走进PORT

关于HFSS的PORT的理解和用法很多人都会有疑惑，底下我将自己对PORT的理解和大家分享，由于水平有限，文中难免有错误之处，还请大家不吝赐教，热烈欢迎各种板砖，西红柿，臭鸡蛋。
先给个概要：
1.wave port与lumped port的理解
2.两种port的简单用法
3.归一化的问题
说明：这里说的port主要是针对ansoft的HFSS电磁场全波仿真器
简单介绍下HFSS：
Ansoft HFSS，是Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件；是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，业界公认的三维电磁场设计和分析的电子设计工业标准。HFSS提供了一简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场解器、拥有空前电性能分析能力的功能强大后处理器，能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场。HFSS软件拥有强大的天线设计功能，它可以计算天线参量，如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3D图和3dB带宽；绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量、Ludwig第三定义场分量和轴比。使用HFSS，可以计算：① 基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题；② 端口特征阻抗和传输常数；③ S参数和相应端口阻抗的归一化S参数；④ 结构的本征模或谐振解。而且，由Ansoft HFSS和Ansoft Designer构成的Ansoft高频解决方案，是目前唯一以物理原型为基础的高频设计解决方案，提供了从系统到电路直至部件级的快速而精确的设计手段，覆盖了高频设计的所有环节。现在最新的版本应该到了Ansoft HFSS 14了吧。

1.wave port与lumped port
其实关于这个话题网上说的比较多了，只不过知识点比较零散，而且涉及到微波相关知识较多，很少有专门联系SI来进行讲解。大家可能会看的云里雾里的。我就把这些东西整理一下再稍微加上一点自己的理解。
首先wave port与lumped port是ansoft自己定义的这么两个端口类型（也不知道ansoft为啥要定义这两种PORT），其他3D仿真器应该也有这两个PORT的概念，只不过可能定义不太一样而已，类如ADS_EM等。
PORT，顾名思义，就是端口的意思，正弦波从PORT口进入，经过无源器件后再从另一个PORT口（或者是从PORT进口）出来。我们所谓的S参数其实就是指的是在PORT处测量信号的能量然后按照定义的公式计算得来的。电磁波遇到不连续点时会出现反射现象，也就是能量发生改变，这个大家都知道，所以在端口处不匹配同样会造成反射，这么看来PORT的值的大小，肯定会影响测量的S参数了，这个咱们在第三章归一化里再详细说明。
在说这两种PORT之前，我们先来说说端口阻抗PORTZ0，输入阻抗Zin和特性阻抗Z0，这三个和Z相关的量需要分清楚，不能弄混淆了，因为这个和两种类型PORT的自身特点还是有点关系的，下面我们简单介绍下，等介绍到PORT时再联系起来详细说明。
1. 端口阻抗PORTZ0，顾名思义，即端口处的阻抗，在HFSS里选择图1里的标注处可以查看。

2. 输入阻抗Zin，即从端口处看向网络的阻抗，其实这个可以等同于一定条件下的Z参数，另外它不是一个常数，它是一个函数，和被测网络的传播延时，被测网络的阻抗不连续点和激励信号的频率有关系。可能很多人刚学S参数的时候会把输入阻抗Zin和特性阻抗Z0给弄混了。在HFSS里选择图2里的标注处可以查看。

3. 特性阻抗Z0，相信大家对这个概念应该很熟悉了，虽然说它的值和信号的频率是有关系的，不过它变化不是很大，一般在工程上我们都把它看做是一个常数来用，在HFSS里选择图3里的标注处可以查看。

OK，底下我们正式进入PORT的世界，首先来看看lumped port，lumped port翻译过来就是集总端口，lumped port的激励是以电压或者电流的形式，加在一个点或者一个单元上，本身HFSS是一个计算电磁波在空间分部的一个软件，波是矢量，电压电流则为标量，那为什么还要用lumped port呢，大家想下，如果频率很低或者激励加在足够小的区域上，“波”就可以用“电压”或“电流”来描述。lumped port加的时候非常的方便，使用简单，尤其激励点附近存在几何或材料上的不连续区时只能选用lumped port，比如给package加激励的时候。用lumpde port时需要注意需要指定导体和参考平面，且端口阻抗PORTZ0一般都设为纯电阻50欧，也就是说求解后观察端口PORTZ0时它会一直是50欧不会变化。最后lumped port没有端口平移，也就是去嵌（deembedding）。其实这个lumped port在我看来和SIWAVE的port很是相似，大家可以比较一下。
接下来说说wave port，wave port翻译过来就是波端口的意思，wave port的激励称做本征波，比如微带线馈源提供的准横电磁波TEM波，它加在一个横截面（剖面）上，wave port有个很特别的地方就是它的端口阻抗PORTZ0，当加了wave port后对PORT进行做不归一化处理时，那么求解器在求解时把该端口看作一个半无限长均匀传输线，该传输线具有与端口相同的截面和材料，利用2D特征模求解器可以求得对应模式的特性阻抗即等于端口阻抗PORTZ0，也就是说不管在哪个频率上求得的端口阻抗在端口处与被测网络是完全匹配的，信号在端口处不会发生任何反射。另外当我们假设导体模型为理想导体时，我们可以不需要建立地平面，也就是参考平面，软件会将介质边界处当做Perfect Conductors来处理，端口的设置中仅仅需要指定导体就OK。如果我们需要研究导体铜的影响，我们可以将导体定义有限电导体边界(Finite Conductors Boundary)来仿真。再顺便插一句，其中铜箔粗糙度的仿真就在定义有限电导体边界这个对话框里有设置。最后wave port可以进行端口平移。
最后让我们简单总结下wave port与lumped port的区别：
lumped port：加在一个点或者一个面上；需要指定导体和参考平面；端口阻抗一般为设为50欧为一定值；可以加在材料不连续区域或者结构内部，没有端口平移操作。
wave port：加载一个横截面（剖面上）；在某些情况下不需要指定参考平面；端口阻抗可以设为归一化某个值或者非归一化；只能只应用于暴露在背景中的表面，可以进行端口平移操作。
最后再啰嗦下，我个人觉得能用wave port就用wave port，毕竟支持端口平移和端口阻抗计算，实在没法用的情况下再用lumped port。另外lumped port只考虑单次模情况，忽略了可能会激发出来的高次模情况。
来一张表格，大家能看的对比很清楚些，图4

