微波技术与天线实验报告-利用HFSS仿真分析波导膜片2

HFSS 仿真分析波导膜片1. 实验原理矩形波导的结构（如图1），尺寸a×b, a>b ，在矩形波导内传播的电磁波可分为TE 模和TM 模。

图1 矩形波导1）TE 模，0=z E 。

cos cos zz mn m x n y H H e a bγππ-=2cos sin x mn c z n m x n y E H b a bj k e γπππωμ-=2sin cos z y mn c j m m x n y E H e k a a bγωμπππ-=-2sincos z x mn c m m x n y H H e k aa bγλπππ-=2cossin z y mn c n m x n y H H e k ba bγλπππ-=其中，c k 22m n a b ππ⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭+mn H 是与激励源有关的待定常数。

2）TM 模Z H =0，由Z E 的边界条件同样可得无穷多个TM 模。

注意：对于mn TM 和mnTE 模，m, n 不能同时为零，否则全部的场分量为零。

mn TM 和mn TE 模具有相同的截止波数计算公式，即c k （mn TM ）=c k （mn TE ）所以，它们的截止波长c λ和截止频率c f 的计算公式也是一样的，即c λ（mn TM ）=c λ（mn TE ）=222⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛b n a mc f （mn TM ）=c f （mn TE ）对于给定的工作频率或波长，只有满足传播条件（f >c f 或λ<c λ）的模式才能在波导中传播。

由公式可以看出矩形波导的c f ，c λ不仅与波导的尺寸a, b 有关，还和模指数m, n 有关。

当a, b 一定时，随着f 的改变，矩形波导可以多模传播，也可以单模传播，甚至也可以处于截止状态。

以a=23mm ，b=10mm 的空心矩形波导为例，由截止频率的计算公式22)()(21bna m f c +=με，可以计算GHz f cTE 52.610=，GHz f cTE 04.1320=，GHz f cTE 1501=，所以波导单模工作的频率范围为6.562-13.123GHz 。

波导容性膜片的仿真分析矩形波导中的金属膜片分为两类，一类为容性膜片（如图9（a ）），这种结构的膜片能储存净电磁能，具有电容的性质,其等效电路（如图9（b ））。

一类为感性膜片（如图10（a ）），其等效电路（10（b ））。

容性膜片是设置在矩形波导宽壁上的金属薄片；感性膜片是设置在矩形波导窄壁上的金属薄片。

Y=jBY0Y0图9（a ） 容性膜片 图9（b ） 等效电路Y=jB图10（a ） 感性膜片 图10（b ） 等效电路对称结构的容性膜片的归一化电纳近似计算公式为)2'ln(csc 40bb b Y B B g πλ==式中，0Y 为矩形波导的导纳；a 、b 为矩形波导横截面尺寸；a'、b'为膜片间距。

对称结构的感性膜片的归一化电纳近似计算公式为)2'(cot 20aa a Y B B g πλ-==S 参数为[]⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡+-+++-=y y yy y yS 222222 其中B j y =是膜片的归一化导纳。

2．实验步骤HFSS 仿真分析矩形波导HFSS 软件分析单模传播模式的具体步骤如下：建立新的工程 1）设置求解类型在菜单中点击HFSS>Solution Type，在弹出的Solution Type窗口中选择Driven Modal,点击OK2）设置模型单位在菜单栏中点击Modeler>Units,设置模型单位，选择mm3）画波导（1）在菜单栏中点击Draw>box（2）在右下角的坐标栏中输入长方体的起始点位置坐标X=0 ，Y=0 ,Z=0 （3）输入长方体X,Y,Z三个方向尺寸，dX:23，dY:10，dZ:50（4）在属性窗口中选择Attribute标签，该长方体的名字修改为waveguide 4）设置边界条件（1）选择波导的四个纵向面。

通过Edit>select>faces,将鼠标设置为选择面的状态（如图2）；通过按钮（旋转功能）以及ctrl键实现选择多个面，或者通过edit>select>by name（如图3），结合ctrl键选中face10、11、12、9（如图4）。

（2）将这四个面设置为理想导体边界。

可以通过点击HFSS>Boundaries>Assign> Perfect E实现，或者点击鼠标右键>Assign Boundary> Perfect E（如图5）。

图2 select faces界面图3 select by name界面图4 select face界面图5 设置Perfect E边界条件5）设置激励源wave port（1）选中波导的一个端口面（垂直于z轴的平面）；（2）点击HFSS>Excitations>Assign>Wave port，或者点击鼠标右键>assign excitation>wave port（如图6）。

（3）另外一个端口面执行同样的操作。

图6 设置wave port界面6）设置求解频率（1）在菜单栏中点击HFSS>Analysis Setup>Add Solution Setup（2）在求解设置窗口中，设置Solution Frequency：13Ghz。

