计算电磁学-第二次实验报告

本科实验报告

实验名称： 拐弯及变形圆波导的设计

拐弯及变形圆波导的设计

一、实验原理

TEM模由输入同轴波导馈入，通过90°同轴波导转换部分后，接输出同轴波导过渡段，最后由输出同轴波导输出，实现同轴波导的90°转弯；由两个同轴转弯波导可以实现180°的同轴波导转弯。在90°同轴波导转换结构中，由于同轴波导输入的TEM模将形成高阶模式，为了使输出口同轴波导为TEM模式，需要同轴波导过渡段在一定的长度内满足单模传输条件。输入口同轴波导和输出口同轴波导的内外导体大小可以通过阻抗变换来定制，因此，通过同轴转弯波导可以实现不同大小的同轴波导的转弯和连接。

本题采用了转弯波导以及变形波导的设计，探讨变形对波导传输结果的影响。

二、设计任务和技术指标

采用BY48波导，波导内截面（直径44.45mm），空间形状如下图所示，其中两端波导长60mm，拐弯90度，半径可以自定，波导横截面变大或缩小的角度为15度，长度为90mm，中间最宽处长度为30mm。形状尽量如下图所示：

1.利用CST软件按照图示建模。

2.设置相关参数，对模型求解。

1D：端口信号、S参数、驻波、特性参数。

2D/3D：端口模式、电场分布、表面电流、特性参数。

3.总结并撰写实验报告。

三、设计流程及步骤

1.建模

建立模板：

启动MWS ，首先见到“欢迎”窗

口，选中“ Creat a new project”，点

击“ OK”确认。选择Waveguide Coupler

模板并确认。

设置工作平面：

（Edit->Working Plane

Properties），将“捕捉间距”改为1。

设置单位：

（Solve->Units），将Dimensions

单位改为cm。

设置背景材料（Solve->Background

Material），由于默认PEC，此处不作

变动。

创建第一个圆柱体：

选择基本形体中的圆柱体（Objects->Basic Shapes->cylinder）。鼠标第一次单击确定圆心，第二次确定底面半径，第三次确定柱体长度。在弹出窗口中定于物体名，点击OK即创建成功。

设置旋转轴：

点击边线工具（Objects->Pick->Edge from

Coordinates）。按Tab键，弹出窗口，依次输入3，

4，确定。再按Tab键，弹出窗口，依次输入3，-4，

确定。再次弹出窗口，直接确定。（此处数值依圆

柱具体坐标而定。）

选取端面：

点击选面工具（Objects->Pick->Pick Edge）

双击长方体的底端面，将其选上。

生成旋转结构：

点击旋转工具（Objects->Rotate）输入角度

90°，命名，确定。

再次调整视角，选取物体bend的外端面。

点击拉伸工具：

（Objects->Extrude）输入拉伸高度10，命名，确定。此处拉伸高度5-15均可，为使运行速度加快，并使拉伸相对明显，此处选取拉伸高度为10。

按题目所给条件，再延长15mm。

再将各部分合为一体，选定对称面，利用镜面复制，得到完整模型。

至此，整个建模工作完成。

2.求解

设置频率范围：

（Solve->Frequency）为保证精度，最高频率一般应该设为工作频率的1.3倍。此模型是6.23*1.3=8.099，故将上频（Fmax）和下频（Fmin ）分别设置为8.5、4。

设置边界条件：

（Solve->Boundary Conditions ），因模板设定所有的边界都是电边界（electric），相当于周围都是PEC金属壁，故此处不做变动。

设置对称面：

（Solve->Boundary Conditions ->Symmetry Planes）因为电力线都垂直于XZ平面，XZ平面相当于电壁，故可以在XZ平面设置电壁（electric(Et=0))以降低一半的网格数目。

设置波导端口：

（Solve->Waveguide Ports ）选中端口的面，点击；同理再选中另一面端口。弹出窗口直接确认。

设置求解器：

（Solve->Transient Solver）直接保持原有设置，开始求解（Start solver）。

四、测量结果及分析

1.端口信号

双击NT的1D Results，将其展开，点击Port signals，在主视图可看到端口信号图。

2.S参数

S1,1

S1,2

S2,1

S2,2

3.Energy

4. E field

NT->2D/3D Results ->E-Field->e-filed，可观察电场分布（观察磁场分布同理）。

5.H field

五、实验心得

在本次实验中，我们利用CST_NWS软件实现了拐弯及变形圆波导的模拟及仿真，对在微波技术基础中学到的波导结构进行了更深层次的探讨，让我们可以将理论与实际相结合，对微波中的波导结构有了更全面的了解。

在实验中我们了解到，CST MWS微波工作室除了主要的时域求解器模块外，还为某些特殊应用提供本征模及频域求解器模块，非常便于模型的搭建与求解。这展示出了软件在较先进技术中的重要性，不仅可以模拟解决许多问题，还省时、快捷，便于计算。

希望可以开发更多这样的，可以省去大量繁杂计算的软件工具，从而对未来微波技术的发起到提速的作用。