5.3.1 波端口激勵 （wave Port）

     默認情況下，HFSS 中與背景相連的物體表面都默認設(shè)置為理想導(dǎo)體邊界，沒有能量可以進出，波端口設(shè)置在這樣的面上，提供一個能量流進/流出的窗口。波端口激勵方式常用于 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、帶狀線結(jié)構(gòu)以及共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)等模型的仿真計算。與背景相接觸的端口，激勵方 式一般都設(shè)置為波端口激勵。

   HFSS 仿真器假定用戶所定義的每一個波端口都和一個半無限長波導(dǎo)相連，該波導(dǎo)與波 端口具有相同的橫截面和材料屬性。同時，定義成波端口的平面必須有一定長度的均勻橫截 面，以保證截止模的逐漸消失，從而確保仿真計算結(jié)果的精確性。以圖 5.23 為例，左側(cè)的波 導(dǎo)模型波端口設(shè)置是不正確的，因為該波導(dǎo)的兩端都沒有均勻橫界面的部分；為了正確建模， 需要在波端口處添加足夠長度的均勻橫截面。

圖 5.23 波端口的橫截面

    1．端口處的激勵場

    HFSS 假定用戶定義的每一個波端口都連接有一段與端口橫截面相同的均勻波導(dǎo)，因此激勵場是沿著與端口相連的波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)男胁▓觯�假設(shè)端口橫截面位于xy 面，電磁波沿著 z 軸方向傳播，則激勵場為 

    式中，R是復(fù)數(shù)或者復(fù)變函數(shù)的實部；E(x,y)是電場矢量.

    2．波動方程

    波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)男胁ǖ膱瞿Ｊ娇梢酝ㄟ^求解 Maxwell 方程組獲得，下式給出了由 Maxwell 方程組推導(dǎo)出的微分形式的波動方程，即

   HFSS 求解該方程后，可以得到激勵場模式的解 E(x, y)；這些矢量解獨立于 z 和 t，在這些矢量解后面乘上因子e后就變成了行波。

    3．模式

     對于給定橫截面的波導(dǎo)或傳輸線，特定頻率下有一系列的解滿足相應(yīng)的邊界條件和麥克斯韋方程組，每個解都稱為一種模式（Mode），或者說一種波型。通常，模式是根據(jù)電場和磁場沿導(dǎo)波系統(tǒng)傳輸方向上有無分量這一情況來命名的，假設(shè)導(dǎo)波系統(tǒng)沿z 軸放置，上述分量是指 z 向的電場分量 Ez和磁場分量 Hz。對于 Ez=0，Hz=0 一類的模，稱之為橫電磁模，即 TEM 模；對于 Ez=0，Hz≠0 一類的模，稱之為橫電模，即 TE 模；對于 Ez≠0，Hz=0 一類的模，稱之為橫磁模，即 TM 模。

    默認情況下，HFSS 只計算主模，即模式1。但是某些情況下，計算中考慮高階模式的影響是必須的。例如，在一個端口的模式1（主模）經(jīng)過某個結(jié)構(gòu)傳輸?shù)搅硪粋�端口變?yōu)槟Ｊ? 時，這時我們就有必要計算模式 2 下的S 參數(shù)；也可能存在這樣一種情況，在單一模式的信號激勵下，由于結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性而引起高次模的反射，如果這些高次模被反射回激勵端口或者傳輸?shù)狡渌�端口，則在計算 S 參數(shù)時也需要考慮這些模式。

    4．端口校準和積分線

   對于模式驅(qū)動求解類型，設(shè)置波端口激勵方式時，波端口需要被校準以確保結(jié)果的一致性。校準的目的有兩個：一是確定電場的方向，確保結(jié)果的一致，我們知道，對于任意一個波端口，在t = 0 時刻電場都有正負兩個方向，HFSS 通過設(shè)置積分線（Integration Line）可 以指定電場的參考方向，積分線的箭頭指向即為電場的正方向；二是設(shè)置積分線作為電壓的 積分路徑，計算端口電壓，進而計算由電壓形式定義的端口特性阻抗 Zpv或 Zvi。 對于有多個模式問題的求解，在定義波端口時每個模式都需要設(shè)置一個積分校準線。

    5．S 參數(shù)的歸一化

    導(dǎo)波系統(tǒng)可能存在多個模式， HFSS 中定義波端口來求解問題時，每個模式在波端口處都是完全匹配的。每個模式的 S 參數(shù)在波端口處將會根據(jù)不同頻率下的特性阻抗進行歸一化處理，這種類型的 S 參數(shù)稱為廣義 S 參數(shù)。

    而在實際測量時，如使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試器件的 S 參數(shù)，測量端口通常不是完全匹配的，高頻測量儀器測試端口的特性阻抗一般都是50歐姆，為了使 HFSS 仿真計算的結(jié)果和實驗測量結(jié)果保持一致，HFSS 仿真計算得出的廣義S 參數(shù)必須用常數(shù)阻抗（如 50歐姆）進行歸一化處理。在波端口的設(shè)置過程中可以定義歸一化的阻抗值。

    為了計算對于指定阻抗的歸一化S 參數(shù)，HFSS 首先計算出設(shè)計模型的阻抗矩陣，即

式中，S是n*n 維的廣義 S 矩陣；I是n*n 維的單位矩陣；Z0是n*n 維的對角矩陣。每一端口的特性阻抗作為對角矩陣的值，該特性阻抗由 HFSS 自動計算得出。

    歸一化的 S 參數(shù)矩陣可由下式計算：

    6．端口平移（去嵌入功能）

    HFSS 中的 Deembed 功能可以簡單地理解為端口平移功能，即平移端口到新的位置，然后計算出相應(yīng)的 S 參數(shù)結(jié)果。Deembed 功能只影響數(shù)據(jù)后處理的結(jié)果，使用 Deembed 功能將端口平移到新的位置后，HFSS 不需要重新運行仿真計算。在設(shè)置端口平移距離時，正數(shù)表示端口平面向模型內(nèi)部移動，負數(shù)則表示端口平面向外延伸。

    假設(shè)有一個三端口器件，端口平移前 S 參數(shù)矩陣為 S，端口平移后新的S參數(shù)矩陣為Sdeembed，則有

    7．終端線

    對于終端驅(qū)動的求解類型，終端 S 參數(shù)反映的是波端口節(jié)點電壓和電流的線性疊加，通 過波端口處的節(jié)點電流和電壓可以計算出端口的阻抗和 S 參數(shù)矩陣。 對于HFSS11 以前的版本，終端驅(qū)動求解類型在定義波端口時需要用戶手動設(shè)置終端線 （Terminal Lines）作為電壓的積分路徑，HFSS 根據(jù)設(shè)定的終端線計算端口的節(jié)點電壓。很多 時候確定端口的電壓積分線是困難的，手動設(shè)置這樣的終端線是費時費力的一件事。因此， 在 HFSS11 版本中，端口終端線的設(shè)置做了改進，由用戶手動設(shè)置終端線作為電壓積分路徑 計算節(jié)點電壓，改為系統(tǒng)自動設(shè)置終端線作為磁場的積分路徑計算節(jié)點電流。