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波导端口是一种特殊种类的解算域边界条件,它可以刺激能量的吸收,这一切都是是通 过2D频域解算器求解二维端口面内可能本征模实现的,且端口处每种可能的电磁场解析解 都可以通过无数模式的叠加求得,然而,实际上,少量的模式就可以进行场仿真了,求解计 算中需要考虑的模式数可以在Waveguide Port对话框中设定。
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CST 激励源之波导端口
波导端口是一种特殊种类的解算域边界条件,它可以刺激能量的吸收,这一切都是是通
过2D频域解算器求解二维端口面内可能本征模实现的,且端口处每种可能的电磁场解析解
都可以通过无数模式的叠加求得,然而,实际上,少量的模式就可以进行场仿真了,求解计
算中需要考虑的模式数可以在Waveguide Port对话框中设定。
这里要注意:激励波导端口的输入信号是规一化到峰值功率为1 sqrt(Watt)
使用波导端口要根据不同需求、不同特点的端口类型的数量定义。因而,我们首先必须
精确的判定激励问题的类型,然后在选择并定义合适的波导端口。在具有不均匀性、可获得
broadband ports(宽带端口)或者具有inhomogeneous port accuracy enhancement(非均匀
端口精度加密)特色的情况下,我们可以选择使用normal waveguide ports(标准波导端口),
与此同时,multipin ports可以计算凋落的TEM模。
标准波导端口
标准波导端口即我们经常使用的矩形或圆形波导结构,通过PEC边界条件屏蔽,因而端
口模式就被限制在端口区域内
均匀波导端口
右图是一个均匀、矩形标准波导端口,通过 normal
waveguide operator 解算。下图中是一个具有三个模式
的波导端口,这里按各自的截止频率来分类。传播模式
数的多少取决于选取的频率范围。在瞬态仿真时,建议
考虑所有的传播模式,因为未考虑的模式将在端口处引
起反射。对于凋落模式也采用同样的考虑,如果必要的
话,求解器将检查这些情况并给出警告信息。
非均匀波导端口
如果波导由两种或两种以上材料的介质填充如右图所示,
那么模式就呈现频率依赖性,如下图所示就是三个不同频点的
TE 模,频率越高(从左到右频率逐渐增加),那么场就更加集
中在具有高介电常数值的材料中(图中浅褐色部分所示)。
因为标准的波导解算器只计算指定频点处的场模式,对于宽带内计算场模式将会报错。
因此我们需要打开瞬态解算器中 Special 对话框(如下图所示)。
激活其中的 broadband port operator(宽带端口解算器),这里,端口模式将在多个频
点处计算并求解出可以接受的宽带结果。
同轴波导端口或连接器
和上面的波导端口相比,同轴端口或连接器拥有一个或更多的内导体。
在端口处如果存在
一个以上的内导体将产生截止频率为0的TEM模。
右图中的均匀同轴波导由一个外导体和四个内导体构成,因此存在三
个不同TEM模式,如下图所示。这些模式是凋落模(具有相同的传播
常数),且可以叠加产生新的模式,这是因为他们彼此是正交的。因
此,下图所示的模式解仅仅是一种可能解,因而我们建议你使用
multipin operator功能指定你期望激励的模式。
非均匀同轴波导或连接器端口
假定为轻微不均匀同轴波导或同轴连接器端口,通过使用 Multipin Port,依旧会叠加产
生许多 QTEM 模,然而,切记:不同模式的的传播常数是不同的,这将产生错误信息。
假定不均匀错误已经不能忽略调,那么所有的端口应该定义为 Single-ended,在仿真结
束后,single-ended S 参数将作为后处理中一部分,然后在 CST DESIGN STUDIO™中通过
类似结构的 multipin 配置的微分激励重新合并计算。
微带线
不像同轴波或矩形波导,微带线是开放且不均匀结构,这使得在时域仿真中受到一定的
限制。然而,为了获取更精确的结果,我们应该考虑下面的几个方面:
首先,在 2D 本征模计算中没有开放边界条件,基于此,时域中的开放边界条件则被 2D
