CH1 電磁工程理論基礎(chǔ)

電磁工程設(shè)計(jì)與仿真第一章電磁工程理論基礎(chǔ)主要內(nèi)容1.2電磁工程等效電路方法1.3電磁工程仿真問題1.1電磁場(chǎng)基本理論1.1電磁場(chǎng)基本理論一、矢量分析1.哈米爾頓算子：矢量的空間變化特征，矢性微分梯度：旋度：散度：一、矢量分析2.矢量恒等式散度定理（奧氏公式）：旋度定理（斯托克斯公式）：三大實(shí)驗(yàn)定律+天才設(shè)想=Maxwell方程場(chǎng)源關(guān)系場(chǎng)場(chǎng)關(guān)系:電磁波時(shí)變場(chǎng)靜態(tài)場(chǎng)線性關(guān)系:疊加原理理解：二、Maxwell方程組一切宏觀電磁現(xiàn)象的基礎(chǔ)1.時(shí)變場(chǎng)：2.時(shí)諧場(chǎng)：正弦或余弦復(fù)數(shù)式:瞬態(tài)式:實(shí)函數(shù)注意：時(shí)間因子3.結(jié)構(gòu)方程真空：實(shí)際：電磁場(chǎng)作用下媒質(zhì)內(nèi)部電荷的運(yùn)動(dòng)：傳導(dǎo)、極化和磁化三種形態(tài)

各種媒質(zhì)：電介質(zhì)、電導(dǎo)體、鐵磁體、鐵電體導(dǎo)電媒質(zhì)：電介質(zhì)：鐵磁媒質(zhì)：分類：均勻、線性、各向同性4.邊界條件S(1)一般媒質(zhì)邊界條件

：面電流

：面電荷

(2)理想媒質(zhì)邊界條件

L4.邊界條件(3)理想導(dǎo)體邊界條件

理想介質(zhì)理想導(dǎo)體(4)輻射邊界條件

（無窮遠(yuǎn)條件）幅值：擴(kuò)散至無窮遠(yuǎn)處等于零相位：從源向無窮遠(yuǎn)傳播的行波（球面波）（柱面波）（平面波）Im(k)<0或者：三、波動(dòng)方程無源區(qū)：

Helmhotz方程拉普拉斯算子

均勻、線性、各向同性媒質(zhì)總結(jié)：電磁場(chǎng)求解“場(chǎng)”方法1.有源問題：

邊界條件

邊界條件

邊界條件

波動(dòng)方程:

Maxwell方程:

總結(jié)：電磁場(chǎng)求解“場(chǎng)”方法2.無源問題：

邊界條件

邊界條件

邊界條件

3.靜態(tài)問題：

泊松方程

拉普拉斯方程

四、電磁波的傳播電磁波以波動(dòng)形式存在于空間中，同時(shí)有能量傳播。1.自由空間的電磁波球面波距離激勵(lì)源很遠(yuǎn)的小范圍內(nèi)，都可以近似為均勻平面波。平面波柱面波1.自由空間的電磁波沿+z方向傳播的均勻平面波的x分量：均勻平面波：xzy傳播方向xyz電場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)強(qiáng)度1.自由空間的電磁波極化：矢端電場(chǎng)矢端運(yùn)動(dòng)軌跡。傳播方向xyz線極化圓極化2.導(dǎo)行電磁波（1）TEM波2b2az

雙導(dǎo)體結(jié)構(gòu)：橫向場(chǎng)結(jié)構(gòu)與靜態(tài)場(chǎng)結(jié)構(gòu)相同。

傳播特性：

特性阻抗：2.導(dǎo)行電磁波（2）準(zhǔn)TEM波等效介電常數(shù)：傳播特性：特性阻抗：2.導(dǎo)行電磁波（3）TE/TM波主模：TE10ab截止參數(shù)：傳輸波截止波色散方程：傳輸與截止：單模傳輸：傳輸參數(shù)：“均勻”：截面尺寸、形狀和媒質(zhì)沿傳播方向不變，場(chǎng)分析。“等效”：所有線等效為平行雙線，“傳輸線理論”分析?！盎瘓?chǎng)為路”等效TE/TMTEM(準(zhǔn))TEM1.2電磁工程等效電路方法一、微波傳輸線理論有限長問題~負(fù)載源l一、微波傳輸線理論負(fù)載源長線理論：，線上V,I是位置z的函數(shù)。分布參數(shù)：，具有分壓、分流作用。I(z)U(z)U(z)+dU(z)I(z)+dI(z)傳輸線方程：

