5.3.1 波端口激励 （wave Port）

     默认情况下，HFSS 中与背景相连的物体表面都默认设置为理想导体边界，没有能量可以进出，波端口设置在这样的面上，提供一个能量流进/流出的窗口。波端口激励方式常用于 波导结构、带状线结构以及共面波导结构等模型的仿真计算。与背景相接触的端口，激励方 式一般都设置为波端口激励。

   HFSS 仿真器假定用户所定义的每一个波端口都和一个半无限长波导相连，该波导与波 端口具有相同的横截面和材料属性。同时，定义成波端口的平面必须有一定长度的均匀横截 面，以保证截止模的逐渐消失，从而确保仿真计算结果的精确性。以图 5.23 为例，左侧的波 导模型波端口设置是不正确的，因为该波导的两端都没有均匀横界面的部分；为了正确建模， 需要在波端口处添加足够长度的均匀横截面。

图 5.23 波端口的横截面

    1．端口处的激励场

    HFSS 假定用户定义的每一个波端口都连接有一段与端口横截面相同的均匀波导，因此激励场是沿着与端口相连的波导内传输的行波场，假设端口横截面位于xy 面，电磁波沿着 z 轴方向传播，则激励场为 

    式中，R是复数或者复变函数的实部；E(x,y)是电场矢量.

    2．波动方程

    波导内传输的行波的场模式可以通过求解 Maxwell 方程组获得，下式给出了由 Maxwell 方程组推导出的微分形式的波动方程，即

   HFSS 求解该方程后，可以得到激励场模式的解 E(x, y)；这些矢量解独立于 z 和 t，在这些矢量解后面乘上因子e后就变成了行波。

    3．模式

     对于给定横截面的波导或传输线，特定频率下有一系列的解满足相应的边界条件和麦克斯韦方程组，每个解都称为一种模式（Mode），或者说一种波型。通常，模式是根据电场和磁场沿导波系统传输方向上有无分量这一情况来命名的，假设导波系统沿z 轴放置，上述分量是指 z 向的电场分量 Ez和磁场分量 Hz。对于 Ez=0，Hz=0 一类的模，称之为横电磁模，即 TEM 模；对于 Ez=0，Hz≠0 一类的模，称之为横电模，即 TE 模；对于 Ez≠0，Hz=0 一类的模，称之为横磁模，即 TM 模。

    默认情况下，HFSS 只计算主模，即模式1。但是某些情况下，计算中考虑高阶模式的影响是必须的。例如，在一个端口的模式1（主模）经过某个结构传输到另一个端口变为模式2 时，这时我们就有必要计算模式 2 下的S 参数；也可能存在这样一种情况，在单一模式的信号激励下，由于结构的不连续性而引起高次模的反射，如果这些高次模被反射回激励端口或者传输到其他端口，则在计算 S 参数时也需要考虑这些模式。

    4．端口校准和积分线

   对于模式驱动求解类型，设置波端口激励方式时，波端口需要被校准以确保结果的一致性。校准的目的有两个：一是确定电场的方向，确保结果的一致，我们知道，对于任意一个波端口，在t = 0 时刻电场都有正负两个方向，HFSS 通过设置积分线（Integration Line）可 以指定电场的参考方向，积分线的箭头指向即为电场的正方向；二是设置积分线作为电压的 积分路径，计算端口电压，进而计算由电压形式定义的端口特性阻抗 Zpv或 Zvi。 对于有多个模式问题的求解，在定义波端口时每个模式都需要设置一个积分校准线。

    5．S 参数的归一化

    导波系统可能存在多个模式， HFSS 中定义波端口来求解问题时，每个模式在波端口处都是完全匹配的。每个模式的 S 参数在波端口处将会根据不同频率下的特性阻抗进行归一化处理，这种类型的 S 参数称为广义 S 参数。

    而在实际测量时，如使用矢量网络分析仪测试器件的 S 参数，测量端口通常不是完全匹配的，高频测量仪器测试端口的特性阻抗一般都是50欧姆，为了使 HFSS 仿真计算的结果和实验测量结果保持一致，HFSS 仿真计算得出的广义S 参数必须用常数阻抗（如 50欧姆）进行归一化处理。在波端口的设置过程中可以定义归一化的阻抗值。

    为了计算对于指定阻抗的归一化S 参数，HFSS 首先计算出设计模型的阻抗矩阵，即

式中，S是n*n 维的广义 S 矩阵；I是n*n 维的单位矩阵；Z0是n*n 维的对角矩阵。每一端口的特性阻抗作为对角矩阵的值，该特性阻抗由 HFSS 自动计算得出。

    归一化的 S 参数矩阵可由下式计算：

    6．端口平移（去嵌入功能）

    HFSS 中的 Deembed 功能可以简单地理解为端口平移功能，即平移端口到新的位置，然后计算出相应的 S 参数结果。Deembed 功能只影响数据后处理的结果，使用 Deembed 功能将端口平移到新的位置后，HFSS 不需要重新运行仿真计算。在设置端口平移距离时，正数表示端口平面向模型内部移动，负数则表示端口平面向外延伸。

    假设有一个三端口器件，端口平移前 S 参数矩阵为 S，端口平移后新的S参数矩阵为Sdeembed，则有

    7．终端线

    对于终端驱动的求解类型，终端 S 参数反映的是波端口节点电压和电流的线性叠加，通 过波端口处的节点电流和电压可以计算出端口的阻抗和 S 参数矩阵。 对于HFSS11 以前的版本，终端驱动求解类型在定义波端口时需要用户手动设置终端线 （Terminal Lines）作为电压的积分路径，HFSS 根据设定的终端线计算端口的节点电压。很多 时候确定端口的电压积分线是困难的，手动设置这样的终端线是费时费力的一件事。因此， 在 HFSS11 版本中，端口终端线的设置做了改进，由用户手动设置终端线作为电压积分路径 计算节点电压，改为系统自动设置终端线作为磁场的积分路径计算节点电流。