本征模计算中的磁边界条件取代。因此,为改善精度在远区对重要的模式场尽可能的设置边
界条件是很重要的。由于端口的跳变,高次模就有可能产生,从而降低求解精度。其次,由
于端口区域的不连续性,波导解算器 waveguide operator 增加了模式计算次数以及距离从而
降低了精度,同时发生的宽带错误也可能不再使用 inhomogeneous port accuracy
enhancement(在瞬态求解对话框中设定)功能 ,这个特征使用 full deembedding 就需要所
有端口模式的激励,因此,慎重的激活该功能是明智的,如果可能的话,可以使用 S-parameter
symmetries,下面给出微带线的例子,都是基于标准波导端口解算器(normal waveguide
operator)。
单根微带线
右图是一个有两个标准波导端口的简单微带线,下图
中的左图给出了求得的S 参数,由于chosen mode
calculation Frequency选择模式计算频率,在10GHz左右,
其反射是正确的,作为对比,右图中则给出了使用full
deembedding的结果,在整个期望的频率范围内其反射小
于-60dB。
带有接地平面的两个导体微带线
下图给出带有接地平面的两个导体微带线的奇模、偶模分布,由于端口区域的不连续性,
其奇偶模都是非退化的 QTEM(准 TEM 波),描绘了这种结构的两种静态模式。
共面微带线
典型的共面微带线由四个独立导体构
成,因而呈现了三种不同的非退化准 TEM
模( QTEM),如图中所示,端口被磁臂分开
以避免接地面和两条边带线之间的短路。沿
线传播的三个模式为 ground, even and odd
mode(地、奇、偶模),在求解对话框中,
你可以方便的选择对你的仿真激励感兴趣
的模式。
含接地面的多导体微带线
一般情况下,具有不连续
性的多导体波导端口,其单个导
体间的耦合影响一般通过
single-ended ports分析计算有损
微带线。
如果微带线含有损耗,无论是介质基板损耗,还是金属导体损耗,对于指定的求解器都
会有一定的约束、限制。
一般,对瞬态求解器而言,在端口模式解算中,损耗是不计在内的,因此端口区域会有
些许的反射。主要取决于这些损耗的大小,损耗越大反射增加,甚至可能覆盖整个频带产生
宽带错误,这些都是由于不连续的微带线的特点造成的,因而,inhomogeneous port accuracy
enhancement的功能的影响也将被忽略,所以一定要确保端口处的损耗不要太大。而对于频
域求解器,除了谐振计算外,是考虑了端口的有损材料的,并计算复传播常数。
周期波导端口
对于使用六面体网格的频域求解器FDS,可以考虑非0相移的周期端口边界。这些边界
特性和Boundary Condition对话框中的全局设置相对应,下面看看一个具有周期边界的简单
波导结构的例子。
下图是一个计算域的x方向使用周期边界条件的波导结构,该周期定义为一恒定的和期
望的端口模式的传播方向(z轴)成30度角。
前两个模式如下图电场矢量和磁场矢量所示,你可以看到第一个模式是平面波,而第二
个模式则是Floquet 模式。
阻抗定义
对所有类型的波导端口,其波阻抗的值都等于对所有端口面上的网格点[j ]的截线电场与
截线磁场比值的平均值:
然而,为了避免因为小数值造成的错误,在某个门限(相对最大场值)以下的数值就不
不含在计算之内,在solver logfile中的z-Wave-Sigma中可以看到这种平均值的不一致性。
此外,对任意多导体端口(同轴波导端口、微带线、连接器端口等),都存在静态模式
场(TEM或QTEM模),line impedance的值都将计算,它是通过对每个独立模式以考虑注
入结构中的导体电流来计算,按下列表达式计算:
其中,power为Poynting矢量沿段进口区域积分而来,current是磁场沿导体表面积分计算
而来。
注:必须意识到这和通常的定义Z=U/I是不一样的,因而会求得不同的结果。
模式校准
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