǎo)變成了多引腳波導(dǎo)。就要用到Multipin Port多引腳端口。
微帶線模擬中的另一個(gè)重要方面是，模式圖與頻率相關(guān)（區(qū)別于空腔波導(dǎo)或同軸電纜中的模式圖）。
頻域求解器會(huì)自動(dòng)重新計(jì)算每個(gè)頻點(diǎn)的模式圖。
與之相反，時(shí)域求解器在整個(gè)頻帶使用相同的模式圖，這可能導(dǎo)致端口模式在除了模式計(jì)算頻率外的其他頻率上不匹配。離模式計(jì)算的頻率越遠(yuǎn)，誤差越大。
瞬態(tài)求解器默認(rèn)計(jì)算頻帶中心頻率的模式圖，但可以通過在Setup Solver > Specials > Waveguide中指定Mode calculation frequency 模式計(jì)算頻率來更改。
盡管端口存在很少的不匹配，寬帶仿真結(jié)果在大多數(shù)情況下仍然會(huì)保證足夠精度。但是，對(duì)于非常高的精度要求或非常大的帶寬時(shí)，可能需要在求解器設(shè)置中(Time Domain Solver)中激活inhomogeneous port accuracy enhancement不均勻端口精度增強(qiáng)選項(xiàng)。這能提高S參數(shù)的準(zhǔn)確性，但會(huì)降低仿真速度。
舉例：?jiǎn)螚l微帶線加2個(gè)波導(dǎo)端口。
根據(jù)設(shè)置的計(jì)算頻率范圍（0-20GHz）只能在10 GHz左右比較準(zhǔn)確，而應(yīng)用不均勻端口精度增強(qiáng)的計(jì)算結(jié)果顯示，在整個(gè)頻率范圍內(nèi)反射小于-60 dB，符合預(yù)期。
共面?zhèn)鬏斁€
高頻設(shè)備中經(jīng)常使用共面?zhèn)鬏斁€。根據(jù)基板是否由金屬屏蔽，波導(dǎo)被稱為非接地共面線（下左圖）或接地共面線（下右圖）。
這種波導(dǎo)類型從電磁角度來看相對(duì)復(fù)雜，與微帶線情況類似。
端口模式/端口大小
端口的大小是非常重要的考慮因素。一方面，端口需要足夠大以包含共面線場(chǎng)的主要部分。另一方面，端口尺寸不應(yīng)過大，因?yàn)檫@可能會(huì)導(dǎo)致高階波導(dǎo)模式在端口中傳播。
下圖分別展示了未接地共面波導(dǎo)的基本偶模、奇模以及高階模：
推薦接地和非接地共面線兩種情況下端口的推薦尺寸：
非接地：
接地：
理想情況下，端口的寬度應(yīng)該是內(nèi)導(dǎo)體寬度加上兩個(gè)間隙的三倍，但如果存在尺寸限制，則可以將其縮小到內(nèi)導(dǎo)體寬度加上間隙的兩倍左右。
對(duì)于非接地共面線，端口應(yīng)該至少擴(kuò)大內(nèi)導(dǎo)體寬度的一半+上下層金屬之間的寬度。對(duì)于接地共面線，在內(nèi)導(dǎo)體上方同樣適用，同時(shí)使端口足夠大到觸及下方的接地金屬。
端口定義方法
與微帶線方式相同
多引腳波導(dǎo)端口
多引腳波導(dǎo)端口的特點(diǎn)是端口中具有兩個(gè)以上的導(dǎo)體。根據(jù)這個(gè)定義，共面線也是一種多引腳波導(dǎo)。
同質(zhì)多引腳波導(dǎo)端口
同質(zhì)多引腳端口中出現(xiàn)的TEM模式是退化的（具有相同的傳播常數(shù)），彼此正交可以疊加到新的模式圖中。例如，以下同軸多引腳端口由一個(gè)外導(dǎo)體和四個(gè)內(nèi)導(dǎo)體組成，因此存在四種不同的TEM模式。
建議使用多引腳操作multipin operator功能來指定要激發(fā)的模式圖。
非同質(zhì)多引腳波導(dǎo)端口
在輕微不均勻的同軸波導(dǎo)或連接器端口情況下，可以使用多引腳端口將結(jié)果QTEM模式疊加起來。但是模式之間傳播常數(shù)的差異會(huì)導(dǎo)致一些不準(zhǔn)確性，這取決于端口的不均勻性。
當(dāng)不均勻性較大時(shí)，所有端口都應(yīng)定義為單端口。仿真完成后，單端S參數(shù)將作為后處理步驟計(jì)算，并通過類似于結(jié)構(gòu)的多引腳配置的差分激勵(lì)在CST Design Studio中重新組合。
