实验11 波导腔体内场分析
波导仿真设计实验报告
一、实验背景与目的随着微波技术、通信技术和雷达技术的发展，波导作为一种重要的微波传输线，其设计优化对于提高微波系统的性能具有重要意义。
本实验旨在通过电磁场仿真软件HFSS，对矩形波导进行仿真设计，分析其传输特性，并对其进行优化，以达到提高传输效率和降低损耗的目的。
二、实验内容与方法1. 实验内容本实验主要包括以下内容：（1）建立矩形波导的几何模型；（2）设置仿真参数，包括介质材料、边界条件等；（3）进行仿真计算，得到波导的传输特性；（4）分析仿真结果，优化波导设计。
2. 实验方法（1）使用HFSS软件建立矩形波导的几何模型；（2）设置仿真参数，包括介质材料、边界条件等；（3）选择合适的仿真求解器，进行仿真计算；（4）分析仿真结果，包括传输线特性、损耗、阻抗匹配等；（5）根据仿真结果，对波导设计进行优化。
三、实验步骤1. 建立矩形波导的几何模型使用HFSS软件，根据设计要求，建立矩形波导的几何模型。
首先，设置波导的尺寸参数，包括内径、外径、高度等。
然后，定义波导的介质材料，如空气、介质板等。
2. 设置仿真参数设置仿真参数，包括介质材料、边界条件等。
例如，设置波导的介质材料为空气，边界条件为完美电导体（PEC）。
3. 进行仿真计算选择合适的仿真求解器，进行仿真计算。
本实验采用时域求解器，设置仿真频率范围为1GHz～20GHz。
4. 分析仿真结果分析仿真结果，包括传输线特性、损耗、阻抗匹配等。
通过分析仿真结果，了解波导的传输特性，并对波导设计进行优化。
5. 优化波导设计根据仿真结果，对波导设计进行优化。
例如，调整波导的尺寸参数、介质材料等，以降低损耗、提高传输效率。
四、实验结果与分析1. 传输特性仿真结果表明，矩形波导在1GHz～20GHz的频率范围内具有良好的传输特性。
在频率较低时，波导的传输损耗较小；在频率较高时，波导的传输损耗较大。
2. 损耗通过分析仿真结果，发现波导的损耗主要由介质损耗和辐射损耗组成。
11光波导实验
光学波导的测试及分析一、实验目的：（1）了解光学波导的基本结构和功能；（2）了解光学波导的制作过程及工艺；（3）掌握光学波导性能的测试方法。
二、实验设备：激光器1台三维调节架2个显微物镜2个光波导载物台1个波导分析仪1台三、实验原理：1、光学波导原理光学波导是集成光学所用的媒质材料，要具有一定的折射率，一般是比衬底折射率高。
这样光在其中传播就可以形成全反射，光的传播如图1所示。
光束限制在波导介质中的条件为:sinθ=n2/n1θ称为临界角。
图1平板波导的的导波原理图2、玻璃结构与离子交换机理玻璃的折射率取决于玻璃单位体积内的离子极化率，所以可以用改变玻璃成分的方法改变它的折射率。
通常玻璃的结构可理解为一些不规则的连续网状结构。
组成玻璃的物质分为三种，网络构成物，网络中间物，网络修饰物。
网络构成物一般为Si02, Ge02, B203, P2O5和AS20等。
网络构成物的含量越高，玻璃的转变温度越高。
网络中间物不能单独形成玻璃，但可以加强玻璃网络之间的联系,影响玻璃的热学、化学、力学、色散、折射率等物理化学性能。
如Al2O3、CaO 、MgO 等。
最后一种网络修饰物与网络残余键的结合相对疏松，可以降低玻璃的转变温度。
常见的有Li2O 、Na2O 、K20、Ag2O 等。
以硅酸盐玻璃为例，其基本骨架是二氧化硅(Si02)，硅原子和氧原子按硅氧四面体的方式相互结合。
在硅氧四面体中，硅的电价已经饱和了，而氧能够同时与两个硅连接在一起。
因此硅酸盐玻璃就是以硅氧四面体为基本结构单元，相互间以顶角上的氧原子连接在一起的空间配位网，故硅氧四面体又称为网格生成体。
若玻璃中还含有另一些氧化物，它们的氧离子将参加配位网结构，金属离子则无确定位置，占据着网格间的空位。
这些氧化物称为网格修饰剂。
例如，氧化钠的作用是使两个Si0四面体之间形成环的一个桥联氧离子被两个非桥联的氧离子所代替，造成玻璃结构网的局部中断，同时，钠离子占据在非桥联氧离子的网格间隙中。
实验一：T型波导内部仿真场分析与优化
实验一：T型波导内部仿真场分析与优化实验目的:理解和分析T型波导分支内部电磁场分布及优化方法。
实验内容：1.建立一个T型波导模型，利用HSFF软件求解，分析，观察T型导波的场分布情况。
2.使用HFSS进行T型波导功分器的优化设计实现，进行参数分析扫描，利用HFSS的优化设计功能实现3端口输出功率为2端口输出功率的2倍、3倍。
然后用重新设计端口激励端，使端口端2为激励端，端口3的输出为端口1的2倍。
实验原理：T型波导功分器又叫T型波导分支器，它能将波导能量从主波导中分路接出，它是微波功率分配器件的一种。
此次设计H面T型分支，使得从1端口输入的功率可以平均的分配给端口2、3，使得2、3端口的TE10波为等幅同向。
同时，通过设置隔片改变各端口的功率分配。
进行扫频设置，观察S参数曲线和电场分布。
实验步骤及结果：一、新建工程设置1．运行HFSS并新建工程双击桌面上的HFSS快捷方式，启动HFSS软件。
HFSS启动后，会自动创建一个默认名称为Project1的新工程和名称为HFSSDesign1的新设计。
从主菜单栏选择命令【File】→【SaveAs】，把工程文件另存为Tee.hfss。
然后右键单击HFSSDesign1，从弹出菜单中选择【Rename】命令项，把设计文件HFSSDesign1重新命名为TeeModal。
2．选择求解类型从主菜单栏选择【HFSS】→【SolutionType】，打开SolutionType对话框，选中DrivenModal单选按钮，单击OK按钮。
3．设置长度单位从主菜单栏选择【Modeler】→【Units】，打开SetModelUnits对话框，选择英寸（in）单位，单击OK按钮。
此时，设置了建模时的默认长度单位，即英寸。
二：创建T形波导模型1．创建长方体（1）从主菜单栏选择【Tools】→【Options】→【ModelerOptions】，打开3DModelerOptions对话框，选择Drawing选项卡，确认选中EditPropertiesofnewprimitives复选框，然后单击确定按钮。
