CST激励源之波导端口

1、.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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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ZU/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

8、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 frameName：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

9、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 frameCoordinates：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 Edit fieldsX Ymin, Ymax, Zmin, ZmaxY Xmin, Xmax, Zmin, ZmaxZ 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。Normal Edit fields X Ymin, Ymax, Zmin, Zmax Y Xmin, Xmax, Z

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