華中科技大學(xué)《電磁場與電磁波》課程仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、電磁場與電磁波課程仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)號 *姓名 Crainax專業(yè) 光學(xué)與電子信息學(xué)院 院（系） * 2016 年 11月 27 日1. 實(shí)驗(yàn)?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(jìn)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(shí)驗(yàn)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(shí)諧場。圖1 矩形波導(dǎo)以

2、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(jìn)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(gè)解對應(yīng)一個(gè)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 時(shí)，意味著波導(dǎo)系統(tǒng)不

3、在傳播，此時(shí)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(shí)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(shí)，則要求電磁波的工作波長滿足a2a 2b當(dāng)工作波長給定時(shí)，則波導(dǎo)尺寸必須滿足2a b23實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在HFSS中完成圓波導(dǎo)的設(shè)計(jì)與仿真，要

4、求畫出電場分布，獲得色散曲線。模型半徑為：4.20mm.1） 探討圓波導(dǎo)的橫截面尺寸發(fā)生變化時(shí)，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(shí)，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(gè)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(shí)驗(yàn)步驟 1）理論計(jì)算（給出截止頻率計(jì)算過程及結(jié)果）；圓波導(dǎo)中的TM波：容易得到TM模式下對應(yīng)截至頻率(c)TM01=（h）TM01/2 = 0.383a（HZ）即為TM模式下的極限頻率。圓波導(dǎo)中的TE波容易得到TE模式下對應(yīng)截至頻率(c)TE11=（h

5、）TE11/2 = 0.293a（HZ）即為TE模式下的極限頻率?？梢钥闯鰣A波導(dǎo)的主模為TE11模。 2）模型參數(shù)（半徑，高等參數(shù)）；圓波導(dǎo)的半徑為4.20mm，高為10mm代入可以得到極限頻率為20.8GHZ圓波導(dǎo)參數(shù)設(shè)置 3）仿真模型（附圖說明，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）。求解頻率設(shè)置掃頻頻率設(shè)置5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析5.1 電場分布圖和磁場分布圖1）畫出主模（TE11模）的徑向電磁場分布；徑向電場分布徑向磁場分布2）畫出主模（TE11模）的縱向電磁場分布；縱向電場分布縱向磁場分布3）畫出色散特性曲線（相位常數(shù)-頻率曲線）。5.2 圓波導(dǎo)的橫截面尺寸變化對場分布和傳

6、播特性的影響（TE11）4.2mm半徑的傳播特性4.8mm半徑的傳播特性可看出，隨著波導(dǎo)半徑的增大，極限頻率會減小。即圓波導(dǎo)半徑越大，傳輸?shù)姆秶酱蟆?.2mm徑向電場分布4.2mm徑向磁場分布4.8mm徑向磁場分布4.8mm徑向磁場分布可看出，隨著波導(dǎo)半徑的增大，場分布并無太大變化.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）"Air"介質(zhì)電場分布"Air"介質(zhì)磁場分布"Arlon 25FR (tm)"介質(zhì)電場分布"Arlon 25FR (tm)"介質(zhì)磁場分布"Air"介質(zhì)

7、下和"Arlon 25FR (tm)"介質(zhì)下的場分布有很大的不同，在后者中，波導(dǎo)可 “容納”的相同的電磁場數(shù)量更多，由圖可以看出，且當(dāng)介質(zhì)的介電常數(shù)增大時(shí)，極限頻率會降低。5.4 圓波導(dǎo)TE11模和TM01模差別TE11電場分布TM01電場分布TE11磁場分布TM01磁場分布TE11模式下和TM01模式下的場分布有很大的不同,由圖可以看出.TE11模式下的極限頻率為20.8GHZ，TM01模式下的極限頻率為27.2GHZ，兩種模式相比下，TE11模式為圓波導(dǎo)的主模。6.實(shí)驗(yàn)總結(jié)本次仿真實(shí)驗(yàn)，讓我將書本中學(xué)到的理論知識，通過軟件仿真建立模型，進(jìn)而使我對電磁波有了更加深刻的認(rèn)識，并收獲了不少東西：首先就是對波導(dǎo)的認(rèn)識更加深刻了，更加地理解傳輸模式，清楚地了解了HFSS的應(yīng)用原