实验指导书--介质填充波导本征模研究.docx
上机实验二:介质填充波导的本征模研究一、实验目的微波在某个特定的导波结构中是以模式的形式存在的。
模式是麦克斯韦方程组在相应波导结构截面中的本征解,所以也叫本征模。
另外,矩形波导因其加工方便,且具有损耗小和双极化特性,常用于要求双极化模的天线的馈线中,也广泛用作各种谐振腔、波长计,是一种较常用的规则金属波导。
本次实验利用HFSS/CST 平台实现介质填充的矩形波导的设计与仿真,通过改变矩形波导内部介质的形状、填充位置、介电常数及磁导率,观察其本征模的相位常数,截止波长以及横截面上的电场矢量分布的变化,并进行横向比较,总结规律。
二、实验原理现阶段,能够容易得到波导内部各参量解析解的矩形波导模型（如图1）大致为一无限长矩形截面直波导管,管的轴线与z 轴方向一致,它的内壁坐标分别为x=0,x=a,y=0,y=b,假设波导管材料为理想导体,内部填充参量为ε和μ的理想介质。
已知矩形波导内部TE 波和TM 波的场分量表达式及相关特性。
图1 矩形波导结构1、 矩形波导内的TE 模⑴．场分量表达式z E =0coscos zz m x n y H H e a b γππ-=02cos sin x c zn m x n y E H b a b j k eγπππωμ-= 02sin cos z y c j m m x n y E H e k a a b γωμπππ-=-02-sin cos c m mpx npy zH H e x k a a b γπγ= 02cossin zy c n m x n y H H e k ba b γγπππ-=-其中γ==2222222c x ym n k k k a b ππγωμε⎛⎫⎛⎫=+=+=+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⑵．TE 模的主要参数截止频率mn f ==截止波长mn mnf νλ==相位常数mn β=导波波长g λ=2、 矩形波导内的TM 模⑴．场分量表达式0coscos zz m x n y E E e a b γππ-=0z H =02cossin x czm m x n y E E k a a b eγγπππ-=-02sin cos zy c n m x n y E E ek b a b γγπππ-=-02-E sin cos c n mpx npy zHe xb a b j k πγωε=02cos sin zy c m m x n y H E e a a b j k γπππωε-=-⑵．TM 模的主要参数TM 模的主要参数均与上述TE 模的计算公式相同。
实验11 波导腔体内场分析
实验11 波导腔体内场分析一、设计要求建立一个T型波导模型，利用HFSS软件求解﹑分析，观察T型波导的场分布情况。
二、实验仪器硬件：PC机软件：HFSS软件三、设计步骤1.创建工程第1步：打开HFSS软件并保存新工程。
第2步：插入HFSS设计第3步：选择求解类型第4步：设置单位2.创建模型第1步：创建长方体第2步：复制长方体第3步：组合长方体第4步：创建间隔从而得到如下所示的模型图：3.创建模型第1步：添加求解设置第2步：确认设计第3步：分析，对设计的模型进行三维场分析求解第4步：移动间隔的位置第5步：重新进行分析重新进行3D场的分析求解4.比较结果第1步：创建一个S参数的矩形曲线图在上面矩形图中显示不同间隔的S参数曲线。
第2步：创建一个场覆盖图如下图显示，在T接头的上表面显示场的分布情况第3步：动态演示场覆盖图分别定义场间隔位置为0和0.2时候动态演示场覆盖图。
观察场分布情况，重点比较2﹑3端口场的分布差异。
具体的图形在第四步的数据记录以及分析里面有详细的演示记录。
四、数据记录及分析（1）在矩形框中间隔位置分别为0和0.2的时候，S11﹑S12﹑S13的参数曲线图：（2）分别演示在间隔距离为0﹑0.2的时候动态场分布图Ⅰ间隔距离为0时:从0deg～160deg,步进为20deg如下面依次显示Ⅱ间隔距离为0.2时:从0deg～160deg,步进为20deg如下面依次显示软件仿真的所有结果图基本都符合要求，达到预定的效果。
实验总结(一)AWR软件（1）主要功能：AWR软件是进行射频﹑微波电路设计的专业软件，也是本行业在本行业在全球范围内最主流﹑先进的工程设计软件。
其Microwave Office 套件可以设计各种射频/微波模块（MCM,SiP）﹑集成电路（MIC，MMIC，RFIC）﹑微波多层印刷电路板（PCB）﹑天线等；其VSS套件可以设计完整的端对端的通信天线，并支持硬件半实物仿真。
AWR软件界面直观，无缝连接了电路仿真器﹑电磁仿真器﹑原理图与版图﹑统计设计功能和设计规则检验工具等。
微波实验报告波导波长测量
篇一：电磁场与微波实验报告波导波长的测量电磁场与微波测量实验报告学院：班级：组员：撰写人：学号：序号：实验二波导波长的测量一、实验内容波导波长的测量【方法一】两点法实验原理如下图所示：按上图连接测量系统，可变电抗可以采用短路片。
当矩形波导（单模传输te10模）终端（z＝0）短路时，将形成驻波状态。
波导内部电场强度（参见图三之坐标系）表达式为：e ＝ey ＝e0 sin（?xa） sin?z在波导宽面中线沿轴线方向开缝的剖面上，电场强度的幅度分布如图三所示。
将探针由缝中插入波导并沿轴向移动，即可检测电场强度的幅度沿轴线方向的分布状态（如波节点和波腹点的位置等）。
yz两点法确定波节点位置将测量线终端短路后，波导内形成驻波状态。
调探针位置旋钮至电压波节点处，选频放大器电流表表头指示值为零，测得两个相邻的电压波节点位置（读得对应的游标卡尺上的刻度值t1和t2），就可求得波导波长为：?g ＝ 2 tmin－tmin由于在电压波节点附近，电场（及对应的晶体检波电流）非常小，导致测量线探针移动“足够长”的距离，选频放大器表头指针都在零处“不动”（实际上是眼睛未察觉出指针有微小移动或指针因惰性未移动），因而很难准确确定电压波节点位置，具体测法如下：把小探针位置调至电压波节点附近，尽量加大选频放大器的灵敏度（减小衰减量），使波节点附近电流变化对位置非常敏感（即小探针位置稍有变化，选频放大器表头指示值就有明显变化）。
