射频工程师笔记：HFSS基础操作篇之激励源3

一. 激励源

激励是定义在二维或三维物体表面的激励源，可以指定为场、电压、电流或电荷，是一种允许能量进入或流出几何结构的特殊边界条件类型。对求解结果有直接影响，正确设置端口对精确求解结果至关重要。

激励的设置方法："Excitations-Assign-Port"

HFSS有多种激励方式，包括Lumped port 集总端口激励，wave port波端口激励、Floquet端口激励、incident wave入射波激励、current电流源激励、voltage电压源激励、magnetic bias磁偏置激励 等。

注：所有的激励类型都可计算场分布，但只有Lumped port，wave port、Floquet port 这三种激励方式可以计算S参数 。

下面对常用的一些激励源进行介绍：

1. Wave port（波端口激励（外部））

波端口有较多的功能，可计算端口的特征阻抗（微带线 ，带状线 ，波导等），多模式求解（例如矩形波导的TE10，TE11等模式），Deembed（去嵌技术，端口平移），因此需要设置的项较多，包含：激励模式数、积分线（如果只考虑主模传输，可以不定义积分线）、特征阻抗类型、Mode Alignment and Polarity、端口阻抗归一化和Deembed去嵌处理。

· 波端口中的特征阻抗有四个选项(Zpi、Zpv、Zvi 和 Zwave)，选项 Zpv和Zvi只有在定义一条积分线才会出现，Zwave严格意义上来讲仅适用于均匀波导，这4种特征阻抗只差了个系数，因此对于不同种类传输线，要进行良好的阻抗匹配设计，则应当将其统一到一种特征阻抗。

· 对于Mode Alignment and Polarity这个选项，默认选择第一个小项(Set Mode Polarity Using Integration Line)-利用积分线设置模式的极化。

· 波端口激励是假设和一个半无限长的矩形波导相连，因此波导的尺寸越小，截止频率越高，越有利于单模传输。但对于微带线、带状线、共面波导 等开放或半开放结构的传输线，电磁场并不完全束缚在导体和参考地之间，部分电磁能量会辐射到传输线四周的空气和介质中，因此设置的波端口需要有足够大的尺寸，以避免电场耦合到波端口边缘上，影响传输线的特性。不过波端口尺寸也不宜过大，其宽度和高度都不能超过半工作波长，否则会激发矩形波导模式，进而影响到计算的准确性。

对于简单的微带线、带状线和共面波导传输线，波端口激励的端口尺寸设置，可以参考下图。当然，也可以尝试将波端口的宽度和高度设为变量进行扫描，当端口阻抗趋近收敛时，此时的端口设置为最佳。

除此之外，也可以通过看HFSS求解出来的波端口面上的场分布来判断端口尺寸是否合适。如下图所示的微带线结构，如果波端口尺寸大小设置合理，则观看Port Field Display可以发现，电场都集中在微带线和地之间，而在波端口的边界上几乎没有场分布。反之，若端口尺寸过小（宽度过窄或者高度不足），则波端口的边界上也会存在不少电场分布。

· Deembed指的是去嵌，如矢网就采用了TRL校准法，将测量端口面平移到真实的待测物体处，这个方法就可以称为去嵌。

如果仿真模型中包括了电长尺寸的均匀传输线，那么就可以利用Deembed功能，通过短传输线的结果推算长传输线的结果。如果传输线是无耗的，Deembed只改变S参数的相位；如果传输线是有耗的，HFSS会自动将传输线的损耗修正到结果中，而不必将这些传输线建立到求解模型中，从而节省求解时间。

2. Lumped port（集总端口激励（内部））

相较于波端口，集总端口的设置项较简单，用户只需要设置积分线并指定端口的特征阻抗，不过该激励方式仅能求解单一模式 (TEM或者准TEM模式) 激励下的结果，只能设置在模型内部，常被应用于wave port不方便的场合，对不规则的结构（如BGA bond wire）较为适合。在仿真微带线结构时，用wave port，Lumped Port没有太大的差别。

注意：1）内部端口，必须定义在周围有场存在的区域，将画好的二维物体选中定义为集总端口，集总端口的长和宽要远小于波长（建议长、宽都在0.1个工作波长以内）；2）必须要给定端口阻抗；3）集总端口必须要画积分线，不同端口的积分线方向一定要相同，从上往下或者从下往上，需要统一，端口积分线的起点和终点必须和PE或者金属表面相接；4）仅能用于TEM模式（Ez=0 Hz=0）或准TEM模式，不可用于波导等非TEM模式的传输线中。

3. Floquet port（Floquet端口激励）

Floquet端口求解的反射和传输系数能够以S参数的形式显示。使用Floquet端口激励并结合周期性边界，能够像传统波导端口激励一样轻松的分析周期型结构的电磁特性，避免了场求解器复杂的后处理过程，适用于仿真大的平面结构或周期结构，如无限大天线阵列。

4. magnetic bias（磁偏置激励）

仿真铁氧体材料元器件，与Wave port/lumped port联合使用。创建一个铁氧体材料时，必须通过设置磁偏置激励来定义网格的内部偏置场；该偏置场使得铁氧体中的磁性偶极子规则排列，产生一个非零的磁矩。

5. Incident Wave（入射波激励）

是用户设置的朝某一特定方向传播的电磁波，其等相位面与传播方向垂直；入射波照射到器件表面和器件表面的夹角称为入射角。入射波激励常用于雷达反射截面（RCS）问题的计算。需要设置的参数有：波的传播方向（Poynting Vector）、电场的强度和方向。

6. Voltage（电压源激励）

电压源激励定义在两层导体之间的平面上，用理想电压源来表示该平面上的电场激励。电压源激励时需要设置的参数有：电压的幅度、相位和电场的方向。

注意：电压源激励所在的平面必须远小于工作波长，且平面上的电场是恒定电场；电压源激励是理想的源，没有内阻，因此后处理时不会输出S参数。

7. Current（电流源激励）

电流源激励定义于导体表面或者导体表面的缝隙上，用理想电流源来表示该平面上激励。电流源激励需要设定的参数有：导体表面缝隙的电流幅度、相位和方向。

注意：电流源激励所在的平面/缝隙必须小于工作波长，且平面/缝隙上的电流是恒定的；电流源激励是理想的源，没有内阻，因此后处理时不会输出S参数。

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