HFSS端口选择：Wave Port与Lumped Port的对比分析

一、Wave Port

Wave Port是HFSS中典型的外部端口，这里所说的外部是指只有一侧有场分布，一般都在边界和背景的交界处。外部端口需要通过传输线的方式才能将激励信号加入到结构中，而外部端口通常会定义成传输线的截面。Wave Port截面就是HFSS求解结构参数时的参考面，它对于S参数的相位计算非常重要。HFSS在端口截面处求解传输线的特性，得到端口的特性阻抗和传播常数，用于计算S参数。

1.传输线原型：

传输线线宽W=6mil，线间距S=3W=18mil，线长2000mil，层叠结构是铜厚1.4mil，传输线距离下方的GND平面58mil，介质的介电常数是4.25，如下图：

由上图有Polar计算得到的传输线的特性阻抗是138.27ohm。

2.airbox背景作为Wave Port端口：

将Wave Port创建在Boundary face of free space上，且让Wave Port平面紧贴传输线，如下图所示:

上图可以看到，HFSS计算得到的传输线的阻抗大约是136.7~138.5ohm，这个结果与原型中的Polar的特性阻抗计算值是完全吻合的。

3.以PCB侧边YZ平面作为Wave Port端口：

将Wave Port创建在PCB的侧边YZ平面上，且让Wave Port平面紧贴free space，如下图所示:

上图可以看到，仿真出来的特性阻抗随着频率有比较大的变化，这是因为Wave Port没有考虑传输线上方空间的电磁场效应导致的，因此这个结果是错误的。

3.Wave Port端口不紧贴free space：

将Wave Port创建在PCB的侧边YZ平面上，但是让Wave Port平面不紧贴free space，如下图所示:

上图可以看到，HFSS无法继续仿真，因为不但没有考虑传输线上方空间的电磁场效应，而且在free space boundary与PCB侧边上的Wave Port之间的空间上没有电磁场的information。

4.新增Wave Port端口平面不紧贴free space：

在PCB的侧边YZ平面上，另建一个“矩形平面”，该平面紧贴传输线但不贴free sapce boundary，在这个新的平面上设置Wave Port，如下图：

上图可以看到HFSS仿真得到的传输线的特征阻抗是223.9ohm左右，与Polar的计算结果偏差很大，这个结果时错误的。

5.新增Wave Port端口大平面且紧贴free space：

在PCB的侧边YZ平面上，另建一个“矩形平面”，该平面紧贴传输线且紧贴free sapce boundary，平面下部超出PCB下边沿，在这个新的平面上设置Wave Port，如下图：

上图看到，HFSS计算得到的传输线的阻抗大约是136.7~138.5ohm，这个结果与原型中的Polar的特性阻抗计算值是完全吻合的。

6.新增Wave Port端口小平面且紧贴free space：

在PCB的侧边YZ平面上，另建一个“矩形平面”，该平面紧贴传输线且紧贴free sapce boundary，但是这个平面的下方与PCB板下边沿平齐，在这个新的平面上设置Wave Port，如下图：

上图看到，HFSS计算得到的传输线的阻抗大约是131.8~133ohm，这个结果与原型中的Polar的特性阻抗计算值基本吻合，但是偏小。

结论:

由上面的几种仿真结果对比我们可以归纳出Wave Port的两点结论：

1. Wave Port必须设置在外部端口上，即一定要贴着free space boundary；
2. Wave Port平面的大小对仿真结果精度有较大影响。

通常HFSS的Wave Port平面的规则如下：

双带状线的Wave Port平面尺寸规则

单带状线的Wave Port平面尺寸规则

以上是一些常用的Wave Port使用规则，其实在实际的应用中Wave Port也可以用作内部端口，但是此时需要做特殊处理，具体应用我们在下一期再介绍。

二、Lumped Port

Lumped Port是HFSS里面的内部端口，它需要通过测试系统来给结构加入信号，类似于测试系统的测试探针。因为Lumped Port注入给结构的是电压和电流信号，因此Lumped Port必须要指定端口阻抗，否则就会导致信号源短路，Lumped Port端口的阻抗一般设置与测试系统的内阻一致。同理，因为是电流和电压信号，Lumped Port必须要有参考也叫回流通路，因此Lumped Port必须要有两个端口面，其中一个端口面为参考面。

2.Lumped Port应用：

因为Lumped Port定义的输入是电压和电流信号，因此一般Lumped Port端口主要用于信号完整性分析，即电路仿真中需要考虑布线寄生效应。Lumped Port的典型应用如下：

1）同层走线：

2）相邻层走线：

3）多针脚连接器：

4）替代RLC无源器件：

3.Lumped Port注意：

1）Lumped Port所在端面的长和宽需要远小于信号波长，一般以1/10波长为界；

  2）因为Lumped Port端口的两侧默认都是Perfect H边界，因此两个Lumped Port的边缘不能相接；

  3）Lumped Port的两端必须和Perfect E边界或金属表面相接触，否则信号无法注入；

4）Lumped Port只能用于传输TEM模式或准TEM模式；

  5）因为真实的测试环境中回流通路是存在的，因此2个Lumped Port端口之间必须要形成回流通路，如下图：

6）为了确保多端口S参数相位的一致性，Lumped Port积分线的定义方向必须一致；

以上是常用的一些Lumped Port的使用规则。下周我们将对Lumped Port和Wave Port做一个对比总结，有兴趣的同学请继续关注。

Wave Port当内部端口使用问题：

Wave Port当内部端口使用的唯一情况就是在同轴线激励的对称振子天线设计。因为Wave Port直接定义在同轴线的截面上时，由于场的双向存在，HFSS软件会报错，导致仿真无法继续。此时我们需要在Wave Port所在位置额外增加一个Perfect E物体，通常称为“Coductive Cap”。利用此物体将端口面完全覆盖，因为HFSS对Perfect E物体的内部是不求解场的，这样可以保证场的单向存在。如下图：

三、对比总结

上两周我们已经介绍了一下Lumped Port和Wave Port的使用，本周我们针对前两周的内容做个对比和小结。

1.Lumped Port是内部端口，Wave Port是外部端口：

Lumped Port相当于用测试系统如探针给传输线加激励，Wave Port相当于用传输线给传输线加激励；因此Lumped Port需要指定端口阻抗，Wave Port自动求解端口阻抗。此外，Wave Port加上“conductive cap”可以当内部端口用。

2.Lumped Port的激励是电流和电压，Wave Port的激励是电磁波：

Lumped Port只能用于TEM模式或准TEM模式，不能进行Deembeding；Wave Port没有这些限制。

3.Lumped Port和Wave Port的外表面的边界定义有差别：

Lumped Port的两侧面区域为Profect H，其他面为Profect E；Wave Port的所有外表面均为Profect E。

4.Lumped Port和Wave Port的尺寸要求有差异：

（1）Wave port所在的截面一定要均匀。Wave Port的尺寸要求如下：

（2）Lumped Port的宽度要与传输线等宽，长度小于λ/100，Lumped Port的尺寸如下图：

上图中左边的Lumped Port太细，本身会引入比较大的寄生RL效应，并且此时的电压馈入点没有覆盖整个走线。

5.Lumped Port可以模拟RLC的寄生效应，Wave Port不行：

Lumped Port模拟RLC的寄生效应的情况如下图：

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