矩形波导

仿真分析
矩形波导（无探针激励）
1.建立三维模型
坐标轴 外截面(单位mm)
内截面(单位mm)
X 轴(a)
25.4 22.86 Y 轴(b)
12.7 10.16
Z 轴 50
2.设置材料：copper
3.设置激励：在Z=0和Z=50mm 的矩形面上设置波端口
一、设置频率：fmin 9GHz fmax 11GHz 中心频率10GHz
仿真结果与分析
理论计算： 工作波长：m m m GHz
s m
f c 3003.01010100.39
8==⨯⨯==
λ mm mm a cTE 3072.4586.222210
>=⨯==λ
mm mm a cTE 3086.2220
<==λ
mm mm b cTE 3032.2016.102201
<=⨯==λ
因此，可以判断在工作频率为10GHz 时，只能传输10TE 模。

10TE 模的相位常数m rad a 05.1582122
=⎪⎭
⎫
⎝⎛-=λλ
π
β 波导波长mm m a g 75.3903975.02122
==⎪⎭
⎫
⎝⎛-=
=
λλ
β
π
λ 10TE 模的相速s
m a p 82
10975.321⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛-==
λυ
β
ωυ
10TE 模的波阻抗Ω=⎪⎭
⎫ ⎝⎛-=
58.49921120210a Z TE λπ
图1.1电场矢量分布图
图1.2电场幅度沿Y方向分布图
图1.3磁场矢量分布图
图1.4磁场幅度沿X方向分布图
图1.5磁场幅度沿Z方向分布图
S参数图1.6波导仿真
11
S参数图1.7波导仿真
12
图1.8回波损耗
分析：
（1）由图1.1和图1.3可知，电场和磁场沿Z 轴每隔半个波长反向。

电场只有Y 分量，磁场只有X 、Z 分量，且磁场线闭合。

（2）由图1.2、图1.4和图1.5可知，电场幅值Y 分量在宽壁中间最大，磁场幅值X 分量在宽壁中间最大，而磁场幅值Z 分量在宽壁两边最大。

（3）由图 1.1可知，在50mm 的波导中存在大约 1.25个波长，即
mm g 4025
.150'==λ，在误差允许的范围内，'g g λλ=。

（4）由图1.5和图1.6可知，在9-11GHz 内，随着频率的增大，11S 减小。

整体
来看12S 随频率平缓增加，但是在个别频率呈减小趋势。

（5）由回波损耗图1.7可知，回波损耗在9-11GHz 时随着频率的增加回波损耗降低，所以可以适当增加频率来降低反射波功率。

二、设置频率为：fmin 14GHz fmax 16GHz 中心频率15GHz
仿真结果与分析
理论计算
工作波长：m m m GHz
s
m
f c 2002.01015100.39
8==⨯⨯==λ mm mm a cTE 2072.4586.222210
>=⨯==λ
mm mm a cTE 2086.2220
>==λ
mm mm b cTE 2032.2016.102201
>=⨯==λ
mm mm b a ab cTM 2057.1802
.2552
.46422
211
<==
+=
λ 因此，工作频率为15GHz 时可传播10TE 、20TE 、01TE 模。

这里只分析主模的传播特性
10TE 模的相位常数m rad a 51.2822122
=⎪⎭
⎫
⎝⎛-=λλ
π
β 波导波长mm m a g 24.2202224.02122
==⎪⎭
⎫
⎝⎛-=
=
λλ
β
π
λ
10TE 模的相速s
m a p 82
1034.321⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛-==
λυ
β
ωυ
10TE 模的波阻抗Ω=⎪⎭
⎫ ⎝⎛-=
23.41921120210a Z TE λπ
10TE 模仿真图
图2.1电场矢量分布图
图2.2电场幅度沿Y
方向分布图
图2.3磁场矢量分布图
图2.4磁场幅度沿X方向分布图
图2.5磁场幅度沿Z方向分布图
TE模仿真图
20
图2.6电场矢量分布图
图2.7电场幅度沿Y方向分布图
图2.8磁场矢量分布图
图2.9磁场幅度沿X方向分布图
图2.10磁场幅度沿Z方向分布图
TE模仿真图
01
图2.11电场矢量分布图
图2.12电场幅度沿X方向分布图
图2.13磁场矢量分布图
图2.14磁场幅度沿Y方向分布图
图2.15磁场幅度沿Z方向分布图
TE模回波损耗
图2.13
10
TE模回波损耗图2.14
20
图2.15 01TE 模回波损耗
分析：
（1）从仿真结果看，可以很清楚的看到各模式的电场和磁场分布的不同。

从图中可以看到10TE 、20TE 模的电场只有Y 分量，磁场只有X 和Z 分量，而01TE 模电场只有X 分量，而磁场只有Y 和Z 分量。

（2）由图2.2、图2.4和图2.5知，10TE 模的电场Y 分量、磁场X 分量在宽壁中央取得最大值，磁场Z 分量 在宽壁两边取得最大值；由图7、图9和图10可知，20TE 模的电场Y 分量和磁场X 分量分别在宽壁的两边取得最大值，磁场的Z 分量在宽壁的中央和两边分别可取得最大值；图2.12、图2.14和图2.15可知，01TE 模的电场X 分量和磁场的Y 分量在窄壁的中央取得最大值，磁场的Z 分量在窄壁的两边取得最大值。

