SI-list【中國】SI-list【中國】HFSSPORT終極解決方案（三）

2016-09-24 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

本文大綱

本文章分三部分:

(一)wave port與lumped port的理解

(二)兩種port的仿真操作用法

(三)S參數(shù)歸一化的問題

說明:這里說的port主要是針對Ansys的HFSS電磁場全波仿真器

簡單介紹下HFSS:

ANSYS HFSS,是ANSYS公司推出的三維電磁仿真軟件;是世界上第一個商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場仿真軟件,業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場設(shè)計和分析的電子設(shè)計工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。HFSS提供了一簡潔直觀的用戶設(shè)計界面、精確自適應(yīng)的場解器、擁有空前電性能分析能力的功能強(qiáng)大后處理器,能計算任意形狀三維無源結(jié)構(gòu)的S參數(shù)和全波電磁場。HFSS軟件擁有強(qiáng)大的天線設(shè)計功能,它可以計算天線參量,如增益、方向性、遠(yuǎn)場方向圖剖面、遠(yuǎn)場3D圖和3dB帶寬;繪制極化特性,包括球形場分量、圓極化場分量、Ludwig第三定義場分量和軸比。使用HFSS,可以計算:

① 基本電磁場數(shù)值解和開邊界問題,近遠(yuǎn)場輻射問題

② 端口特征阻抗和傳輸常數(shù)

③ S參數(shù)和相應(yīng)端口阻抗的歸一化S參數(shù)

④ 結(jié)構(gòu)的本征?；蛑C振解。

而且,由ANSYS HFSS和ANSYS Designer構(gòu)成的ANSYS高頻解決方案,是目前唯一以物理原型為基礎(chǔ)的高頻設(shè)計解決方案,提供了從系統(tǒng)到電路直至部件級的快速而精確的設(shè)計手段,覆蓋了高頻設(shè)計的所有環(huán)節(jié)。現(xiàn)在最新的版本應(yīng)該到了ANSYS HFSS 16.

ANSYS workbench

3S參數(shù)歸一化的問題

三個論點

1.歸一化對S參數(shù)有什么影響

2.為什么要歸一化

3.如何進(jìn)行歸一化

1.歸一化對S參數(shù)有什么影響

首先理解下“歸一化”里的“一”指的不是數(shù)值1,而是統(tǒng)一的意思。那歸一化其實就是歸類統(tǒng)一的意思,那到底要統(tǒng)一什么量呢?對,它統(tǒng)一的是端口阻抗。

在第一章里我們說過S參數(shù)的值和它的端口阻抗有關(guān)系,準(zhǔn)確的說,S參數(shù)應(yīng)該表述為“在端口阻抗為portz(portz可以是變量可以是常數(shù))的條件下測得的S參數(shù)”。很顯然隨著端口阻抗portz變化,那么測出來的S參數(shù)同樣也會發(fā)生變化。

我們先來看一下同一個網(wǎng)絡(luò),在端口阻抗設(shè)分別設(shè)為50歐和75歐時跑出來的S11曲線的差別,如圖14

圖14

明顯看出來兩個曲線的差別,那么它們到底哪一個是正確的S11曲線呢?

其實,這兩個S11曲線都是正確的,上面說過S參數(shù)其實在一定的端口阻抗條件下測出來的值,兩種S11曲線只不過是兩種不同情況下的表示方法而已,它們所描述的網(wǎng)絡(luò)其實還是那個網(wǎng)絡(luò)。打個比方,比如一條狗,中國人說這個動物叫“狗”,美國人說這個動物叫“dog”,那么這個動物是叫“狗”正確還是叫“dog”正確呢,很顯然都沒有錯,狗還是那條狗,只是在不同的情況下叫法不一樣而已。

可能大家會問,既然端口阻抗變化后導(dǎo)致了S參數(shù)的變化,那么導(dǎo)出來的S參數(shù)里回包含端口阻抗的信息么,比如S參數(shù)經(jīng)常要用到時序鏈路仿真里去,你得告訴仿真軟件我這個S參數(shù)是在哪種端口阻抗條件下得到的。OK,S參數(shù)的touchstone格式文件里面確實會包含端口阻抗的信息,如下圖15所示,大家有興趣可以隨便找一個S參數(shù)文件翻翻

圖15

上面圖片中從左到右Hz表述掃頻的正弦波的單位,S代表該文件為S參數(shù),db代表S參數(shù)的表示形式, R 50則是代表端口阻抗為50歐。

另外我們看一個特例,就是第一章我們說的wave port不進(jìn)行歸一化處理時,它的端口阻抗會隨著頻率不停的改變且始終和被測網(wǎng)絡(luò)接觸處阻抗匹配,也就是說這樣得到的的S參數(shù)沒有端口間的相互作用;一旦對它進(jìn)行全頻帶的歸一化后得到的S參數(shù)就包含了各個端口間的相互作用,也就說在整個頻帶端口阻抗將和被測網(wǎng)絡(luò)接觸處阻抗不匹配了。對于均勻的微帶線或者帶狀線來說,不歸一化時得到的端口阻抗其實就等于特性阻抗。

某些時候特定的場合,需要將S參數(shù)做歸一化處理,這就是我們底下要說的內(nèi)容,為什么要歸一化。

2.為什么要歸一化

在實際測試中使用的一些工具,比如矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀,它在測試網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)時在端口的地方固定使用的測試線纜或者接頭是50歐的,那么它測出來的S參數(shù)就表示在端口阻抗為50歐的情況下測得的。

我們再回頭看看HFSS仿真時加的wave port要是不做歸一化時它的端口阻抗是不停變化的,顯然為了對比實際測試和仿真的結(jié)果,端口阻抗不歸一化到50歐是沒有什么意義的。打個比方,比如兩組數(shù),第一組為1/3,2/3,4/3,第二組為:2/6,6/9,16/12 ,假設(shè)我們把分子看作是端口阻抗,分母看著是S參數(shù),第一組數(shù)看作是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測得的數(shù),它的端口阻抗都為3,第二組數(shù)為仿真得到的數(shù),它的端口阻抗為6,9,12,在不停的變化。我要對比這兩組數(shù),那我肯定得先將第二組數(shù)分子都轉(zhuǎn)成3才好對比,則將第二組數(shù)變?yōu)?1/3,2/3,4/3,這樣就好對比了。這僅僅是打個比方,實際轉(zhuǎn)化比這個要復(fù)雜的多。

這里只是舉個例子,不是說所有實際的端口阻抗都是歸一化到50歐,主要是大家聽說歸一化到50歐的情況太多了,多少會有點誤導(dǎo),歸一化的值根據(jù)實際情況取舍。

另外可能有一些時域鏈路的仿真軟件需要端口歸一化到50歐,其實歸一化就是為了某些特定情況的要求。接下來我們說說如何進(jìn)行歸一化。

3.如何進(jìn)行歸一化

先簡單說下歸一化的原理,這里就得提到Z參數(shù),大家都知道Z參數(shù)是阻抗矩陣,可以由S參數(shù)轉(zhuǎn)化而來。Z參數(shù)的值和S參數(shù)不一樣,它是不會隨著端口阻抗的變化而變化的,先看一下Z參數(shù)由S參數(shù)轉(zhuǎn)化的公式,