记取同一电压波节点两侧电流值相同时小探针所处的两个不同位置，则其平均值即为理论节点位置：1tmin ＝ ? t1 ? t2 ?2最后可得?g ＝ 2 tmin－ tmin （参见图四）【方法二】间接法矩形波导中的h10波，自由波长λ0和波导波长?g满足公式：?g ＝???? 1 ? ? ??2a?2其中：?g＝3?108/f，a＝2.286cm通过实验测出波长，然后利用仪器提供的对照表确定波的频率，利用公式cλ0=确定出λ0，再计算出波导波长?g。
HFSS微波仿真实验,实验报告六合一
肇庆学院 12通信2班杨桐烁 2实验一 T形波导的内场分析和优化设计实验目的1、熟悉并掌握HFSS的工作界面、操作步骤及工作流程。
2、掌握T型波导功分器的设计方法、优化设计方法和工作原理。
实验仪器1、装有windows 系统的PC 一台2、 HFSS13.0 或更高版本软件3、截图软件T形波导的内场分析实验原理本实验所要分析的器件是下图所示的一个带有隔片的T形波导。
其中，波导的端口1是信号输入端口，端口2和端口3是信号输出端口。
正对着端口1一侧的波导壁凹进去一块，相当于在此处放置一个金属隔片。
通过调节隔片的位置可以调节在端口1传输到端口2，从端口1传输到端口3的信号能量大小，以及反射回端口1的信号能量大小。
实验步骤1、新建工程设置：运行HFSS并新建工程、选择求解类型、设置长度单位2、创建T形波导模型：创建长方形模型、设置波端口源励、复制长方体、合并长方体、创建隔片3、分析求解设置：添加求解设置、添加扫频设置、设计检查4、运行仿真分析5、查看仿真分析计算结果内场分析结果1、图形化显示S参数计算结果8.008.258.508.759.009.259.509.7510.00Freq [GHz]0.130.250.380.500.630.75Y1TeeModalXY Plot 1ANSOFTCurve Infomag(S(P ort1,P ort1))Setup1 : Sw eep1mag(S(P ort1,P ort2))Setup1 : Sw eep1mag(S(P ort1,P ort3))Setup1 : Sw eep1图形化显示S参数幅度随频率变化的曲线2、查看表面电场分布表面场分布图3、动态演示场分布图T 形波导的优化设计实验原理利用参数扫描分析功能。
分析在工作频率为10GHz 时，T 形波导3个端口的信号能量大小随着隔片位置变量Offset 的变化关系。
利用HFSS 的优化设计功能，找出隔片的准确位置，使得在10GHz 工作频点，T 形波导商品3的输出功率是端口2输出功率的两倍。
波导管与谐振腔的分析
波导管与谐振腔的分析波导管一种空心的、内壁十分光洁的金属导管或内敷金属的管子；波导管用来传送超高频电磁波，通过它脉冲信号可以以极小的损耗被传送到目的地；波导管内径的大小因所传输信号的波长而异；多用于厘米波及毫米波的无线电通讯、雷达、导航等无线电领域。
目前常见的有矩形波导管，圆形波导管，半圆形波导管，雷达波导管和光线波导管。
和波导具有相同作用的——同轴电缆波导管同轴电缆由里到外分为四层：中心铜线，塑料绝缘体，网状导电层和电线外皮。
中心铜线和网状导电层形成电流回路。
因为中心铜线和网状导电层为同轴关系而得名。
同轴电缆传导交流电而非直流电，也就是说每秒钟会有好几次的电流方向发生逆转。
如果使用一般电线传输高频率电流，这种电线就会相当于一根向外发射无线电的天线，这种效应损耗了信号的功率，使得接收到的信号强度减小。
同轴电缆的设计正是为了解决这个问题。
中心电线发射出来的无线电被网状导电层所隔离，网状导电层可以通过接地的方式来控制发射出来的无线电。
同轴电缆也存在一个问题，就是如果电缆某一段发生比较大的挤压或者扭曲变形，那么中心电线和网状导电层之间的距离就不是始终如一的，这会造成内部的无线电波会被反射回信号发送源。
这种效应减低了可接收的信号功率。
为了克服这个问题，中心电线和网状导电层之间被加入一层塑料绝缘体来保证它们之间的距离始终如一。
这也造成了这种电缆比较僵直而不容易弯曲的特性。
电磁波导中存在本征模，纵模以及横模，之所以会出现这几种模结果是因为在计算微波在介质中传输时（尤其是在波导管中）的形态、特征，根据几个主要传输模式定义的模式名称。
本征模：对波导的分析需要通过求解麦克斯韦方程组，或其推导形式，即电磁波动方程，再加上由材料及其界面性质所决定的边界条件。
这组方程有多个解。
每个解也叫做一个模，也就是本征方程组。
因此每个模的特性由其本征值决定，而本征值与波在波导中轴传播速度有关。
波导传播的模取决于波长，偏振（极化），及波导的形状与大小。
矩形波导管中的TE11模电磁波及管壁电流
矩形波导管中的TE11模电磁波及管壁电流作者：赵春然朱孟正公丕锋张金锋来源：《牡丹江师范学院学报（自然科学版）》2019年第04期摘;要：给出矩形波导管中电磁波的电场和磁场各分量表达式，并分析管内传输的电磁波的特性，重点讨论管中仅传输TE11模波的情况.采用数值计算的方式，描绘对应的场结构以及管壁上的面电流、磁场以及电场分布.