7）保存工程在菜单栏中点击File>Save as8）求解该工程在菜单栏中点击HFSS>Analyze all9）画场分布图在菜单栏中点击HFSS>Fields>Plot Fields>E，电场幅度分布（如图7）。

图7 波导中电场强度幅度分布10）观察数据结果点击HFSS>Results>Solution Data（如图8），在Matrix Data项中可以查看S 参数以及Gamma等参数。

图8 查看solution data界面HFSS仿真波导容性膜片画波导：box类型，定点坐标（0,0,0），尺寸（23mm,10mm,50mm）画膜片1 （b’=0.5b）（1）在菜单栏中点击Draw>Rectangle（2）在右下角的坐标栏中输入长方体的起始点位置坐标X=23，Y=0，Z=10。

（3）输入长方体X,Y,Z三个方向尺寸，dX:-23，dY:2.5。

（4）名字改为iris1。

画膜片2（1）在菜单栏中点击Draw>Rectangle（2）在右下角的坐标栏中输入长方体的起始点位置坐标X=23 ，Y=10 ,Z=10（3）输入长方体X,Y,Z三个方向尺寸，dX:-23，dY:-2.5（4）名字改为iris2。

设置颜色透明度的方法以waveguide为例，双击waveguide，点击Transparent右侧的栏目，通过拖动比例值调整颜色的透明度（如图9）。

图9 调整颜色的透明度画完的波导膜片如图10。

设置边界条件（1）选中波导的四个长侧面设置为理想导体perfect E。

（2）选中iris1，设置为理想导体（点击HFSS>Boundaries>Assign> Perfect E）。

（3）选中iris2，设置为理想导体。

设置激励源（1）选择波导的上面端口设置为wave port（1）选择波导的下面端口设置为wave port设置求解条件HFSS>analysis setup中，将频率设置为13GHz。

点击进行计算。

图10 波导膜片画膜片上的电流矢量图(1)先将waveguide隐藏只显示两个膜片。

点击工具，将visibility下的一列waveguide的√除掉（如图11）。

图11 隐藏waveguide(2) 画场分布图同时选中iris1与iris2，点击鼠标右键>Plot Fields>J>Vector_Jsurf，出现如图12界面，点击Done，电流矢量图如图13。

图12 画电流矢量图13 电流矢量分布图(3) 演示场分布动态图右键点击Field Overlays>Animate（如图13），其它项为缺省值。

图13 选择animate通过HFSS>Results>Solution Data记录仿真的S参数。

并与式（1）中计算的理论值进行比较（如表1）。

从表中可见，仿真值与理论值基本一致，仿真方法正确。

表1 容性膜片的S参数理论值与仿真值（b’=0.5b）f S |S11| |S21| |S12| |S22|理论值0.252 0.968 0.968 0.25213GHz仿真值0.227 0.945 0.945 0.227设置变量利用HFSS的变量功能，可以将波导的尺寸设置为变量a和b，膜片之间的距离设置为变量b’，以便调整尺寸大小。

具体步骤如下：（1）设置变量a和变量b。

双击waveguide下的CreatBox（如图14），在Xsize栏输入“$a”（代表全局变量a），变量值赋为23mm（如图15）。

在Ysize栏输入“$b”，变量值赋为10mm （如图16）。

图14 waveguide下的CreatBox图15 输入变量a图16 输入变量b（2）设置膜片的变量。

将iris1的position赋为(0mm,0mm,10mm)，Xsize为$a，Ysize赋为($b-$bp)/2，变量$bp的值赋为0.5*$b（如图17）。

同样方法将iris2的position赋为(0mm,$b,10mm)，Xsize为$a，Ysize赋为-($b-$bp)/2（如图18）。

图17 iris1的变量图18 iris2的变量（3）调整变量参数。

点击Poject>Project Variables（如图19），点击Values一列的栏目可以更改各变量的值或者计算公式（如图20）图19 Project Variables图20 各变量及变量值3、实验要求以a=23mm，b=10mm的波导为例，仿真波导容性膜片（b’=0.6b），要求（1）简要概括仿真步骤（比如波导的顶点与尺寸，膜片的顶点与尺寸，边界条件设置步骤，源的设置）；（2）给出膜片上的电流矢量分布图；（3）将软件计算的S参数与理论值进行比较填入表中。

（实验报告从以下封面开始，将上面文字全部删除，实验报告可以双面打印）微波技术与天线实验报告实验名称：实验3：利用HFSS仿真分析波导膜片学生班级：学生姓名：学生学号：实验日期：2011年月日（填写实际实验日期）1. 仿真步骤（1）画图画波导。

长方体，顶点为。

，尺寸为。

，命名为。