继续在这里顶阿笨 ：）

坐等阿笨更新，顶！

坐等继续更新。

2.两种port的操作用法
首先，網際星空_電子站（
http://home.educities.edu.tw/oldfriend/
）的前辈对这两种port的基本用法和一些注意点描述的非常清楚，大家可以去那边看一下，我底下仅仅对微带线和带状线如何下wave port和lumped port做个简单的介绍。
1.微带线下wave port
如图5所示，首先在背景的表面上画一个sheet，也就是长方形，长方形的高度需要为导体与参考平面的6-10倍，宽度大约为导体宽度的5倍左右，以保证wave port足够的大，能覆盖到导体周围的磁力线，减小仿真偏差，另外要保证port能够同时接触到参考平面和导体。

然后选中刚才所画的sheet，点击右键选中则“assign excitation”里的“wave port”然后在对话框里选好参考平面就OK了，见图6所示。

2.微带线下lumped port
如图7所示，同样需要画一个sheet，不过这个sheet没有高度宽度要求，但是它需要一边接触导体，一边接触参考平面，注意下sheet不要接触到空气盒（airbox），不然仿真时可能会报错

然后选中刚才所画的sheet，点击右键选中则“assign excitation”里的“lumped port”然后在对话框里选好参考平面就OK了，见图8所示

3.带状线下wave port
如图9所示，首先在背景的表面上画一个sheet，长方形的上下边顶到两个参考平面的边界，长方形的宽度大约为导体宽度的5倍左右，以保证wave port足够的大，能覆盖到导体水平方向的磁力线，另外要保证port能够同时接触到两个参考平面和导体。

然后选中刚才所画的sheet，点击右键选中则“assign excitation”里的“wave port”然后在对话框里选好两个参考平面就OK了，见图10所示。

4.带状线下lumped port
带状线下lumped port比较特殊点，因为有两个参考平面。最好下port之前将导体内缩一点以便下port，也就是说导体的边界比参考平面稍微短一点，然后在参考平面间画一个sheet，上下边必须要同时接触到两个参考平面 ，如图11所示，然后选中该sheet点右键选择“assign boundary”里的“Perfect E”设为理想电边界。

接着类似于微带线下lumped port的做法，再画一个sheet，平行于参考平面，且垂直并接触导体和刚才设置的理想电边界，如图12所示。

选中刚才所画的sheet，点右键选中则“assign excitation”里的“lumped port”然后在对话框里选好参考平面（刚才设置的理想电边界）就OK了，如图13。

OK，这一章结束，下一章我们将聊聊归一化的问题

阿笨加油！

又更新了

3.归一化的问题
学习S参数必然要提到归一化，归一化的问题在刚开始的接触的时候可能确实不太好理解。大家要是有兴趣的话可以去专门的微波论坛上搜索一下“归一化”，你会发现好多人在提问“归一化”这个问题。其实这个问题没有那么复杂，我把大家感到疑惑的地方先总结成三个方面：
1.归一化对S参数有什么影响
2.为什么要归一化
3.如何进行归一化
1.归一化对S参数有什么影响
首先理解下“归一化”里的“一”指的不是数值1，而是统一的意思。那归一化其实就是归类统一的意思，那到底要统一什么量呢？对，它统一的是端口阻抗。
在第一章里我们说过S参数的值和它的端口阻抗有关系，准确的说，S参数应该表述为“在端口阻抗为portz（portz可以是变量可以是常数）的条件下测得的S参数”。很显然随着端口阻抗portz变化，那么测出来的S参数同样也会发生变化。
我们先来看一下同一个网络，在端口阻抗设分别设为50欧和75欧时跑出来的S11曲线的差别，如图14