关键词：电磁波;波导;面电流密度[中图分类号]O451 ;;;[文献标志码]AExploring TE11 Mode Electromagnetic Wave in aRectangular Waveguide and Wall-currentZHAO Chunran， ZHU Mengzheng， GONG Pifeng， ZHANG Jinfeng（School of Physics and Electronic Information，Huaibei Normal University，Huaibei 235000，China）Abstract：The electric field and magnetic field component expressions of the electromagnetic waves in the rectangular waveguide are given. The characteristics of the electromagnetic waves transmitted in the waveguide are analyzed. This paper focuses on the transmission of only the TE11 mode in the waveguide， using numerical calculations to depict the corresponding field structure and the wall-current， magnetic field and electric field distribution on the tube wall of waveguide by numerical calculation.Key words：electromagnetic waves; waveguide; surface current density在低頻或直流电传输时，通常采用双线传输.随着传输电流频率的提高，采用双线就会出现以下缺点：双线会把所传输的电磁能向周围空间辐射，具有天线的作用;双线传输的导体裸露在外，它本身既相当于一个辐射天线，又相当于一个接收天线，会接收空间的杂散电磁波;双线的分布电容不能忽略，以致会出现部分短路.为了克服双线的上述缺点，当需要传输较高频率的电磁能时，利用导体对电磁波的屏蔽作用，把一根导线展成柱面，使它把另一根导线包围起来.由于柱面导体的屏蔽，较高频率的电磁波不会向四周辐射，外界的干扰信号也不会进到中芯线.当频率更高时，导体中电磁波的穿透深度减小，电流通过的有效截面积减小，因而电阻增大，这一点对同轴线内导体的影响尤为突出，为了克服上述缺点，人们逐渐抛弃了内导体，只有一个空心导体管的波导诞生了.1;矩形波导中电磁波理想导体构成的波导管，其矩形横截面的两边长为a和b，如图1所示.电场的空间分量可令为：E（x）=E（x，y，z）=E（x，y）rikzz.（1）对于一定频率的电磁波，场矢量的空间分量应满足：SymbolQC@2E+k2E=0B=-iωSymbolQC@×ESymbolQC@·E=0;.（2）将波导管壁看作由理想导体构成，则根据边界条件有：n×E（x）=0，（3）即，在导体表面附近的电场线与界面正交.[6]由方程组（2）中的第一个方程解的结果还必须满足第三个方程，以及条件式，得另一个边界条件：En（x）n=0.（4）利用边界条件（3）（4）式，从而对（2）式作出限定，矩形波导管中电场的各分量，并考到是时谐变化的：Ex=E0xcoskxxsinkyyei（kzz-ω t），Ey=E0ysinkxxcoskyyei（kzz-ω t），（5）Ez=kxE0x+kyE0yikzsinkxxsinkyei（kzz-ω，t）.其中，kx=mπ/a，ky=nπ/b，m，n=0，1，2，….M，n分别代表a边、b边所含的半波数目.由方程组（2）的第二个方程及（5）式得磁场的表达形式：Bx=-1ω k[kxkyE0x+（ky2+kz2）E0y]sinkxxcoskyyei（kzz-ω t），By=1ω k[（kx2+kz2）E0x+kxkyE0y]coskxxsinkyyei（kzz-ω t），（6）Bz=-iω（kxE0y-kyE0x）coskxxcoskyyei（kzz-ω t）.从描述波导管内电磁场量的（5）式和（6）式可以看出：（1）电磁波沿波导管长度方向上为行波，在矩形波导管的横截面上的两个方向上为驻波.（2）管中电场和磁场不可能同时为横波.假设管中电场和磁场同时为横波，即Ez=0，Bz=0，则得到：E0x=0，E0y=0.这个结果说明管中无电磁波存在，显然矛盾！若管中Ez=0，则称为横电波（TEmn）;若管中Bz=0，则称为横磁波（TMmn）.（3）波导管中存在截止频率，对于波矢量有：kz2=k2-（kx2+ky2）=ω2μ ε-[（mπa）2+（nπb）2].（7）若kz2ωc，mn=πμε（ma）2+（nb）2（8）称为截止频率，相应的截止（最大）波长：λc，mn=vT=1μ ε2πωc，mn .（9）（4）笔者注意到，（9）式中1/με并非是波导管中电磁波的相速度.由传播因子ri（kzz-ωt）很容易得到导行波的相速度，其等相面方程为kzz-ω t=常数，由此得相速度：vp=dxdt=ωkz>1μ ε .（10）若波导管是真空，则vp>c，按相对论，信号的传播速度绝不能超过光速c，这意味着相速度不能承当信号的传播速度.事实上能够很容易看出，相速度不能从实验上测定，因此它缺乏任何直接物理意义.（5）波导波长λg是指某一频率的导行波等相面在一个周期内沿轴向移动的距离.λg=vpT=2πkz>2πk .（11）而k=ωμε为波源的波数，则波源的波长λ=2π/k，λ代表频率为ω的波源在无限均匀介质的自由空间中传播时的波长，所以波长λ与介质的性质有关.（6）波导管中导行电磁波的群速度.实际中输入的波不可能是完全单色的，其频率总有些微小差别，因此，不同频率的波列叠加形成波群（波包），波群的等振幅面向前传播的速度称为群速度.故此，矩形波导管中电磁波群速度为：vg=dωdkz=kzωμ ε1μ ε由（10）（12）式可以看出，波导管中导行波的相速度vp与群速度vg都和ω有关，这种波称为色散型电磁波.必须指出，导行波的色散是由于波导管壁的边界条件决定的，而光波在透明介质中传播时的色散是由介质的性质引起的，这两种色散物理过程是完全不同的.此外，由（10）和（12）式可得：vpvg=ωkz·kzωμε=1μ ε .2;TE11波的场量及其形成的管壁电流现行绝大多数电动力学[1，3-4]教材涉及这部分内容时，都对TE10波给予了充分的分析，但是对于TE11波的分析少之又少，故此，接下来着重分析矩形波导管中仅存在TE11模时，管内的场结构以及管壁上的面电流分布情况.