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[综合讨论]CST MWS如何设置波端口的Number of modes呢？

离线ytfbuaa

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0楼发表于: 2011-05-19 20:30:05

— 本帖被 hefang 执行加亮操作(2011-05-20) —

关键词： CST 设置端口

[hide=1,credit]RT。虽然用了CST很久了，也小有所得，但是从用CST的那天起，就一直被这个问题困扰着，没完全弄明白，也没有令自己比较信服的答案，最近又思考了一下，还是没有完全解决，因而想跟大家讨论下~~

根据Help文档对Number of mode的解释是：Specifies the number of modes to be calculated and used for thesimulation.这就要求用户在仿真前熟悉波端口中可能存在的模式数，但是对于初学者或者对于特殊形状的波端口来说如何预知可能存在的模式数这个就比较难了，那么我们这时候应该怎么设置波端口的模式数呢？
按照《Waveguide Port Overview》中的说明
Port Modes

CST MICROWAVE STUDIO® solvers generallyallow using more than just the fundamental mode in the waveguide port. Thisbecomes especially important when higher order modes need to be taken intoaccount.
In the pictures below, the first threemodes of an empty waveguide are shown, sorted by their respective cutofffrequency. The number of propagating modes vary due to the chosenfrequency range. As a rule, the number of modes to be considered at a waveguideport should at least be the number of propagating modes, because unconsideredmodes will be reflected by the port operator.
貌似Number of modes 设置的高一些比较好，因为1.文档中说至少设置数等于波导中传播的模式；2.如果设置少了，高次模会在波端口处引起反射，而设置多了只是导致仿真时间有点长。

下面以一个圆波导的案例讨论波导中模式数设置多少比较好。

图2
圆波导尺寸（所有单位：mm）：内径14.2，外径16.2，长度40；
仿真频率：X波段（8.2~12.4GHz，最大、最小波长分别为24.194，36.585，中心频率对应波长29.13）

一、理论分析
根据圆波导理论，半径r=14.2的波导中，模式如下：
H11模的截止波长为 lanmdaH11=3.41*r=48.422
E01模的截止波长为 lanmdaE01=2.62*r=37.204
H21模的截止波长为 lanmdaH21=2.06*r=29.252
E11&H01（两个为简并模式）的截止波长为 lanmdaE11=1.64*r=23.288
其它模式的截止波长更小~~（参考《微波技术基础》，全绍辉，高教社）

由上面的分析可得：8.2G时的导通模式为：H11、E01。
10.3G时的导通模式为：H11、E01、H21。
12.4G时的导通模式为：H11、E01、H21。
这里需要的说明的是，H11模存在极化简并。

二、仿真分析
在这里假设自己不知道应该设置多少Numberof modes，故从1开始讨论，逐渐增加，看仿真结果的不同及变化。
1. Number of modes=1
1) 仿真端口模式：

图3
2) 系统提示：1 Warning

图4

分析：1.由图3可知仿真得到的为极化角度为0的H11模；（lanmdaCutOff=3*10^8*10^3/(6.18057*10^9)=48.5392124，近似等于前面理论计算的H11模的截止波长）2.根据系统提示，计算域中还存在简并模式，应当增加Number of modes。

2. Number of modes=2
1) 仿真端口模式：
Mode2：

图6

因为Mode1与图3基本一致，唯一区别为图上标的Accuracy为3.28406*10^-8，这里就不重复贴图了，后面相同~~.

2) 系统提示：1 Warning

图7

分析：1.Mode2与Mode1为极化简并模式，因为他们的截止频率及beta均一致，只有极化方向相互正交，且他们均为H11模；2.系统提示，时域计算中至少存在1个导通模式，增加Number of modes可能会更好些。
3. Number of modes=3
1) 仿真端口模式：
Mode3：前两个模式跟前面的一样，只有Accuracy不同，不再重复贴图了~~

图10

2) 系统提示：1 Warning

图11

分析：1.其中Mode1与Mode2与前面的一直，Mode3的电场分布与E01模相同，且截止波长为3*10^8*10^3/(8.0706*10^9=37.17195748，与理论分析计算得到的E01的截止波长近似相等。)；2. 系统提示，时域计算中至少存在1个导通模式，增加Number of modes可能会更好些。
4. Number of modes=4
1) 仿真端口模式：
Mode4：

