HFSS端口应用详解：Wave Port 、Lumped Port

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：