就TE11模电磁波而言：m=1，n=1，所以：kx=π/a，ky=π/b.（13）横电波要求Ez=0，则：E0x=-aE0y/b.（14）根据（13）式和（14）式表达的条件，针对TE11波的电场部分和磁场部分的各个分量参照（5）式和（6）式就很易得出.利用数值模拟的方法探讨TE11型波的场结构.场结构就是用电场线和磁场线表示的电磁场的空间分布，可以描绘出某一特定时刻的场线空间分布图形，随着时间的推移，整个场线图形将沿z轴方向平移.根据TE11波的电场部分和磁场部分的各个分量，且t=0时刻，取电场和磁场的实部进行数值计算.如图2所示，描绘了TE11型波的场结构，电场用浅色加粗带箭头的线段表示，磁场线用黑色带箭头的线段表示，其带箭头线段的长短代表电场或磁场强度的大小.数值计算中，选择波导管的宽边a=2mm，窄边b=1mm，传输的TE11型波的频率就是截止频率，E0y=1，在传播方向上，即z轴上绘制了一个波导波长.图2中浅色加粗的电场线均平行于xOy平面，参见图1的坐标系，对比文献的结果[2]，TE11型波的场结构显然要比TE10型波的复杂的多.根据电磁场的边值关系，波导管内表面的管壁的面电流密度：α=n×H.（15）在x=0面上，法向矢量n的三个分量很显然可表示为：ny=0，nz=0及nx=1;在x=a面上，ny=0，nz=0及nx=-1;在y=0面上，nx=0，nz=0及ny=1;在y=b面上，nx=0，nz=0及ny= -1.因此很容易得到公式（16）（17）.（1）在x=a面上零时刻的管壁电流：α=-aπE0yμ0ω（1a2+1b2）cosπbysinkzzey-aE0ykzμ0ω bsinπbycoskzzez.（16）（2）在y=b面上零时刻的管壁电流：α=aπE0yμ0ω（1a2+1b2）cosπaxsinkzzex+aE0ykzμ0ωsinπaxcoskzzez.（17）图3;波导管的管壁x=a面上的面图4;波导管的管壁y=b面上的面电流密度、磁场线以及电场分布电流密度、磁场线以及电场分布利用MATLAB软件数值计算方法描绘图1中靠外侧的两个面——波导管的内壁x=a面和y=b面上的面电流、电场线和磁场线.如图3和图4所示，数值计算时所需参数同前面图2提到的一样.浅色加粗带箭头的线段表示面电流密度矢量，相对深颜色带箭头的线段表示磁场强度矢量，线段的长短代表面电流密度或磁场强度的大小;在波导管的内壁x=a面或y=b面上，电场强度矢量与这些面是垂直的，图中用小圆点表示电场强度矢量的方向朝外、叉号表示其方向朝里，因数据采样的等间距性要求，图3和图4中所描绘的小圆点和叉号的分布密度并不能说明相应处的电场强度大小.为弥补这一缺陷，用电场强度的等高图来反映电场在各处强弱分布.管壁上面电流密度α与该管壁面附近的磁场方向垂直，但是在图3和图4中的部分部位可能会发现不垂直，这是图像显示的纵横比导致的.在波导管的内壁x=a面的中线上，沿y轴的面电流为零（图3），表明若在窄边中线上开沿z轴的窄缝，将不会对波导管中的电磁场产生大的扰动，而这种窄缝广泛地应用于用探针测量波导管内物理量的技术中;在波导管的内壁y=b面的中线上，沿x轴的面电流为零（图4），表明若在宽边中线上开沿z轴的窄缝，也不会对波导管中的電磁场产生大的扰动.综上所述，虽然TE11型波的场结构要比TE10型波的复杂很多，但是若想采用探针技术来测量波导管内TE11型波的物理量，仍然是可以找到合适的位置在波导管上开“窄缝”.[1]3;结论给出矩形波导管中电磁波的电场和磁场各分量表达式，并分析了管内传输的电磁波的特性，最后通过MATLAB软件，采用数值计算的方式，讨论了波导管中只传输TE11型波，对应的场结构以及管壁上的面电流、磁场以及电场分布，发现TE11型波的场结构要比TE10型的复杂的多，从管壁上的面电流分布发现：可以在管壁上找到合适的位置开“窄缝”，用于探针测量波导管内电磁波的场量.参考文献[1]郭硕鸿. 电动力学[M]. 北京：高等教育出版社， 2008：131-134.[2]钱尚武. 电磁学要义[M]. 北京：科学出版社， 2009：71-76.[3]张民宽. 电动力学[M]. 开封：河南大学出版社， 1990：197-205.[4]胡友秋，程福臻. 电磁学与电动力学：下[M]. 北京：科学出版社， 2008：116-121.[5]付斯年，朱瑞华，吴春雷，等. 利用波导管的可调终端活塞及单螺调配器测定微波信号源的波长[J]. 牡丹江师范学院学报：自然科学版， 2014（1）：12-13.[6]魏仁怀，朱孟正. 平面电磁波在运动介质界面上折射行为的研究[J]. 牡丹江师范学院学报：自然科学版， 2009（4）：10-12.编辑：琳莉。
基于HFSS分析波导腔体实例
2. 设置曲线：选中对话窗中部的Y标签页，在Category列选 择S parameter，在Quantity列，按下Ctrl键的同时，选择S
（Port1，Port1）、 S（Port1，Port2）、 S（Port1，Port3）
项，在Function列选择mag。在X标签页，选择Use Primary Sweep项。在Sweeps标签页，选择Sweep Design and Project variable values，其它默认，点Add Trace，则 在上方加入S11、S12、S13参数曲线，点Done完成。
括绘制的所有 的几何模式，
பைடு நூலகம்
以及模型的编
辑、材料定义 等。绘图历史 树右侧是绘图 窗，在该区绘 制几何模型。
三．属性窗
属性窗显示在工程树、绘图历史树或绘图区中选中的某一项的属性，可以 进行编辑，在属性窗中可编辑的参数是不定的，其标签页的名称也不定，均由 所选中的项的类型决定。
四．信息窗
信息窗显示与工程创建过程相关的各种信息，例如工程设置的错误信
HFSS
纲要
第一部分 软件设计环境
第二部分 波导腔体内场分析 第三部分 波导腔体内场优化
第一部分
软件设计环境
绘图历史树 主菜单 工具条
绘图窗
工程树
属性窗
进程窗
信息窗
一．工程树
