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CST波导端口设置是最简单也是最重要的环节.doc

发布时间：2022-06-01 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.35M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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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
    为了获得计算的模式的一致性方向，电模式场需根据特定的准则校准；然后通过激励端 口的功率流确定磁场。这意味着模式的Poynting矢量总是指向端口辐射方向，因为这，使得 在CST DESIGN STUDIO™ 中不同结构的端口可以在不产生不期望的相移的情况下连接。 下图给出了考虑电场方向的端口模式的校准线，在中空波导中，电场是朝向端口的局部 U/V坐标系。如果有内导体（端口有两个或三个导体）存在，那么导体pin的散度计算则是正 的，比如，电场指向地，如下图中右侧的两个途中所示（微带和同轴波导）。 所有其他端口模式都是指向其相应的端口的坐标系的，这类似于中空波导端口的情况。 因此，无论什么情况下，在CST DESIGN STUDIO™中都要确保端口耦合的一致性。在 Multipin port模式的使用potential pin 定义来确定电场方向的。 波导端口的网格查看 在开始仿真之前，任何结构都必须空间离散化，对波导端口而言也不例外。基于一致性 （连续性）的原因，端口使用和结构相同的网格，因而，定义端口的尺寸不必和用于仿真的 端口尺寸相同。这些尺寸必须映射到网格上，因而会有轻微的变化，然而，端口尺寸总是被 放大的。为了控制仿真中观察到的尺寸，你可以输入网格模式，如下图红色框架所示反映了 映射到端口的情况。 波导端口 波导端口是根据入射波功率和反射波功率来进行求解计算的，对每个波导端口而言，在 计算求解过程中，都将记录其S参数（时域信号用于时域仿真）。实际上，端口可以被连接 到结构中的纵向均匀波导代替。在仿真求解前，你至少需要一个激励源（或波导端口、或离 散端口或平面波）对结构进行馈电。 注：激励的波导端口的输入信号是规一化到1 sqrt（watt）的。 在输入对话框弹出前，如果你选择了一个沿某个轴的面，然后就会提示你输入新端口区 域的尺寸。 基本框架General frame Name：从下拉菜单中选择有效的名字，该数值将显示在结构图中的端口面上，并用来命名S 参数结果，请注意：端口编号是和离散端口discrete port的定义共享的（一致的）。 Normal：选择端口面的法向。端口必须平行于计算域的边界以便你可以在x、y、z之间选择。
    Orientation：定义端口的方向，如辐射方向。Lower 端口辐射方向为正方向，upper端口辐 射方向为负方向，和选择的端口的法向坐标轴有 关。通常，要和upper或lower边界的计算域的定 义相一致。然后，你也可以在计算域内定义内部 端口。 注：在定义一个新端口，或选择一个以前的端口 时，端口的局部坐标系（由全局坐标系的方向决 定）将显示在主窗口中，另外，如果端口被激励， 则端口处的箭头则表明辐射方向。你可以使用鼠 标滚轮调整端口大小的显示 位置框架Position frame Coordinates：在这里，你可以选择通过输入沿法 向的截面端口的尺寸改变端口大小。◎Free：选择 了free，你可以在这里输入端口截面的最小和最大 值，在Edit fields中，你可以看到其取决于端口的 法向方向。 Normal X Y Z Edit fields Ymin, Ymax, Zmin, Zmax Xmin, Xmax, Zmin, Zmax Xmin, Xmax, Ymin, Ymax 右图给出了位于lower z边界的波导端口截面的参 数情况。 ◎ Full plane：如果你选择了Full plane，那么 通过位置和法向定义的整个边界将作为波导 端口。右图给出了扩展到整个边界平面的波导 端口情况。 ◎ Use picks：我们也可以通过选择平行于坐标 轴或一个平面中至少两个棱的作为端口。因 而，在模型窗口中，如果你已经选择面或棱， 那么就需要选择Use picks 选项定义端口，如 果选择的面和期望的端口尺寸不一致，你可以 在下面的域中输入相应的值来改变端口尺寸。 Edit fields Ymin, Ymax, Zmin, Zmax Xmin, Xmax, Zmin, Zmax Xmin, Xmax, Ymin, Ymax Normal X Y Z Free normal position:激活该按钮定义内部端口， 如端口位于计算域内。该选框只有在选择Free 或 Full plane 模式时才可用。 该法线位置的值可以是插入到相应的X/Y/Zpos域 中，如果该值超过了计算域的尺寸，则端口就为 计算域的边界处。 注：为使用该按钮时，其端口总是位于计算域的upper和lower边界处，和lower或upper端口 方向相一致。
    参考平面框架Reference plane frame Distance to ref. plane:指定参考平面的距离以获取基于S参数的准确相位信息。正值则向外移 动参考平面，负值则向内移动。Deembeding 在计算运行后也可以执行，下图给出了波导端 口的负距离参考平面，如参考面向内移动。 模式设置框架Mode settings frame Multipin port：如果想定义multipin port，选择它。 Defin pins…:如果选择了Multipin port，则该按钮将激活。按下该按钮之后，Current Set Definitions 对话框将弹出，你可以通过添加新的current 设置定义multipin port。 Number of modes：指定模式数用来计算仿真。 Single-ended ： 该 按 钮 提 供 后 处 理 中 自 动 重 计 算 散 射 参 数 ， 这 些 是 基 于 先 前 定 义 的 single-ended multipin ports。因而，在multipin定义设置期间，每个内导体的各自独立的模式 设置必须生成，如一个导体（通常是最外面的）依旧没有定义接地导体，然后，该按钮将被 激活用来进行single-ended计算。 注：在这种方法中，所有的端口都必须定义为single-ended类型，否则，就无法启动仿真。 通过使用single-ended端口模式，计算求解自动激活规一化固定阻抗值，然而，阻抗值本身
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