HFSS報告電子1405戴金航U201413750

1、電磁場與電磁波課程仿真實驗報告學(xué)號 U201413750姓名 戴金航專業(yè) 電子科學(xué)與技術(shù)1405班 院（系）光學(xué)與電子信息學(xué)院2016年11月20 日1. 實驗?zāi)康?） 理解均勻波導(dǎo)中電磁波的分析方法，TEM/TE/TM 模式的傳輸特性；2） 了解HFSS 仿真的基本原理、操作步驟；3） 會用HFSS 對金屬波導(dǎo)的導(dǎo)波特性進行仿真；4） 畫出波導(dǎo)主模的電磁場分布；5） 理解波導(dǎo)中的模式、單模傳輸、色散與截止頻率等概念。2. 實驗原理2.1導(dǎo)波原理如圖1，z軸與金屬波導(dǎo)管的軸線重合。假設(shè)：1） 波導(dǎo)管內(nèi)填充的介質(zhì)是均勻、線性、各向同性的；2） 波導(dǎo)管內(nèi)無自由電荷和傳導(dǎo)電流；3） 波導(dǎo)管內(nèi)的場是時

2、諧場。圖1 矩形波導(dǎo)以電場為例子，將上式代入亥姆霍茲方程Ñ2E+k2E=0，并在直角坐標(biāo)內(nèi)展開，即有：Ñ2E+k2E=2Ex2+2Ey2+2Ez2+k2E=2Ex2+2Ey2-2E+k2E=ÑT2E+kc2E=0其中 ÑT2E=2Ex2+2Ey2kc2=k2-2kc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kc2=kx2+ky2對波導(dǎo)中傳播的電磁波進行分析可知：1） 場的橫向分量可由縱向分量表示；2） 既滿足亥姆霍茲方程有滿足邊界條件的解很多，每個解對應(yīng)一個波形（或稱之為模式）3） kc是在特定邊界條件下的特征值，當(dāng)相移常數(shù)=0

3、 時，意味著波導(dǎo)系統(tǒng)不在傳播，此時kc=k，kc稱為截止波數(shù)。2.2 矩形波導(dǎo)中傳輸模式的縱向傳輸特性波導(dǎo)中的電磁波在傳輸方向的波數(shù)由下式給出：2=k2-kc2=2-2c式中k為自由空間中同頻率的電磁波的波數(shù)。要使波導(dǎo)中存在導(dǎo)波，則必須為實數(shù)，即k2kc2或c(ffc)如上式不滿足，則電磁波不能在波導(dǎo)內(nèi)傳輸，即截止。矩形波導(dǎo)中TE10模的截止波長最長，故稱它為最低模式，其余模式均稱為高次模。由于TE10模的截止波長最長且等于2a，用它來傳輸可以保證單模傳輸。當(dāng)波導(dǎo)尺寸給定且有a2b時，則要求電磁波的工作波長滿足a2a 2b當(dāng)工作波長給定時，則波導(dǎo)尺寸必須滿足2a b23實驗內(nèi)容在HFSS中完成

4、圓波導(dǎo)的設(shè)計與仿真，要求畫出電場分布，獲得色散曲線。模型半徑為：（班號加學(xué)號后兩位）mm1） 探討圓波導(dǎo)的橫截面尺寸發(fā)生變化時，主模（TE11模）的場分布和傳播特性如何變化；2） 探討圓波導(dǎo)的填充介質(zhì)發(fā)生變化時，主模（TE11模）的場分布和傳播特性如何變化；3） 比較圓波導(dǎo)中前兩個模式的差別（提示：TE11模和TM01模式，兩者的截止波長分別為3.41a，2.62a）4.仿真實驗步驟 1）理論計算（給出截止頻率計算過程及結(jié)果）； cTE11=2R11=3.41R=71.61mm f=CcTE11=4.19Ghz 2）模型參數(shù)（半徑，高等參數(shù)）；半徑：21mm 高：60mm4） 仿真模型（附圖說

5、明，給出仿真參數(shù)設(shè)置，比如求解頻率設(shè)置和掃頻頻率設(shè)置等等）。掃頻頻率:2Ghz10Ghz求解頻率:13Ghz(初設(shè))計算步數(shù):85.實驗結(jié)果及分析5.1 電場分布圖和磁場分布圖半徑：21mm 高：60mm1）畫出主模（TE11模）的徑向電磁場分布；圖1 主模（TE11模）的徑向電場分布圖2 主模（TE11模）的徑向電場分布2）畫出主模（TE11模）的縱向電磁場分布圖3 主模（TE11模）的縱向電場分布圖4 主模（TE11模）的縱向磁場分布3）畫出色散特性曲線（相位常數(shù)-頻率曲線）。圖5 色散特性曲線5.2 圓波導(dǎo)的橫截面尺寸變化對場分布和傳播特性的影響（TE11）5.2.1 橫截面半徑為10m

6、m圖6 10mm時主模（TE11模）的縱向電場分布圖7 10mm時主模（TE11模）的縱向磁場分布圖8 10mm時的傳輸特性曲線5.2.2 橫截面半徑為21mm圖9 21mm時主模（TE11模）的縱向電場分布圖10 21mm時主模（TE11模）的縱向磁場分布圖11 21mm時的傳輸特性曲線5.2.2 橫截面半徑為30mm圖13 30mm時主模（TE11模）的縱向磁場分布圖14 30mm時的傳輸特性曲線5.3 圓波導(dǎo)的填充介質(zhì)變化對場分布和傳播特性的影響（TE11）5.3.1 介質(zhì)為空氣時的場分布及傳播特性曲線場分布見圖1、2、3、4圖15 介質(zhì)為空氣時的傳輸特性曲線5.3.2 介質(zhì)為Al2O3

7、（約9.8）時的場分布及傳播特性曲線圖16 介質(zhì)為Al2O3時主模（TE11模）的徑向電場分布圖17 介質(zhì)為Al2O3時主模（TE11模）的徑向磁場分布圖18介質(zhì)為Al2O3時主模（TE11模）的縱向電場分布圖19 介質(zhì)為Al2O3時主模（TE11模）的縱向磁場分布圖20介質(zhì)為Al2O3時的傳播特性曲線5.4 圓波導(dǎo)TE11模和TM01模差別圖21 TE11模的電場分布圖22 TM11模的電場分布圖23 TE11模的磁場分布圖24 TM11模的磁場分布6.實驗總結(jié) 在本次仿真實驗的過程中，我初步掌握了HFSS這一電磁場仿真軟件的使用方法，基本完成了本次實驗要求完成的任務(wù)。在實驗過程中遇到了很多問題：首先是不清楚定義TE11模和TM11模的方法，通過詢問助教解決；其次是在仿真過程中遇到仿真時間過長的問題（基礎(chǔ)圖形的半徑是21mm，高是60mm），將高度改小解決；最后是在仿真介質(zhì)為Al2O3時的傳播特性曲線（圖20）以及半徑為30mm時的傳輸特性曲線（圖14）時圖像上出現(xiàn)很多尖峰和毛刺。在詢問助教后得