工程树包括所有打开的 HFSS 工程文件，每个工程文件一般包括几何 模型、模型的边界条件、材料定义、场的求解、后处理信息等。 工程树中的第一个节点是工程的名称，默认名一般为Projectn ，n代表 当前打开的第n个工程。 导入HFSS设计后，其下加入 HFSSModeln节点，n代表当前加入的第n 个设计，在该节点下包括模型的所有特定数据。
实验一：t型波导内部仿真场分析与优化精要
实验一：T型波导内部仿真场分析与优化实验目的:理解和分析T型波导分支内部电磁场分布及优化方法。
实验内容：1.建立一个T型波导模型，利用HSFF软件求解，分析，观察T型导波的场分布情况。
2.使用HFSS进行T型波导功分器的优化设计实现，进行参数分析扫描，利用HFSS的优化设计功能实现3端口输出功率为2端口输出功率的2倍、3倍。
然后用重新设计端口激励端，使端口端2为激励端，端口3的输出为端口1的2倍。
实验原理：T型波导功分器又叫T型波导分支器，它能将波导能量从主波导中分路接出，它是微波功率分配器件的一种。
此次设计H面T型分支，使得从1端口输入的功率可以平均的分配给端口2、3，使得2、3端口的TE10波为等幅同向。
同时，通过设置隔片改变各端口的功率分配。
进行扫频设置，观察S参数曲线和电场分布。
实验步骤及结果：一、新建工程设置1．运行HFSS并新建工程双击桌面上的HFSS快捷方式，启动HFSS软件。
HFSS启动后，会自动创建一个默认名称为Project1的新工程和名称为HFSSDesign1的新设计。
从主菜单栏选择命令【File】→【SaveAs】，把工程文件另存为Tee.hfss。
然后右键单击HFSSDesign1，从弹出菜单中选择【Rename】命令项，把设计文件HFSSDesign1重新命名为TeeModal。
2．选择求解类型从主菜单栏选择【HFSS】→【SolutionType】，打开SolutionType对话框，选中DrivenModal单选按钮，单击OK按钮。
3．设置长度单位从主菜单栏选择【Modeler】→【Units】，打开SetModelUnits对话框，选择英寸（in）单位，单击OK按钮。
此时，设置了建模时的默认长度单位，即英寸。
二：创建T形波导模型1．创建长方体（1）从主菜单栏选择【Tools】→【Options】→【ModelerOptions】，打开3DModelerOptions对话框，选择Drawing选项卡，确认选中EditPropertiesofnewprimitives复选框，然后单击确定按钮。
矩形波导中场结构模拟实验
实验 矩形波导中场结构模拟实验一、实验目的要求：1．通过实验编程及图像动态演示，形象具体的了解电磁波在波导中传播特性。
2．通过编写Matlab 程序，加深矩形波导中电磁波公式推导以及单模电磁波在矩形波导中的传播理解。
二、实验内容：电磁场本身比较复杂和抽象，是涉及空间和时间的多维矢量场，需要具有较强的空间想象能力来理解它。
1．实验原理：矩形波导是截面形状为矩形的金属波导管，如图一所示。
波导内壁面位置坐标设为：x=0和x=a ；y=0和y=b 。
波导中填充介电常数为ε、磁导率为μ、电导率为σ的媒质，通常波导内填充理想介质（σ=0）。
由于波导内没有自由电荷和传导电流，所以传播的电磁波是正弦电磁波。
理想导电壁矩形波导中不可能传输TEM 模，只能传输TE 模或TM 模。
对于矩形波导中TE MN 模的电场强度E 、磁场强度H 场分量表达式为：(02cos sin j t z x c j n m n E H x y e k ba b )ωβωμπππ−⎛⎞⎛⎞⎛⎞=⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠⎝⎠ （1） (02sin cos j t z y c j m m n E H x y e k aa b )ωβωμπππ−⎛⎞⎛⎞⎛⎞=⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠⎝⎠ （2） （3）0z E =(02sin cos j t z x c j m m n H H x y e k a a b )ωββπππ−⎛⎞⎛⎞⎛⎞=⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠⎝⎠（4） (02cos sin j t z y c j n m n H H x y e k b a b )ωββπππ−⎛⎞⎛⎞⎛⎞=⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠⎝⎠（5） (0cos cos j t z z m n H H x y e a b )ωβππ−⎛⎞⎛⎞=⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠ （6）其中：ω为微波角频率；m 和n 值可以取0或正整数，代表不同的TE 波场结构模式，称为TE 模，波导中可有无穷多个TE 模式；k c 为临界波束，k c 2=（m π/2）2+(n π/b ）2；β为相位常数，β=。
实验2.1微波波导管内电磁场分布测量doc
实验2.1 微波波导管内的电磁场分布测量实验§2.1.1实验目的通过测量微波波导管内的电磁场分布，了解微波的产生、传播等基本特性，掌握微波测量的基本方法和技术。
§2.1.2实验原理与方法一、微波与体效应微波振荡器1、微波按照国际电工委员会（IEC）的定义，微波（Microwaves）是“波长足够短，以致在发射和接收中能实际应用波导和谐振腔技术的电磁波”。
实际应用中，微波通常指频率在300GHz到300MHz、波长范围1毫米到1米的电磁波，可分为分米波、厘米波、毫米波三个波段。
自上世纪40年代以来，微波科学技术表现出巨大的应用价值。
例如，• 雷达的诞生与成熟（1939一1945年）；• 微波波谱学与量子电子学的巨大进步（1944年－至今）；• 射电天文学大发展（1946—1971年）；• 微波能量利用及微波医学（1947年－至今）；• 卫星通信及卫星广播的建立与普及（1964年－至今）；• 遥感、气象监测等；• 高功率微波武器。