明显看出来两个曲线的差别，那么它们到底哪一个是正确的S11曲线呢?
其实，这两个S11曲线都是正确的,上面说过S参数其实在一定的端口阻抗条件下测出来的值，两种S11曲线只不过是两种不同情况下的表示方法而已，它们所描述的网络其实还是那个网络。打个比方，比如一条狗，中国人说这个动物叫“狗”，美国人说这个动物叫“dog”，那么这个动物是叫“狗”正确还是叫“dog”正确呢，很显然都没有错，狗还是那条狗，只是在不同的情况下叫法不一样而已。
可能大家会问，既然端口阻抗变化后导致了S参数的变化，那么导出来的S参数里回包含端口阻抗的信息么，比如S参数经常要用到时序链路仿真里去，你得告诉仿真软件我这个S参数是在哪种端口阻抗条件下得到的。OK，S参数的touchstone格式文件里面确实会包含端口阻抗的信息，如下图15所示，大家有兴趣可以随便找一个S参数文件翻翻。

上面图片中从左到右Hz表述扫频的正弦波的单位，S代表该文件为S参数，db代表S参数的表示形式， R 50则是代表端口阻抗为50欧。
另外我们看一个特例，就是第一章我们说的wave port不进行归一化处理时，它的端口阻抗会随着频率不停的改变且始终和被测网络接触处阻抗匹配，也就是说这样得到的的S参数没有端口间的相互作用；一旦对它进行全频带的归一化后得到的S参数就包含了各个端口间的相互作用，也就说在整个频带端口阻抗将和被测网络接触处阻抗不匹配了。对于均匀的微带线或者带状线来说，不归一化时得到的端口阻抗其实就等于特性阻抗。
OK，关于归一化对S参数的影响相信大家能够理解了。在某些时候特定的场合，需要将S参数做归一化处理，这就是我们底下要说的内容，为什么要归一化。
2.为什么要归一化
在实际测试中使用的一些工具，比如矢量网络分析仪，它在测试网络的S参数时在端口的地方固定使用的测试线缆或者接头是50欧的，那么它测出来的S参数就表示在端口阻抗为50欧的情况下测得的。
我们再回头看看HFSS仿真时加的wave port要是不做归一化时它的端口阻抗是不停变化的，显然为了对比实际测试和仿真的结果，端口阻抗不归一化到50欧是没有什么意义的。打个比方，比如两组数，第一组为1/3,2/3,4/3，第二组为：2/6,6/9,16/12 ,假设我们把分子看作是端口阻抗,分母看着是S参数，第一组数看作是矢量网络分析仪测得的数，它的端口阻抗都为3，第二组数为仿真得到的数，它的端口阻抗为6,9,12，在不停的变化。我要对比这两组数，那我肯定得先将第二组数分子都转成3才好对比，则将第二组数变为：1/3,2/3,4/3,这样就好对比了。这仅仅是打个比方，实际转化比这个要复杂的多。
这里只是举个例子，不是说所有实际的端口阻抗都是归一化到50欧，主要是大家听说归一化到50欧的情况太多了，多少会有点误导，归一化的值根据实际情况取舍。
另外可能有一些时域链路的仿真软件需要端口归一化到50欧，其实归一化就是为了某些特定情况的要求。接下来我们说说如何进行归一化。
3.如何进行归一化
先简单说下归一化的原理，这里就得提到Z参数，大家都知道Z参数是阻抗矩阵，可以由S参数转化而来。Z参数的值和S参数不一样，它是不会随着端口阻抗的变化而变化的，先看一下Z参数由S参数转化的公式，图16

上式中Zn为端口阻抗，U为单位矩阵
正是由于Z参数与端口阻抗无关，所以可以利用这个特性来进行归一化，图17

具体的推导过程大家可以找相关的书籍看一下，底下我们具体说一下软件里面怎么操作
软件里面其实很简单，对于wave port来说，先选择单个port，然后填上要归一化的阻抗，如50欧，75欧等等，图18所示

然后再点击图19处位置，在对话框在图示的位置选中归一化就OK了，再插一句，底下那个去嵌功能就是端口平移，只有wave port才有，可以帮我们节省很多时间

对于差分S参数归一化则需要在定义差分端口处设置，如图20所示，在“Excitation”上右键选中“Differential Pairs”

然后在图21所示的红框里修改差分阻抗和共模阻抗就OK了。

对于lumped port来说操作方法和wave port类似，这里就不重复说明了。
总结一下归一化的内容：
1.S参数的值会随着端口阻抗的变化而变化，但是每一种情况下的S参数都可以正确的描述网络特性
2.S参数归一化是为了满足某些特定场合的需求
3.wave port非归一化时在整个频带内端口处都是匹配的，得到的是没有端口间的相互作用的S参数。
参考文献：
HFSS FULL BOOKV10
高级信号完整性技术
網際星空_電子站（
http://home.educities.edu.tw/oldfriend/
）

谢谢 楼主 学习了

先看，后回。
不错，尤其是阻抗变换是很有用处的，比如对于85或90欧系统。

看看楼主的心得

顶阿笨

晕，回复一下