CST仿真:微带传输线 - 本征模 - 衰减常数与S21插损

射频百花潭 2021-09-18 00:00

    这期说说Alpha。α 是衰减常数(attenuation constant),表示波损耗,和S21插损相关,但这几个量很多人还是搞不清楚。


    首先,S21和插损Insertion Loss严格上讲是不一样的,但是非常相近,所以很多时候通用就通用了。初学者对Alpha的理解往往比较混乱,单位是什么?有没有dB?计算需要一条传输线线还是两条?你就说头大不?甚至本征模也可以计算α ,听说过么?


    先澄清下文中用到的定义:


α 的单位是Np/m, 乘上8.685就变成了dB/m,广义上的α 就是某个数每单位距离。


S21(dB) = 20log(S21(linear))


L, L1, L2 是传输线长度,单位都是米。

直接上表:CST中计算α 的8个方法: 

我们准备两条有铜损和介质损的传输线,依次验证这些计算方法:             

40mm 长



60mm 长

 

方法一


这种方法比较简单,假设S21代表整条传输线的衰减,那么在计算好S21后,可直接用后处理计算,不同长度α 相同:



方法二


这个和方法1一样,只不过是线性计算式: 


方法三

这个适用于只有两个不同长度的S21相减才能表征传输线的损耗的情况。



方法四


同方法3一样,只不过是线性式:



方法五


这个方法是直接用后处理S-parameters -> Extract TL Properties from S-parameters自动给出传输线属性结果,其中结果之一就是Power Attenuation功率衰减:



所用公式更完整,考虑到了S11回波损耗,不再是简单的S21了,这个就是插损。单位是1/mm,也可手动转化成1/m: 



方法六


其实后处理S-parameters -> Extract TL Properties fromS-parameters自动给出Alpha和Beta, 所以Alpha就是Gamma的实部:

但是这个单位是Np/m, 可以换成dB/m进行比较:


以上这些方法的前提都是S参数要计算准确,所以传输线模式要控制好。下面的方法7比较特殊,只需要传输线单元仿本征模就可以了,有时候更容易一些: 


方法七


公式如下:

需要群速度,角频率,品质因子Q。

与本征模仿真慢波结构单元基本相同,传输方向是周期结构。

扫描角为phase:

 

求解器不计算损耗,留给后处理: 

先添加本征模后处理,获得Q:

运行慢波结构macro: 

参数扫描开始: 

仿真结束后,可看Q值品质因子: 

将Q值对phase变成一条线,也将模式频率对phase变成一条线:


获得Q对频率的曲线:


再提取一条频率对频率的曲线:

 

将这三个量组合成Alpha:


与其他方法获得的Alpha基本相同: 

 

方法八


有些老版用户可能知道有个宏也可以计算Alpha和Beta,代码比较老,不推荐用。 

 

最后一个问题,dB/m与1/m 直接的换算: 

α (dB/m) = 10log(α (1/m)) 


小结: 

1) 可用S21或俩S21的差计算Alpha;

2) 可用插损计算Alpha; 后处理自动得到

3) 可用本征模计算Alpha; 有时比S21更方便容易, 比如复杂周期性的慢波结构。 


声明:


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