图15

图16
Note：该模式多了个虚线框。
2) 系统提示：1 Warning

图17

分析：1.前三个模式就不在重复分析了，Mode4从电场分布来看，很像H21模，但它存在衰减常数alpha，虚线框应该就是-40dB衰减的距离；截止波长为29.32665989与H21理论计算截止波长近似相等；2. 系统提示，时域计算中至少存在1个导通模式，增加Number of modes可能会更好些。
5. Number of modes=5
1) 仿真端口模式：

Mode5：

图22

2) 系统提示：4 Warning
$^K12Wcp-

图23

分析：1.从电场分布来看，Mode4和5都像是H21模，跟Mode1和Mode2的关系非常相似，但是从提示来看这两个模式并不是简并模式或者极化简并，因为他们的传播常数不同、截止频率不同；2.Mode5的截止波长为29.29029612比Mode4更接近H21模的理论截止波长；从理论上看，在这个截止波长上没有其它模式，因而猜测Mode4与Mode5的同为H21模的极化简并模式，尽管仿真软件不这么认为。
6. Number of modes=6
1) 仿真端口模式
Mode6：

图24

2) 系统提示：3Warning

图25

分析：1.Mode6从电场分布来看为H01，截止波长为300/12.8254=23.39108332，与E11模理论截止波长相同，故应为E11；2.Mode6存在简并模式。
7. Number of modes=7
1) 仿真端口模式
Mode7：

图26

2) 系统提示：5Warning

图27

分析：Mode7从电场分布来看应为E11模，截止波长为23.38324357，与E11模理论截止波长相似；2.根据提示，Mode6或者7还有简并模式.
8. Number of modes=8
1) 仿真端口模式
Mode8：

图28

2) 系统提示：4warning

图29

分析：Mode8为Mode7的极化简并模式，并且Mode7和8与Mode6为简并模式。
三、 S参数对比

图30 cnL@j_mb

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离线jiangxuna19

菜鸟ing

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1楼发表于: 2011-05-20 07:51:33

看看哈谢谢

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ytfbuaa

rf币 +1

你也发表一下高见呗~~

2011-05-20

王乐一

离线shashazhang

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2楼发表于: 2011-05-20 14:44:37

也有同样的困惑，即使是增加了端口的模式，往往也不能达到预期的目的

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ytfbuaa

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2011-05-20

离线ytfbuaa

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3楼发表于: 2011-05-20 15:15:42

回 2楼(shashazhang) 的帖子

恩，就我目前做喇叭天线来说，端口模式多少基本上没有影响，为了节省时间模式越少越好~~

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离线zqtong

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4楼发表于: 2011-05-20 17:46:53

楼主地分析非常有意思。我说一点自己的感受。
原则上来说，所有高次模都有“可能”出现。对特定的结构来说，高次模是否需要仿真我觉得可以重点考虑两点。第一输入信号是否含有高次模。比方说有时候我们需要在矩形波导中使用其高阶模传输，那么毫无疑问需要引入所需的模。其次结构中各阶模信号是否可能相互转换？如果插损非常高（例如40dB或以上），那么应该可以忽略高次模的影响。我想这个是楼主仿真中S11基本保持一致的原因吧。信号能量都集中在低次模，并且不会转换成高次模。