（3）从图2.1、图2.5、图2.9中可以看到电场和磁场矢量相邻驻波方向相反。

（4）从图2.2、图2.6、图2.10中由颜色代表的电场幅值大小可以看到10TE 模的幅值小于20TE 模的幅值小于01TE 模的幅值。

（5）由各个导行模的回波损耗图可得，在工作频率附近，主模的反射功率最小，01TE 模的反射功率最大。

且在14-16GHz 范围内10TE 模、20TE 模的回波损耗随着频率的提高先是减小，出现极小点，然后稳步上升。

而01TE 模的回波损耗在14.8GHz 时最大，在其左右两边在1-1.005之间波动变化。

（6）从导行模的幅值变化和回波损耗图可以知道，不同的导行模损耗不同，这是因为不同的导行模有不同的电流分布。

（7）对比主模在工作频率为10GHz 和15GHz 的回波损耗图，可以发现衰减与频率有关。

矩形波导（加探针激励）
1.建立三维模型
矩形波导外截面(单位mm) 内截面(单位mm)
X轴(a) 25.4 22.86
Y轴(b) 12.7 10.16
Z轴100
同轴线激励
同轴线外导体内导体
外半径(mm) 2 0.5
内半径(mm) 1.8 0
另外，将矩形波导和外导体重叠部分减去。

具体查看模型。

2.设置材料：矩形波导和内外导体均设为copper。

3.设置激励：在同轴线的外部的底面（内外导体之间的环形面）上加上波端口。

一．探针位于中间位置深入长度为2.43mm
仿真结果
图1.1电场矢量分布图
图1.2电场矢量沿Y方向的分布图
图1.3磁场矢量分布图
图1.4磁场矢量沿X方向的分布图
图1.5磁场矢量沿Z方向的分布图
图1.6 S参数
二．探针位于中间位置深入长度为7.43mm 仿真结果
图2.1电场矢量分布图
图2.2电场矢量沿Y方向的分布图
图2.3磁场矢量分布图
图2.4磁场矢量沿X方向的分布图
图2.5磁场矢量沿Z方向的分布图
图2.6 S参数
三．探针位于Z方向中间位置，X=5mm深入长度为2.43mm 仿真结果
图3.1电场矢量分布图
图3.2电场矢量沿Y方向的分布图
图3.3磁场矢量分布图
图3.4磁场矢量沿X方向的分布图
图3.5磁场矢量沿Z方向的分布图
图3.6 S参数
四．探针位于X方向中间位置，Z=20mm深入长度为2.43mm 仿真结果
图4.1电场仿真分析图
图4.2电场矢量沿Y方向的分布图
图4.3磁场矢量分布图
图4.4磁场矢量沿X方向的分布图
图4.5磁场矢量沿Z方向的分布图
图4.6 S参数
分析：
（1）从仿真结果来看，在同轴探针里面传播的是TEM波，在矩形波导里面电场只存在Y分量，磁场只存在X和Z分量，因此是TE波。

在传播方向，相邻驻波的矢量方向相反。

四种情况都只有一种模式的波，说明加入探针后，激起的高次模随着探针的原理迅速的衰减，不会在波导内传播。

（2）第一种和第二种情况，自同轴探针传播的波向两端传播，在Z方向上是行波，在X方向是驻波。

从图1.2和图2.2可知，电场在Y方向的分量形成的波关于探针对称。

由图1.3和图2.3可知，磁场线闭合。

磁场的X分量在宽壁只存在一个驻波，而在Z分量，在宽壁的两端也存在驻波；
（3）从仿真图上的幅值可知，以电场为例，第一种情况的幅值要小于第二种情况，从图1.6和图2.6可以看到第一种情况的S参数值要大于第二种情况，说明第二种情况的反射要比第一种情况小。

即条件都一样时，探针深入长度长可以减小波的反射。

（4）第三种情况，同样自同轴探针传播的波向两端传播，在Z方向上是行波，在X方向是驻波。

从图3..2可知，电场在Y方向的分量形成的波关于探针对称。

由图3.1可知，电场在宽壁上形成两个驻波。

从仿真图上的幅值可知，以电场为例，第一种情况的幅值要小于第三种情况，由图1.6和图3.6可得，在相同的条件下，探针位置处于在宽壁方向偏心可以减小波的反射。

（5）第四种情况，自探针处波分别向Z方向和-Z方向传播，在Z方向上是行波，在X方向是驻波。

从图4.1中可以看出形成的驻波相邻位置方向相反。

和第一种情况相比较，以电场为例，差别不太明显。

从S参数图来比较第四种的S参数第一种要小于第四种情况，但是差别不大，所以在误差允许的范围内，两种情况的同轴线阻抗匹配情况大致相同。

小结
通过本次作业，我更深刻的了解了波导内的波的传输特性以及波导加探针激励对波导内的场分布的影响。

当然，在仿真过程中遇到了很多问题。

第一：对软件的不熟悉导致走了很多弯路；第二，在做探针激励的仿真时存在了很多疑惑，包括波导内传播的波的不规则的原因等；第三，对于探针对波导的场分布的影响还是不太懂，以上是根据我自己的理解和查阅书所得出的结论，还有许多要完善的地方。