HFSS仿真PCB微带Wave Port如何设置？

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射频百花潭

- O$ r) U* F3 N* \Wave Port是HFSS中典型的外部端口，这里所说的外部是指只有一侧有场分布，一般都在边界和背景的交界处。外部端口需要通过传输线的方式才能将激励信号加入到结构中，而外部端口通常会定义成传输线的截面。Wave Port截面就是HFSS求解结构参数时的参考面，它对于S参数的相位计算非常重要。HFSS在端口截面处求解传输线的特性，得到端口的特性阻抗和传播常数，用于计算S参数。

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0 M7 T' ~& I- @' V" n1传输线原型：




传输线线宽W=6mil，线间距S=3W=18mil，线长2000mil，层叠结构是铜厚1.4mil，传输线距离下方的GND平面58mil，介质的介电常数是4.25，如下图：
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! ^3 T  @# {! Y# N3 o由上图有Polar计算得到的传输线的特性阻抗是138.27ohm。
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' h, d; S- p5 q- B- C2airbox背景作为WavePort端口

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4 `" V% H0 f. S( I7 e  X) |$ _

将Wave Port创建在Boundary face of free space上，且让Wave Port平面紧贴传输线，如下图所示:
6 P% s- H5 T" |: |2 l! @6 n; E

) k, C  F6 H7 [# S7 W上图可以看到，HFSS计算得到的传输线的阻抗大约是136.7~138.5ohm，这个结果与原型中的Polar的特性阻抗计算值是完全吻合的。



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3以PCB侧边YZ平面作为WavePort端口


9 C# r6 N* D( O! b. E$ T3 L" f2 @5 J" a

; \* l: q' `; z7 Z0 d将Wave Port创建在PCB的侧边YZ平面上，且让Wave Port平面紧贴free space，如下图所示:

& K5 L7 K& E# v上图可以看到，仿真出来的特性阻抗随着频率有比较大的变化，这是因为Wave Port没有考虑传输线上方空间的电磁场效应导致的，因此这个结果是错误的。
# G/ j  a$ e( T0 s( A8 i1 b

Wave Port端口不紧贴free space：

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( ^+ a5 o5 Z- @* Q$ P1 Y' w' ^+ B将Wave Port创建在PCB的侧边YZ平面上，但是让Wave Port平面不紧贴free space，如下图所示:


* \+ D2 h9 h" u: _, G3 v上图可以看到，HFSS无法继续仿真，因为不但没有考虑传输线上方空间的电磁场效应，而且在free space boundary与PCB侧边上的Wave Port之间的空间上没有电磁场的information。

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4新增WavePort端口平面不紧贴free space
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在PCB的侧边YZ平面上，另建一个“矩形平面”，该平面紧贴传输线但不贴free sapce boundary，在这个新的平面上设置Wave Port，如下图：

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上图可以看到HFSS仿真得到的传输线的特征阻抗是223.9ohm左右，与Polar的计算结果偏差很大，这个结果时错误的。


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4 ]  X  Y$ y$ E( f9 }; E: r5新增WavePort端口大平面且紧贴free space

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1 d- u0 `6 L0 a" z. o在PCB的侧边YZ平面上，另建一个“矩形平面”，该平面紧贴传输线且紧贴free sapce boundary，平面下部超出PCB下边沿，在这个新的平面上设置Wave Port，如下图：

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上图看到，HFSS计算得到的传输线的阻抗大约是136.7~138.5ohm，这个结果与原型中的Polar的特性阻抗计算值是完全吻合的。


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6新增WavePort端口小平面且紧贴free space：

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在PCB的侧边YZ平面上，另建一个“矩形平面”，该平面紧贴传输线且紧贴free sapce boundary，但是这个平面的下方与PCB板下边沿平齐，在这个新的平面上设置Wave Port，如下图：

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上图看到，HFSS计算得到的传输线的阻抗大约是131.8~133ohm，这个结果与原型中的Polar的特性阻抗计算值基本吻合，但是偏小。


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7结 论

* e9 C& N2 w, i8 _  I

# f7 X: K  [% D, z* S( ^9 Y
由上面的几种仿真结果对比我们可以归纳出Wave Port的两点结论：
WavePort必须设置在外部端口上，即一定要贴着free space boundary；
' f. ~5 |' }% L3 d- }5 O4 @8 @WavePort平面的大小对仿真结果精度有较大影响。

, V, A- w! C. f' e2 K, Q& X通常HFSS的Wave Port平面的规则如下：
  l, a) L/ k* f/ z: C7 _$ X
$ r+ `. _+ ~3 X$ p9 P! U* f
5 C  ?! _. q( \: a- V! N% Y* |  h. J7 l

双微带线的Wave Port平面尺寸规则

. g, H  c" u& r- w( P: K8 ~

' F+ p# v: [7 B3 ^7 W# X4 {

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双微带线的Wave Port平面尺寸规则

9 V, h6 B  i. z5 z& X

0 Z+ T1 Z! v1 a1 b3 _( Y! |

" b2 d: M/ H7 g+ t* p2 b% z

# y+ X9 n7 Q+ p

双带状线的Wave Port平面尺寸规则

4 u8 c5 c7 {7 @1 F1 j

单带状线的Wave Port平面尺寸规则

2 S& R: d- r8 l8 P5 ]: ?5 B
" S( g' s8 s0 Z' s& q& @. {" J; j
2 h* H  f% S" [- Q以上是一些常用的Wave Port使用规则，其实在实际的应用中Wave Port也可以用作内部端口，但是此时需要做特殊处理。
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0 q& l; |' @6 \0 i0 Q

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