一、微波傳輸線理論無耗傳播參數(shù)：反射系數(shù)輸入阻抗駐波比(VSWR)【Γ,Γ0為復(fù)數(shù)】一、微波傳輸線理論三種傳輸狀態(tài)：行波狀態(tài)：有無反射反射大小，單向行波，負(fù)載吸收全部功率t1t2t3zz一、微波傳輸線理論駐波狀態(tài)：終端短路終端開路純電抗負(fù)載全反射，負(fù)載吸收功率為零。行駐波狀態(tài)：，部分反射，負(fù)載吸收部分功率波節(jié)波腹波節(jié)波腹波節(jié)(電壓)波腹波節(jié)波腹波節(jié)波腹(電流)一、微波傳輸線理論阻抗匹配：1.四分之一波長阻抗變換器電阻負(fù)載的匹配復(fù)數(shù)負(fù)載的匹配T12.支節(jié)匹配法單支節(jié)匹配雙支節(jié)匹配三支節(jié)匹配二、微波網(wǎng)絡(luò)理論VS元件①②③T3T2T1微波器件：傳輸線+不均勻性等效T2T1T3微波網(wǎng)絡(luò)Zc2Zc1Zc3①②③一般結(jié)構(gòu)等效方法：單模傳輸線平行雙線不均勻性

微波網(wǎng)絡(luò)微波網(wǎng)絡(luò)：外部特性（Vi,Ii），“黑盒子”。二、微波網(wǎng)絡(luò)理論網(wǎng)絡(luò)參數(shù)：阻抗矩陣、導(dǎo)納矩陣、傳輸矩陣、散射矩陣……散射矩陣：端口反射與入射關(guān)系微波網(wǎng)絡(luò)①②歸一化散射矩陣：Sii：其他端口接匹配負(fù)載時(shí)，從端口i看去的反射系數(shù)。Sij：其他端口接匹配負(fù)載時(shí)，從端口j到端口i的傳輸系數(shù)。二、微波網(wǎng)絡(luò)理論互易網(wǎng)絡(luò)：對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)：無耗網(wǎng)絡(luò)：典型網(wǎng)絡(luò)：l應(yīng)用：1.已知網(wǎng)絡(luò),求S;2.仿真S,求網(wǎng)絡(luò)；3.仿真S，移動(dòng)參考面求S’。1.3電磁工程仿真問題一、內(nèi)問題內(nèi)問題：含有輸入輸出端口的封閉空間電磁問題，包括傳輸線問題、無源器件問題、有源器件問題。

特性參數(shù)：輸入駐波比：輸出匹配時(shí)，網(wǎng)絡(luò)輸入端的駐波比?；夭〒p耗RL：輸出匹配時(shí)，輸入功率P+與反射功率P-之比。一、內(nèi)問題傳輸系數(shù)T：輸出匹配時(shí)，輸出電壓與輸入電壓之比。插入衰減L：輸出匹配時(shí)，輸入功率P+與負(fù)載吸收功率PL之比。插入相移θ：輸出匹配時(shí)，輸出波與輸入波的相位差。一、內(nèi)問題內(nèi)問題仿真方法：1.基于HFSS的全域“場(chǎng)”仿真：優(yōu)點(diǎn)：整體場(chǎng)仿真，考慮了復(fù)雜影響準(zhǔn)確度高缺點(diǎn)：仿真計(jì)算量大，存儲(chǔ)量大，計(jì)算時(shí)間長S11S21波導(dǎo)端口一、內(nèi)問題缺點(diǎn)：模型誤差，沒有高次模影響，仿真精度有限分解建模S參數(shù)2.基于ADS的“路”仿真：優(yōu)點(diǎn)：電路仿真，計(jì)算量小，存儲(chǔ)量小，仿真快。關(guān)鍵：高精度等效電路建模一、內(nèi)問題2.基于ADS的“路”仿真：一、內(nèi)問題缺點(diǎn)：主要考慮主模的特性沒有考慮不連續(xù)性間高次模相互影響分解HFSS仿真S參數(shù)3.基于HFSS和ADS的“協(xié)同”仿真：“場(chǎng)”“路”協(xié)同，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)：計(jì)算量、存儲(chǔ)量、精度達(dá)到最優(yōu)ADS仿真吸收邊界導(dǎo)體邊界二、外問題外問題：電磁輻射和散射等開放空間電磁問題?；贖FSS的場(chǎng)仿真：外向行波，無反射滿足輻射邊