波导端口代表了计算域的一种特殊边界条件,它既可以激发能量,也可以吸收能量。这种端口模拟了连接到该结构的无限长波导。波导模式从结构向边界平面传播,从而以非常低的反射水平离开计算域。
当端口中的波导模式与结构内部波导的模式完全匹配时,可以实现非常低的反射。 除了可以应用于空腔波导、同轴波导等微波结构之外,在信号仿真领域,最常见的应用即传输线结构。
一般来说,波导端口的定义需要将整个充满场的域围在传输线与端口区域的横截面上,方可采用特征模态求解器在这些边界内计算出精确的端口模态。因此,正确定义波导端口的策略在一定程度上取决于传输线的类型,尤其面对微带线结构的端口设计时,由于其为开放的结构,需要人工对计算场的区域进行计算。
以简单的微带线举例,其电磁场只存在于电流传播的垂直方向上,这种传播模式属于TEM波,其电场和磁场除空间分布扩散外,绝大部分都耦合到其正下方的金属平面中,那么如何界定其能量边界,使得将尽可能多的TEM波能量包含进计算范围内,就是波导端口设定的关键,这个边界尺寸如果设定小了,能量分布没有完全被包含,则影响计算的精度,如果设定大了,则会引入不必要的高次模,同样影响计算的结果。
一个经验法则如下,根据微带线的线宽和介质厚度,给出了其横截面上的波导端口覆盖区域的尺寸:微带线正下方,充分接触到金属参考平面的上边沿;微带线的正上方,根据线宽和介质厚度的大小比例,向上扩展5~10w不等;向左右各扩展6~10h不等。
CST微波工作室中,提供了一个计算边界扩展因子的脚本,可以省略上述手动计算的过程。
即便如此,使用时,也需要关注截止工作频率,如下图所示,对于给定的区域,5GHz时能量可以很好地包含在内,但随着频率的降低,信号波长变长,电场将会在扩散到更大的区域,1GHz时能量已经扩展到边界处,此时的区域明显就不足以包含主要的电磁场能量,因此,该扩展因子是一个范围而非定值,设计者需要根据自身的设计条件灵活进行选择。
以5GHz时为例,当扩展模态计算的数量时,可以发现除了有TEM波之外,还有一些混合模(Hybrid Mode)的存在,这些混合模既有纵向电场,又有纵向磁场,可以看成是TE模和TM模按一定比例的组合,当然是设计中不需要使用到的,因此,也就不能将其能量更多地包含进计算中,所以,场边界的设定以包含主要TEM基模能量为宜。
最后,波导端口做为一种外部端口,其使用场景具体分类如下:
1)封闭结构,如空波导、同轴线等;
2)包含多个传输模式的模型,如波导和具有奇偶次模式的差分信号;
3)端口平面在求解区域外的模型;
4)模型中包含均匀的波导或者传输线结构。