矩形波導(dǎo)TE的仿真設(shè)計(jì)與電磁場(chǎng)分析

1、實(shí)驗(yàn)一、 矩形波導(dǎo)TE10的仿真設(shè)計(jì)與電磁場(chǎng)分析 班級(jí)： 學(xué)號(hào)： 姓名： 報(bào)告日期：一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?. 熟悉HFSS軟件的使用；2. 掌握導(dǎo)波場(chǎng)分析和求解方法，矩形波導(dǎo)TE10基本設(shè)計(jì)方法；3. 利用HFSS軟件進(jìn)行電磁場(chǎng)分析，掌握導(dǎo)模場(chǎng)結(jié)構(gòu)和管壁電流結(jié)構(gòu)規(guī)律和特點(diǎn)。二、 實(shí)驗(yàn)原理（略）2.1基本導(dǎo)波理論對(duì)由均勻填充介質(zhì)的金屬波導(dǎo)管建立如圖1 所示坐標(biāo)系, 設(shè)z軸與波導(dǎo)的軸線相重合。由于波導(dǎo)的邊界和尺寸沿軸向不變, 故稱為規(guī)則金屬波導(dǎo)。圖1 矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)本節(jié)采用直角坐標(biāo)系來分析,并假設(shè)波導(dǎo)是無限長(zhǎng)的,且波是沿著z方向無衰減地傳輸,由電磁場(chǎng)理論, 對(duì)無源自由空間電場(chǎng)E和磁場(chǎng)H滿足以下矢量亥姆霍

2、茨方程: 式中為波導(dǎo)軸向的波數(shù),E0(x,y)和H0(x,y)分別為電場(chǎng)和磁場(chǎng)的復(fù)振幅,它僅是坐標(biāo)x和y的函數(shù)。以電場(chǎng)為例子，將上式代入亥姆霍茲方程 ,并在直角坐標(biāo)內(nèi)展開,即有由麥克斯韋方程組的兩個(gè)旋度式,可以得到場(chǎng)的橫向分量和縱向分量的關(guān)系式：kc表示電磁波在與傳播方向相垂直的平面上的波數(shù),如果導(dǎo)波沿z方向傳播,則；k為自由空間中同頻率的電磁波的波數(shù)。根據(jù)兩個(gè)縱向場(chǎng)分量Ez和Hz的存在與否，對(duì)波導(dǎo)中的電磁波進(jìn)行分類。可將波導(dǎo)中的電磁波分成三類：1. 橫電磁波(TEM波)：；2. 橫電波(TE波)：；3. 橫磁波(TM波)：。2.2矩形波導(dǎo)中主模TE10傳輸模式及其場(chǎng)分布 由于矩形波導(dǎo)的四壁都

3、是導(dǎo)體,根據(jù)邊界條件波導(dǎo)中不可能傳輸TEM模,只能傳輸TE或TM模。這里只分析TE模(Ez=0，Hz)，對(duì)于TE模只要解Hz的波動(dòng)方程。即對(duì)于TE10模，根據(jù)式2可得： 圖2 矩形波導(dǎo)場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖由圖2可見,場(chǎng)的各個(gè)分量沿寬邊a只變化一次,即有一個(gè)半駐波分布,是沿窄邊b均勻分布,這是因?yàn)閙=1及n=0的緣故,故m表示場(chǎng)分布沿波導(dǎo)寬邊方向的半駐波個(gè)數(shù),n表示場(chǎng)分布沿波導(dǎo)窄邊方向的半駐波個(gè)數(shù)。對(duì)于3cm波導(dǎo)，在尺寸為 的矩形波導(dǎo)中，傳輸TE10 模，工作頻率10GHz。主要參數(shù)如下：截止波長(zhǎng)：；截止頻率：波導(dǎo)波長(zhǎng)：波阻抗：三、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1、 設(shè)計(jì)，并驗(yàn)證電磁場(chǎng)與電磁波P271頁例的矩形波導(dǎo)，計(jì)算截止

4、頻率，波導(dǎo)波長(zhǎng)，波阻抗等參數(shù)，給出基本結(jié)構(gòu)尺寸能保證TE10單模傳輸。首先開始運(yùn)行軟件：2、 使用HFSS軟件建模矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，選取合適的參數(shù)，并對(duì)其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化、仿真。（1）打開軟件，進(jìn)行一些設(shè)置。（2）設(shè)置坐標(biāo)，調(diào)整到適當(dāng)?shù)膱D形。（3）選擇一面設(shè)置端口。3、 仿真終端匹配情況下，掃頻激勵(lì)下的，參數(shù)分布以及波導(dǎo)場(chǎng)EY、HX、HZ分布，并分析。（1）進(jìn)行必要的頻率設(shè)置，并運(yùn)行得到曲線圖。（2）根據(jù)一些操作得到表面電場(chǎng)。4、 仿真終端短路情況下，一端口仍為500ohm，二端口設(shè)為激勵(lì)口，阻值設(shè)為如：50mohm掃頻激勵(lì)下的，觀測(cè)、駐波比等參數(shù)分布，并分析。5、 根據(jù)軟件設(shè)計(jì)的結(jié)果和理論分析結(jié)果比

5、較。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和理論有一些出入，主要是系統(tǒng)誤差引起的。四、 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1、 寫清學(xué)號(hào)、姓名、班級(jí)及實(shí)驗(yàn)名稱。2、 簡(jiǎn)略寫出實(shí)驗(yàn)原理，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容步驟及運(yùn)行結(jié)果，附上相關(guān)圖形，并給出必要的分析。3、 回答出思考題中的問題。4、 寫出實(shí)驗(yàn)體會(huì)。五、 思考題1、 在任何均勻?qū)Рㄑb置中傳播的波都可以分為那三種模式？答：TEM波、TM波、TE波 2、 TE10模式下矩形波導(dǎo)的截至波長(zhǎng)是多少，它的場(chǎng)分布如何？答：波長(zhǎng)為39.7mm，場(chǎng)分布在導(dǎo)體內(nèi)部。3、 如何利用TE10模式下矩形波導(dǎo)，作為測(cè)量線？作為波導(dǎo)縫隙天線時(shí)，開槽如何選??？答：計(jì)算得出矩形波導(dǎo)的折射率，通過測(cè)量計(jì)算所求的電磁波波長(zhǎng)等因素。若作為波導(dǎo)天線，開槽應(yīng)該選擇波導(dǎo)的中間位置。六、實(shí)驗(yàn)體會(huì) 通過這次實(shí)驗(yàn)，首先是了解了HFSS軟件的基本使用方法，與此同時(shí)，我對(duì)矩形波導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)特性有了更深層次的理解，用實(shí)驗(yàn)仿真是為以后通過真正的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證定理的一個(gè)鋪墊