1984年美国国防部制定定向能发展计划（定向能包括高能激光、粒子束和高功率微波（HPM）三个方面）。
“微波武器” 将在反卫星、反精确制导武器等方面发挥重要作用。
2、体效应微波振荡器目前，常用的产生微波振荡器的有两大类，电真空器件与固体器件。
其中，电真空器件主要包括微波电真空三极管、反射速调管、磁控管和返波管等；固体器件有晶体三极管、体效应二极管（也称耿氏二极管，由于体效应管中微波电流振荡现象是耿式（J.B Gunn）于1963年首先发现的）和雪崩二极管。
由于固体器件具有体积小、重量轻、耗电省及便于集成等优点，近几十年来发展迅速，尤其在中小功率范围内它已经取代电真空器件。
固体器件中，采用体效应振荡器制成的微波信号源具有噪声低、工作电压低和便于调谐的优点，目前在实验室中广泛采用该类微波信号源。
1）负阻效应体效应管的工作原理是基于N型砷化镓(GaAs)的导电能谷——高能谷和低能谷结构，如图2.1-1所示，高低能谷间的能量差0.36eV。
电磁场仿真实验指导书解读
第二步：创建参数分析并进行求解
第1步：添加参数设置
工程树，Optimetrics\Add \parametric
Offset:0—1,步长：0.1
第2步：定义输出变量
P11=mag(s11)*mag(s11)
P12=mag(s12)*mag(s12)
P13=mag(s13)*mag(s13)
第3步：组合长方体
选中Tee，Tee-1，Tee-2；Edit\Boolean\Unite
第4步：创建间隔
Draw\Box,(-0.45in,offset-0.05in,0in)
Name:septum,
按Ctrl同时选中T型波导和septum，Edit\Boolean\substract
第三步：求解
第1步：添加求解设置
Analysis\Add Solution Setup,10GHz
添加频率扫描：8—10GHz，步长：0.05GHz
一、实验操作部分
1、实验数据、表格及数据处理。
2、实验操作过程
3、结论
江西师范大学物理与通信电子学院
教学实验报告
通信工程专业2010年3月24日
实验名称
波导腔体内场优化
Name:airbox
第三步：设置边界条件和激励
选中波导腔4个侧面，Assign Boundary\Perfect E
选中空气盒，Assign Boundary\Radiation
选中波导底面，Assign Excitations\Waveport
显示边界条件：HFSS\Boundary display,选勾。
江西师范大学物理与通信电子学院
教学实验报告
通信工程专业2010年3月17日
波导代入电路实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 理解波导的基本工作原理及其在微波技术中的应用。
2. 掌握波导代入电路的设计方法及实验操作步骤。
3. 分析波导代入电路的传输特性，如传输线特性阻抗、衰减特性等。
4. 通过实验验证波导代入电路的设计理论和实际应用效果。
二、实验原理波导是一种特殊的金属管状结构，用于传输高频电磁波。
在微波技术中，波导具有传输效率高、损耗低、隔离性好等优点。
波导代入电路是将波导与电路相结合，实现微波信号的有效传输。
本实验中，我们设计并制作了一个简单的波导代入电路，包括波导部分和电路部分。
波导部分用于传输微波信号，电路部分则用于处理和放大微波信号。
三、实验仪器与材料1. 波导：矩形波导，尺寸为50mm×10mm。
2. 电路板：FR-4材料，厚度为1.6mm。
3. 信号源：频率范围为GHz。
4. 功率计：测量微波信号功率。
5. 频率计：测量微波信号频率。
6. 示波器：观察微波信号波形。
7. 电缆连接器：连接波导与电路板。
四、实验步骤1. 波导设计：根据实验需求，设计波导的结构和尺寸，包括波导长度、宽度、高度等参数。
2. 电路板设计：根据波导结构，设计电路板布局，包括放大器、滤波器、耦合器等组件。
3. 波导制作：使用波导加工设备，按照设计图纸制作波导。
4. 电路板制作：使用电路板加工设备，按照设计图纸制作电路板。
5. 组装波导代入电路：将波导与电路板连接，确保连接可靠。
6. 测试波导代入电路：使用信号源、功率计、频率计、示波器等仪器对波导代入电路进行测试，记录实验数据。
五、实验数据与分析1. 传输线特性阻抗：通过测量不同频率下的传输线特性阻抗，分析波导代入电路的传输特性。
2. 衰减特性：通过测量不同频率下的衰减特性，分析波导代入电路的损耗情况。
3. 信号放大效果：通过测量放大器输出功率，分析波导代入电路的信号放大效果。
六、实验结果1. 传输线特性阻抗：实验测得波导代入电路的传输线特性阻抗约为50Ω，与理论值相符。
波导系统中的腔体
in
此式与式(5.9)比较可见，0 4 短路谐振线在谐振频率附 近的输入导纳与 G C1R1 2L1 l , C ＝C1l 2 的并联谐振电 路相同。故并联谐振电路可作为它的等效电路。同理可导 出 p0 2 的开路传输线在谐振频率附近也等效为并联谐振， 如图5.7所示。
5.1谐振电路及特性参量
1 Zin G j 2C
图5.4
5.1谐振电路及特性参量 若用 Q 0CR R / 0 L 代入上式,则可得
R Z in 1 j (2Q / 0 )
(5.10)
比较式(5.10)于(5.4)，其形式完全相同，说明并联谐振电 路的 Zin 随 / 0的变化曲线与串联谐振电路 Yin 随 / 0 的变化曲线完全一样。使 Zin ＝0.707 R ，两点间的 距离定义为相对带宽，同样可得式(5.6)。
l 0
vp 2
0 v p
vp 2 f0
0
tg l tg
的情况。因 l 很小，th l l ，输入阻抗
0
0
图5.5
l j 0 Zin Z c Z c l j 1 j l 0 0 将 R1 2Zc ， Zc L1 C1， 0 ＝ LiCi l ，代入上式，可得
