HFSS仿真PCB微带Wave Port如何设置？

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射频百花潭

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。


/ l- H8 c; R/ s# p
1传输线原型：

  G% H5 Z! P. S* m# p8 b6 h
. |! F& {, S( O+ P
2 n" [2 J, R; j! K% V
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：

0 Z% ?4 z/ Q0 W4 ^: _由上图有Polar计算得到的传输线的特性阻抗是138.27ohm。
/ [! s$ Q; d, q1 \4 v
2airbox背景作为WavePort端口
5 y0 [) s) I! D. c" ]



/ [# A2 K) h) v1 r: C* D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:
0 x% P2 l' O  S- Y$ w/ p

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。
9 X& F2 u8 N6 U2 i9 T; i


8 r6 ~% ~- g' Y6 ?9 w& D( [
, O" i- S* x9 F/ s5 U4 V! B3以PCB侧边YZ平面作为WavePort端口
5 L0 e$ J: a  S! F
3 ?  {( }: X5 k$ X5 b
. X5 W0 g" f6 F% Q5 S2 I

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:

1 g2 n( c* |' ?; M2 m% A+ ], K- n) D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。
: P+ |! K3 v0 L! c4 F9 N

* Y  h9 q( P) b! ?Wave Port端口不紧贴free space：
# h3 E2 B& M; s

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:
0 t7 Z5 j" g, V2 T# B3 {) Q% V

' `8 c% g+ @" w: |) ~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。

; L9 T* V: T" Z" ^
' u9 k% y' K$ ^( F
4新增WavePort端口平面不紧贴free space
$ S1 D5 L/ R, p' v8 L



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：

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。




8 z" E; f/ `  d; i  p; Q5新增WavePort端口大平面且紧贴free space


" h6 z3 }: k2 \" F8 n% e. W: ?

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：

5 S4 x% e$ ~6 _4 B
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。
9 f- U( k2 h$ V6 N! H9 E


2 b# C1 c/ t5 N3 S6 U6新增WavePort端口小平面且紧贴free space：
6 a5 T' N8 V# M4 g! h* v+ ?

% {* i( ^4 \. T0 x0 M; D

3 s1 S# k5 A5 V6 B/ ?5 i) S" L3 Z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：


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。
" g6 P) @! T  C0 l4 n
( R8 s, d2 Y/ k2 a! M7 R/ k
: Z  g) _7 D& [! \/ v
" E$ _3 ?/ y0 _" g! [( ^7结 论
9 m% M" {) f) |2 x! |
3 y8 M- H4 N3 f4 P9 t- S8 P


% h# c1 b/ e5 q1 i* M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：
# C( n/ G+ a# k" I8 qWavePort必须设置在外部端口上，即一定要贴着free space boundary；
WavePort平面的大小对仿真结果精度有较大影响。

通常HFSS的Wave Port平面的规则如下：
6 }. o% k/ H: s8 K1 H' X
9 x  I) O3 C* h8 c, i2 }

双微带线的Wave Port平面尺寸规则

; x0 h6 V' Y! |; n, E* I

2 _; ~4 y; _' ?) Y4 G' ^7 B6 W

2 e1 Q. i; y9 h) x: N. x

& s7 [" Q# A7 c4 B2 Q

双微带线的Wave Port平面尺寸规则

$ Y( J6 d8 M* C2 d: g- w

+ A3 V; Z! ?& O3 }

5 a8 ^" C% D% ?* v/ ?1 i& K

双带状线的Wave Port平面尺寸规则

% X) F( ]7 x6 s: I" q3 A

, N) \0 M0 X! X, q' p% o, a9 V+ @

单带状线的Wave Port平面尺寸规则

6 n* X+ T# }9 Q! |1 Q# [" ~
' T% O6 n/ X& I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。

' u# B. R  v, ^4 o! \
3 @1 l+ U  F7 Z1 C7 W; S, w9 m
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