CST入门16-波导端口特性和设置选项
波导端口中的色散材料
波导端口如果包含色散或损耗材料,例如介电基板或有耗金属,对于特定求解器会有一些限制。
Transient Solver可以考虑使用不均匀端口精度增强功能考虑材料色散。如果未激活增强功能,则使用中间频率的色散材料的常数近似计算端口模式。
Frequency Domain Solvers计算复数传播常数时,考虑端口中的有损材料。对于基于六面体网格的端口模式求解器,不支持有损金属表面阻抗模型,有损金属被视为PEC。
阻抗定义
Wave impedance:波导口的波阻抗值:所有网格点i在端口平面上横向电场与横向磁场的平均之比。
低于某个数量级的场值会被忽略以避免由小数除法引起的错误。
Z-Wave-Sigma:通过求解器日志文件中的Z-Wave-Sigma可以找到通过平均波阻抗计算的标准偏差。
Line Impedance:考虑所有导体电流进入结构的方式,分别计算每种模式下的线阻抗值
功率由端口区域的坡印廷矢量积分得到,电流则是通过在导体表面周围小距离内积分磁场得到。这与通常定义的Z=U/I不同。
Mode Calibration模式校准
电场模式通过一些特定规则校准;磁场由激励端口的功率流确定。这意味着模式图的坡印廷矢量始终指向端口辐射方向。因此在CST Design Studio中连接各种结构的端口时,可以避免产生不必要的相位差。
下面图片展示端口模式校准与电场方向的关系。在空腔波导中,电场分量方向相对于端口的本地u/v坐标系。如果端口内有内导体(适用于具有两个或三个导体的端口),则电场指向地,如下右侧两图所示(微带线和同轴)。
端口模式与端口坐标系相对应,确保CST Design Studio中的端口耦合一致性。多引脚端口模式使用引脚的电位定义确定电场分量的方向。
Calibration lines校准线
自动校准模式适用于整个端口区域,但对于四面体网格模型,可以使用校准线将模式校准限制在指定的线上,而不是使用整个端口区域。如果在端口区域中使用了非均匀材料,此方法很有用,校准线在不同的位置会导致电场产生较大变化。
Mode Polarization模式极化
两种模式共享一个传播常数时,可能会发生模式退化。根据使用的网格形式的不同,有两种方法定义退化模式极化。
圆波导存在极化问题。在下面的例子中,计算了两种传播模式。默认情况下,这些模式的方向是任意的。
六面体网格:使用六面体网格的模型,可以在波导端口对话框中定义0到360度之间的极化角。该角度参考的是第一个退化模式的E场主方向。当选择相应端口时,在端口面上会显示基模电场方向的箭头。第二个模式将垂直于第一个模式。
四面体网格:使用四面体网格的模型,可以使用“Mode Impedance and Calibration模式阻抗和校准”对话框定义退化模式的极化。为此,需要两条极化线将两个退化模式的E场主方向相互垂直对齐。如果仅为第一个退化模式定义了一条校准线,则第二个模式将与另一个垂直对齐,但可能会造成0或180度相位差。
在模式阻抗和校准对话框中按下添加按钮会打开一个“模式阻抗和校准线”对话框。可以在此对话框中分配受影响的模式和线序号。此外,还可以用选取模式的方式创建线。
每条线对应一个序号。每一行表示施加到第一列选择的模式的所有约束。polarization标签列中的数字指用于对齐退化模式的线。
EXAMPLE:圆形波导的两种TE11模
TE11模式的两种极化可以用相互垂直的向量来表示。
两个TE11模的模式图,极化方向与端口定义中的线对齐。
EXAMPLE:圆波导的5种模式。TE11模式有两种极化,分别对应两个垂直的向量。另外两条45度极化线对准退化模式TE21。TE21模式线定义在半径上,而不是直径,避免E场主方向的不确定性。
四种模式的极化方向与端口定义图中所示一致,分别为两个退化TE11模式和两个退化TE21模式。
Ensure shielding确保屏蔽
内部波导端口需要应用电或磁屏蔽以确保波导边界与计算域的边界条件的一致性。对于六面体网格,端口屏蔽等效建模为一个沿着场方向的管道,长度为两个网格单元。四面体网格则不需要网格外推。
边界条件会受到端口屏蔽的影响,导体可能会被电屏蔽短路。与磁屏蔽相比,电边界条件或PEC具有更高的优先级。此外,基于六面体网格的求解器检测端口是否包含外部区域(如同轴线自带的屏蔽)。如果是这种情况,则屏蔽端口将没有任何效果。
六面体网格视图中的波导端口
每个结构在仿真前都必须进行空间离散化也就是所谓的画网格,波导端口也是如此。端口边界不一定能正好对齐网格。所以端口的网格实际尺寸肯定比实际定义尺寸会大,扩大到外部第一个网格。如下红色为实际计算端口的大小。
在瞬态求解中波导端口模式计算需要在端口前有一些等距网格区域,即三个网格步长。一般自动化网格会自动考虑这点。如果自动化划分没有生成,则可以用局部网格设置实现等距网格区域。
Waveguide Monitors波导监视器
"Monitor only"选项可以使波导端口仅监测求解器运行期间的模式信号,不能用作激励并且不再影响场解。监测到的模式信号可用于获取有关模式分布的信息。此外,还可以检查波导定义截面处的净功率流。
单向传输线中铁氧体嵌入前后的两个波导端口监测器:
该功能目前仅适用于六面体时域求解器。
波导监测器不能使用端口屏蔽,因为屏蔽是会改变计算域的。