Сосредоточенный порт

Назначение

Сосредоточенный порт предназначен для локального возбуждения электромагнитного поля в ограниченной области модели. В отличие от волноводных портов, которые описывают распространение мод в линии передачи, сосредоточенный порт задает возбуждение между двумя проводящими областями, гранями или контактными площадками.

Сосредоточенный порт применяется в тех случаях, когда источник сигнала можно представить как локальное напряжение или локальную подводимую мощность между двумя электрическими узлами модели.

Типичные задачи, в которых используется сосредоточенный порт:

• питание и возбуждение антенн;
• моделирование подключения коаксиального фидера без построения полной геометрии коаксиального кабеля;
• возбуждение микрополосковых и полосковых структур в месте локального подключения;
• анализ малогабаритных СВЧ-устройств;
• моделирование разрыва между двумя проводниками;
• расчет входного сопротивления локально возбуждаемой структуры.

В САПР "ГАММА" сосредоточенный порт относится к группе условий «Возбуждения и порты», поскольку он выполняет функцию источника электромагнитной энергии и используется для ввода сигнала в расчетную область.

Физический смысл

В реальной конструкции источник сигнала подключается к устройству через проводники, контактные площадки, коаксиальный разъем, микрополосковую линию или иной фидер.

В ряде случаев нет необходимости моделировать всю геометрию источника и подводящей линии. Вместо этого можно задать сосредоточенный порт между двумя проводящими областями:

• сигнальным проводником;
• опорным проводником.

Например, при питании печатной антенны сосредоточенный порт может быть расположен между печатным излучателем и плоскостью земли. Такой порт имитирует локальное подключение генератора к антенне.

Физически сосредоточенный порт задает разность потенциалов между двумя областями и создает электрическое поле в направлении от одного контакта к другому. В результате в модели возникают токи проводимости и электромагнитное поле, соответствующие заданному возбуждению.

Когда использовать сосредоточенный порт

Сосредоточенный порт рекомендуется использовать в следующих случаях:

• необходимо локально возбудить структуру между двумя проводниками;
• требуется быстро задать питание без построения полной геометрии фидера;
• область подключения мала относительно длины волны;
• требуется рассчитать входное сопротивление антенны или локального элемента;
• необходимо оценить коэффициент отражения от точки питания.

Примеры корректного применения:

• питание печатной монопольной антенны между дорожкой и землей;
• возбуждение щели в металлическом экране;
• подключение к малой рамочной антенне;
• питание патч-антенны через локальный зазор;
• подключение между двумя контактными площадками печатной платы.

Когда не следует использовать сосредоточенный порт

Сосредоточенный порт не рекомендуется использовать в следующих случаях:

• необходимо точно описать распространение мод в линии передачи;
• порт расположен на торце коаксиальной, микрополосковой или волноводной линии значительной длины;
• требуется учет высших типов волн;
• область порта сравнима с длиной волны;
• поле в области подключения существенно неоднородно;
• необходимо получить точный модальный импеданс линии передачи.

В таких случаях следует использовать волноводный порт: коаксиальный или прямоугольный, в зависимости от типа линии передачи.

Создание сосредоточенного порта в САПР "ГАММА"

Требования к геометрии порта

Сосредоточенный порт должен соединять две электрически различные области:

• сигнальную область;
• опорную область.

Порт не должен быть изолированным объектом, не связанным с проводниками. Также не рекомендуется размещать порт в произвольной точке диэлектрика без физически понятного пути протекания тока.

Создание порта

Для назначения сосредоточенного порта в САПР ГАММА рекомендуется использовать следующую последовательность действий:

1. Заранее определить геометрическую область, на которую будет назначен порт.

   В зависимости от модели это может быть:

   • грань;
   • пара граней;
   • ребро;
   • линия между двумя точками;
   • зазор между проводниками;
   • специально созданная вспомогательная поверхность.

   Чаще всего требуется создать небольшую прямоугольную поверхность между сигнальным и опорным проводником. Это снижает вероятность ошибки при назначении условия.

   На рисунке ниже приведен пример прямоугольной поверхности между двумя проводниками, на который далее будет назначено возбуждение.

   

2. Убедиться, что сигнальный и опорный проводники имеют корректные материалы.

   Оба материала должны быть проводниками. Это значит, что объемная проводимость не должна быть равна 0. Значение объемной проводимости можно проверить в дереве проекта, перейдя в папку Материалы и нажав на назначенный материал. Внизу появится окно Свойства, в котором можно увидеть значение объемной проводимости.

   

3. Открыть вкладку Решение.

   

4. Выбрать Возбуждение.

   

5. В окне Назначить возбуждение выбрать Сосредоточенный порт.

   

6. В 3D-области указать область назначения порта, нажав на нее. Если все сделано правильно, то на выделенной области появится стрелка, указывающая на направление порта.

   

7. Задать направление порта. Обычно направление задается от сигнального проводника к опорному проводнику. Если направление задано наоборот, физическое распределение поля может остаться эквивалентным, но знак напряжения, фаза и интерпретация результатов могут измениться.

   Направление изменяется кнопкой Направление вращения в окне Назначить возбуждение.

   

8. Указать опорное сопротивление.

   По умолчанию стоит наиболее распространенное значение:

   Z0 = 50 Ом

   Но для некоторых специализированных задач могут использоваться другие значения:

   Область применения	Возможное значение
   Стандартный СВЧ-тракт	50 Ом
   Телевизионные и антенные кабельные системы	75 Ом
   Дифференциальные линии	100 Ом
   Специальные согласующие цепи	По расчету

   Если пользователь не уверен в выборе сопротивления, рекомендуется начинать с 50 Ом, а затем анализировать входной импеданс структуры.

   

9. Сохранить условие, сначала нажав Применить, а затем ОК.

   

10. Проверить корректность назначения в дереве проекта в папке Условия в группе Возбуждения

    

Типичные ошибки при назначении

Ошибка	Причина	Возможное последствие	Рекомендация
Порт назначен только на один проводник	Не выбрана опорная область	Нет корректного пути тока	Указать сигнальный и опорный проводники
Порт расположен в воздухе	Не подготовлена область подключения	Возбуждение не имеет физического смысла	Создать зазор или поверхность порта
Неверное направление	Ошибка выбора объектов	Изменение фазы и знака напряжения	Проверить стрелку направления
Слишком большой порт	Область возбуждения сравнима с длиной волны	Искажение поля	Уменьшить область порта
Слишком малый зазор	Геометрия плохо разбивается сеткой	Ошибки сетки и сходимости	Увеличить зазор или задать локальную сетку
Неверное опорное сопротивление	Использовано значение по умолчанию без анализа	Некорректная интерпретация S-параметров	Проверить Z0 и входной импеданс
Порт рядом с резкой неоднородностью	Питание задано в неудачном месте	Паразитные локальные поля	Перенести порт в более корректную область