仿真工具仍然只是工具，不能代替人的作用。

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离线ytfbuaa

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5楼发表于: 2011-05-20 20:15:25

回 4楼(zqtong) 的帖子

1.你说的第一点还是比较认同的，但是有一个问题就是，对于同轴线、矩形、圆形波导这种我们可以比较清楚知道哪些模式导通或者截止，如果是比较奇特的形状呢，比如说六边形等？
2.一般情况下，大多都是主要使用基模，但是很多情况下我觉得还是应该看看其它模式所占的能量的多少的，因为一旦导通了，就有能量传输，你就不能妄下结论说能量主要从基模传输；对于采用高次模的情况，这个分析好像更加重要，因为你非常想知道自己加入1w能量后，用于传输的高阶模到底占多少能量。
3.结构中各阶模式的相互转换，其实有时候也会比较重要，但是好像也没法仿真~~一般来说，好像简并模式之间应该可以相互转换的，特别是极化简并。记得以前老师举过一个例子，圆波导中H11模本来极化角为0度，但是因为波导壁并不是理想的光滑，很有可能就发生了极化偏转，这样的话就会对测量的交叉极化产生非常严重的影响~~我们实验室测量圆喇叭的E面和H面交叉极化才-30几dB，而仿真往往-100dB以下（达到数值噪声的量级了），不知道是不是这种原因~~

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离线zqtong

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6楼发表于: 2011-05-20 21:02:30

Re:回 4楼(zqtong) 的帖子

引用第5楼ytfbuaa于2011-05-20 20:15发表的回 4楼(zqtong) 的帖子 : OSQt:58K
1.你说的第一点还是比较认同的，但是有一个问题就是，对于同轴线、矩形、圆形波导这种我们可以比较清楚知道哪些模式导通或者截止，如果是比较奇特的形状呢，比如说六边形等？ _1z|QC
回：我想常规形状都有公式，其他的需要借助仿真工具可能比较方便。
2.一般情况下，大多都是主要使用基模，但是很多情况下我觉得还是应该看看其它模式所占的能量的多少的，因为一旦导通了，就有能量传输，你就不能妄下结论说能量主要从基模传输；对于采用高次模的情况，这个分析好像更加重要，因为你非常想知道自己加入1w能量后，用于传输的高阶模到底占多少能量。 %5X}4k!p
3.结构中各阶模式的相互转换，其实有时候也会比较重要，但是好像也没法仿真~~一般来说，好像简并模式之间应该可以相互转换的，特别是极化简并。 !i0jk,[B=
回：这个为什么不能仿真啊？比方说port 1有两个模，那么S1(1)1(2)就是两个模之间的转换关系，或者说插损吧。
记得以前老师举过一个例子，圆波导中H11模本来极化角为0度，但是因为波导壁并不是理想的光滑，很有可能就发生了极化偏转，这样的话就会对测量的交叉极化产生非常严重的影响~~我们实验室测量圆喇叭的E面和H面交叉极化才-30几dB，而仿真往往-100dB以下（达到数值噪声的量级了），不知道是不是这种原因~~ ];bl;BP
回：这个和天线测量的情况类似，仿真往往小的不可计量，而测量是不可能达到那么小的数值的。这个不仅仅和噪声有关，还有测量工具所能达到的极限。不过30dB应该非常小的，矩形波导的匹配负载也就能达到最小回波-30dB左右。
~|j:xM(i

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ytfbuaa

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2011-05-20

离线学习良友

爱赢才会拼

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7楼发表于: 2011-05-20 21:30:29

路过来学习的！

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8楼发表于: 2011-05-20 21:54:02

回 6楼(zqtong) 的帖子

1.第一个你说的很对，其实每个导通模式都只有beta，而截至模式往往会有alpha和Dis -40dB，从Mode4开始的~~
2.S1(1)1(2)就是两个模之间的转换关系？S11的定义应该是1端口激励，其他端口匹配的情况下，1端口的出波与入波之比，其实就是一端口的反射系数gama。S1(1)1(2)的定义应该就是1模式激励，得到的模式2的反射波，这个跟模式1和2的转换应该没有必然联系的吧，并不能说明他们之间能量转换了多少。
3.我们用的安捷伦的矢网，精度应该在-100dBm以下，而测量得到的交叉极化在-80dBm左右，应该没达到噪声影响的地步，因为我们之前适当的加大了发射功率~~至于驻波我们精度没要求那么高，只是满足-10dB就行，比较easy所以不太关注~~

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hefang

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2011-05-21

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9楼发表于: 2011-05-20 22:59:28

我确实说的不对，应该说你设置2端口，然后S1(1)2(2)是两端口之间不同模式信号的差损。

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ytfbuaa

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2011-05-20

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