4型同轴腔52同轴线带状线和微带线谐振器图51153352同轴线带状线和微带线谐振器端接电容型图512图513电路谐振时在线上任一参考面上总电纳为零这里取aa参考面有ctgctg图51453552同轴线带状线和微带线谐振器图51552同轴线带状线和微带线谐振器图51653652同轴线带状线和微带线谐振器图51753752同轴线带状线和微带线谐振器当忽略短路端面的损耗时上述两种谐振器的q538a538b480ln539540两端开路的480ln图518541环形微带谐振器的q542543a543b53矩形波导谐振器53矩形波导谐振器图51953矩形波导谐振器544简并模最低振荡模当尺寸关系为lab时最低振荡模为te101coscossincoscossincossinsincos54553矩形波导谐振器边界条件为代入边界条件可得于是腔内tenmp模的场分量为coscossinsincoscoscossincoscossinsinsincoscos54653矩形波导谐振器场结构可根据场分量作出
波导系统中的腔体PPT共101页
36、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突 破，不 要嫉妒 要欣赏 ，不要 托延要 积极， 不要心 动要行 动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出，乐 观是成 功的第 三要素 。
39、没有不老的誓言，没有不变的承 诺，踏 上旅途 ，义无 反顾。 40、对时间的价值没有没有深切认识 的人， 决不会 坚韧勤 勉。
1、最灵繁的人也看不见自己的背脊。——非洲 2、最困难的事情就是认识自己。——希腊 3、有勇气承担命运这才是英雄好汉。——黑塞 4、与肝胆人共事，无字句处读书。——周恩来 5、阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根
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实验11 波导腔体内场分析
一、设计要求
建立一个T型波导模型，利用HFSS软件求解﹑分析，观察T型波导的场分布情况。
二、实验仪器
硬件：PC机
软件：HFSS软件
三、设计步骤
1.创建工程
第1步：打开HFSS软件并保存新工程。
第2步：插入HFSS设计
第3步：选择求解类型
第4步：设置单位
2.创建模型
第1步：创建长方体
第2步：复制长方体
第3步：组合长方体
第4步：创建间隔
从而得到如下所示的模型图：
3.创建模型
第1步：添加求解设置
第2步：确认设计
第3步：分析，对设计的模型进行三维场分析求解第4步：移动间隔的位置
第5步：重新进行分析
重新进行3D场的分析求解
4.比较结果
第1步：创建一个S参数的矩形曲线图
在上面矩形图中显示不同间隔的S参数曲线。
第2步：创建一个场覆盖图
如下图显示，在T接头的上表面显示场的分布情况
第3步：动态演示场覆盖图
分别定义场间隔位置为0和0.2时候动态演示场覆盖图。
观察场分布情况，重点比较2﹑3端口场的分布差异。
具体的图形在第四步的数据记录以及分析里面有详细的演示记录。
四、数据记录及分析
（1）在矩形框中间隔位置分别为0和0.2的时候，S11﹑S12﹑S13的参数
曲线图：
（2）分别演示在间隔距离为0﹑0.2的时候动态场分布图
Ⅰ间隔距离为0时:从0deg～160deg,步进为20deg如下面依次显示
Ⅱ间隔距离为0.2时:从0deg～160deg,步进为20deg如下面依次显示
软件仿真的所有结果图基本都符合要求，达到预定的效果。
实验总结
(一)AWR软件
（1）主要功能：
AWR软件是进行射频﹑微波电路设计的专业软件，也是本行业在本行业在全球范围内最主流﹑先进的工程设计软件。
其Microwave Office 套件可以设计各种射频/微波模块（MCM,SiP）﹑集成电路（MIC，MMIC，RFIC）﹑微波多层印刷电路板（PCB）﹑天线等；其VSS套件可以设计完整的端对端的通信天线，并支持硬件半实物仿真。
AWR软件界面直观，无缝连接了电路仿真器﹑电磁仿真器﹑原理图与版图﹑统计设计功能和设计规则检验工具等。
尤其是AWR软件创造性的统一了电路图设计和版图设计，单一数据库直接与内核同步，不需要通过多层软件。
无论设计是源自电路图﹑仿真或是版图，AWR软件都能提高从原理到仿真，再到最后版图实现所需要的所有设计平台。
（2）软件掌握情况：
基本学会该软件的各种基本操作方法，比如说画各种电路图，如何添加元器件，如何连线，结构图，创建测量图，添加各种测量项目等。
还学到如何调节元器件的变量进行分析，掌握如何优化电路的步骤，如设置优化目标，定义变量，设置优化参数，执行优化等。
(二)HFSS软件
（1）主要功能：
HFSS是一款三维电磁仿真软件。
它应用切向矢量有限元法，可求解任意三维射频﹑微波器件的电磁场分布，计算由于材料和辐射带来的损耗。
可直接得到特征阻抗﹑传播系数﹑S参数及电磁场﹑辐射场﹑天线方向图﹑特定吸收率等结果。
广泛地应用于天线﹑馈线﹑滤波器﹑多工器﹑环形器﹑光电器件﹑隔离器的设计和电磁兼容﹑电磁干扰，天线布局和互耦等问题的计算。
（2）软件掌握情况：
学会了基本的软件操作步骤，打开HFSS软件后，首先要保存并命名一个新工程，然后插入HFSS设计，然后在工程树右侧出现绘图窗口，然后继续选择求解类型，设置单位，完成全局设定后，开始创建模型，创建好模型后设置模型的材料参数，设置边界条件与激励源，最后设置求解条件并分析。
(三)做过的实验内容
课程作业中一共十五个实验，要求选做其中的十个，实际我在做的过程中基本上每个实验都做了，由于软件的掌握程度还只是入门阶段，有的实验确实做不出来，像实验10和实验15。
自己的实验结果与书本上的结果有一定的误差，但由于优化效果都控制实验误差范围内。
通过这门课程的学习，对AWR和HFSS的使用有了一定的了解。
通过这些具体的实验练习加深了对微波理论知识的回顾，同时也知道那些理论参数的实际意义。