现在用到的HFSS最老版本是6.0,运行在Unix系统中,看起来是昂贵的高大上Sun工作站,也许10万人民币一台,但却是命令行式的建模操作。

从HFSS8.0开始,慢慢转到Windows系统,图形化界面,菜单式建模操作,当年的硬件条件:单核奔腾CPU主频大概在300MHz,运行内存1G,普通电脑大概1万人民币一台。

为了适配当时的硬件环境,兼顾仿真速度和仿真精度,HFSS缺省设置DeltaS=0.02。或者说 ΔS = 0.02。

摩尔定律,星转斗移。同样的价格,估计现在的主频升到原来的10倍,CPU到64核心,运行内存提升了100倍以上,HFSS经历了十几次版本升级,但DeltaS缺省值仍然是0.02。

关于Passes、DeltaS、仿真精度、收敛

可以用一幅图形象地描述这几个概念的关系,一看就懂:

delta-5前现的前线奔跑者(铁打的DeltaS0.02流水的HFSS版本)(1)

S参数有幅度和相位,用欧拉公式可转化为复平面上的实部和虚部,上面是用复平面内表示S参数矢量的,DeltaS自然也是矢量。

绿色粗箭头表示第n次剖分求解得到的某个S参数;

蓝色细箭头表示某个具体的模型第n-1次剖分求解得到的同一个S参数;

每一个红点都表示不同的模型在第n-1次剖分求解得到的可能的S参数(Passible S);

红色细线就表示矢量减法计算出来的DeltaS;

随着仿真次数Passes的增加,网格剖分越来越细,仿真精度越来越高,Sn越来越与真实的S参数接近,于是DeltaS模值也越来越小,也就意味着S参数越来越收敛。

Delta S定义

Delta S本质上是第n-1次求解得到的S参数与第n次求解得到的S参数之矢量差的模值的最大值。非常拗口。

公式如下:max|ΔS| = max|Sn-1-Sn|

绝对值符号表示模值,定义成一个矢量在复平面(或极坐标平面)上到圆点的距离。

下图表示设置不同的ΔS,求解得到的S参数与可能的S参数之间的关系。

delta-5前现的前线奔跑者(铁打的DeltaS0.02流水的HFSS版本)(2)

将上图右上方的红色小方框放大,并且用S参数(电压响应)模值(线性)展开成下图:

delta-5前现的前线奔跑者(铁打的DeltaS0.02流水的HFSS版本)(3)

天线振子只有一个端口,所以只看S11的ΔS,无所谓ΔS最大值max。如果是两端口的传输线,则有4个S参数,那就找这4个S参数中的ΔS最大值max。

所以单端口模型的仿真有较大的几率出现“假收敛”,因此在HFSS中要设置最小收敛次数为2或3或4,看情况而定:

delta-5前现的前线奔跑者(铁打的DeltaS0.02流水的HFSS版本)(4)

ΔS对仿真精度影响的真实案例

下图是一个网格地平面的微带线阻抗TDR仿真,随着DeltaS的不同,则阻抗有1.5欧的差异。

delta-5前现的前线奔跑者(铁打的DeltaS0.02流水的HFSS版本)(5)

下图是某模型仿真Waveport端口阻抗的情况,可见DeltaS的不同,端口阻抗有较大的误差:

delta-5前现的前线奔跑者(铁打的DeltaS0.02流水的HFSS版本)(6)

DeltaS=0.02,则端口阻抗误差达到6%。

下图是匹配良好的理想微带线的回波损耗S11与ΔS的关系:

delta-5前现的前线奔跑者(铁打的DeltaS0.02流水的HFSS版本)(7)

红色线DeltaS =0.017,仿真得到的S11=22dB,匹配良好的理想微带线来说,精度是不够的。

匹配良好的理想微带线,S11至少要优于30dB吧。

前几篇文章反复提过:25dB定向性指标的微带双线耦合器,各端口S11测试值至少要优于30dB,才不会影响测试精度。

总结

可见铁打的DeltaS = 0.02,这个缺省设置有问题。

ΔS = 0.02一般用于模型前期优化阶段的粗略仿真,效率优先;

ΔS = 0.005甚至0.002,用于后期定型投板的精细仿真,精度优先;

对于数量较少的端口,要在HFSS中设置最小收敛次数为2或3或4;

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