ANSYS HFSS. Поговорим о портах.

В программе ANSYS HFSS доступны для использования несколько типов источников возбуждений: волновой порт, сосредоточенный порт, Флоке порт, плоская волна, источник тока и напряжения и т.д. Но чаще всего используются волновой и сосредоточенный порты. Но несмотря на это часто у пользователей ANSYS HFSS возникают вопросы о правильности применения и установки этих типов источников возбуждений. Поэтому в этой небольшой статье речь пойдёт именно о них.

Рисунок 1. Общий вид установки сосредоточенных и волновых портов.

Wave Port (волновой порт)

Волновые порты представляют собой места в геометрии, через которую сигналы возбуждения вводятся и выводятся из анализируемой структуры. Они используются, когда моделируются волноводные структуры, любые линии передач и другие устройства планарного исполнения. HFSS предполагает, что каждый волновой порт, который вы задаете, связан с полубесконечным волноводом, который имеет то же самое сечение и свойства материала, как и порт. При расчете S-параметров, HFSS предполагает, что структура возбуждена типами волн (модами), связанными с этими сечениями. Установка волновых портов несколько изменяется в зависимости от типа решения задачи, т.е. является ли решение модальным (modal) или терминальным (terminal), а также от типа самой задачи. Если для волноводных структур (закрытые линии) размеры волнового порта определяются поперечным сечением этих структур и установка порта не представляет никаких сложностей, то для линий передач таких как микрополосковая, полосковая, копланарная, щелевая и т.д. размеры портов должны быть чётко определены во избежание ошибок в вычислениях. Ниже приведены правила установки источника возбуждения типа волновой порт для некоторых случаев.

Рисунок 2. Пример установки волнового порта на закрытые типы линий (круглый волновод, коаксиал, прямоугольный волновод).

Рисунок 3. Рекомендуемые размеры волнового порта для микрополосковой линии, полосковой (размер h ограничен верхней и нижней металлизацией), копланарной  и т.д.

Lumped Port (сосредоточенный порт)

Сосредоточенные порты аналогичны традиционным волновым портам, но могут быть расположены внутри структуры и иметь комплексный импеданс, заданный пользователем. Сосредоточенные порты рассчитывают S-параметры сразу на портах. Они используются, в основном когда выполняется моделирование микрополосковых структур. Их установки так же меняются в зависимости от метода решения модальный или терминальный. Дискретные порты могут быть заданы на прямоугольнике между краем линии и земляным полигоном, их размеры практически всегда определяются размерами линии. 

Ниже приведены примеры установки источника возбуждения такого типа для различных случаев.

Рисунок 4. Примеры установки сосредоточенного порта.

Что общего и чем отличаются

Подитожим и систематизируем всё что было написано выше о двух типах портов. Ниже приведённая таблица отражает основные возможности волнового и сосредоточенного портов. 

Рисунок 5. Таблица сравнения волнового и сосредоточенного портов.

Для полноты картины внесу некоторые пояснения.

Первое. Для сосредоточенного порта заявлена невозможность применения инструмента De-embed, но при настройке этого порта есть возможность устанавливать флаг – De-embed тем самым активируя эту функцию, что у многих пользователей вызывает недоумение. Внесу ясность – в случае установки флага для сосредоточенного порта эта функция исключает индуктивность порта. Надо сказать, что применение De-embed влияет на характеристики анализируемого устройства не всегда, а только в некоторых случаях, когда распределенная индуктивность порта уж очень велика (зависит от геометрии и частоты анализа).

Второе. В таблице в графе “применение” для волнового порта указано – “внешний”. Это подразумевает что данный тип порта устанавливается на границу анализируемой области и всей остальной, где расчёта уже не ведётся. Но в некоторых задачах можно при желании обойти это правило. Для этого нужно расположить на одну из сторон (туда где не предполагается распространение волны) небольшое тело типа PEC или металл и использовать волновой порт уже внутри области расчёта.

Рисунок 6. Демонстрация установки волнового порта внутри расчётной области.

Заключение.

Важно, что компания ANSYS гарантирует что независимо от того какой из двух видов портов будет использоваться результаты моделирования будут точными. Выбирайте удобный порт именно для вашей задачи, соблюдайте рекомендованные правила его установки и ваши расчёты будут соответствовать измерениям.