波导腔体内场分析
江西师范大学物理与通信电子学院
教学实验报告
专业年月日
HFSS报告,波导腔体内场分析
实验11 波导腔体内场分析 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。 设计步骤： 一、创建工程和设计 第1步：打开HFSS并保存新工程 运行HFSS软件后，自动创建一个新工程：Project1的新工程和名称为HFSSDesign1的新设计。由主菜单选File/Save as，保存在USER（E：）盘自建文件夹内，命名为Ex11_Tee。在工程树中选择HFSS Design1，点击右键，选择Rename项，将设计命名为TeeModel。 第2步：选择求解类型 由主菜单选HFSS/Solution Type，在弹出对话窗选择Driven Modal项。 第3步：设置单位 由主菜单选3D Modeler/Units，在Set Model Units 对话窗中选择in项。 二、创建模型 第一步：创建长方体 绘制一个长方体：由主菜单选Draw/Box：按下Tab键切换到参数设置区（在工作区的右下角），设置长方体的基坐标（x，y，z）为（0，-0.45,0），数据输入时用Tab键左右移动，按下Enter键确认后，输入长方体的长和宽（dx，dy，dz）为（2，0.9，0）再按下Enter键确认，输入高度（0，0，0.4），按Enter键确认。注意：在设置未全部完成时不要在绘图区中点击鼠标！ 定义长方体属性：设置完几何尺寸后，自动弹出该长方体的属性对话框。选择Attribute 标签页，讲Name项改为Tee，Material项保持为Vacuum不变，点击Transparent项的数值条，在弹出的窗口移动滑条使其值为0.4，提高透明度。设置完毕后，按下Ctrl+D键，将长方体适中显示，如图1a所示。 定义波形端口：按下F键切换到面选择状态，选中长方体平行于yz面、x=2的平面，再点右键，选择Assign Excitation/Wave Port项，弹出Wave Port界面，输入名称Port1，点Next；点击Integration Line项选择New Line，则提示绘制端口，在绘图区该面的下边缘中部即（2,0,0）处点左键，确定端口起始点，再选上边缘中部即（2,0,0.4）处，作为端口终点。此时，弹出Wave Port对话窗，默认设置，点Next，点Finish结束，在工程树中选Teemodel/Excitations/Port1项，可选中该端口，如图1 b所示。 图1a 图1b
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，观察分布情 T 型波导的场况。 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：
O 1 2(H) 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 F Ffeld(V 1.7Z I Ie 5,, 9 i r11∣≡ 釘77?Heι0aj Z. 37S3e +□BΞ: Z, IElBe+0EK 1. eω7β?ma 1. TBUMBan IL莊即亡"虚泊 JL 3E7≡e→00Ξ: i. Lfr?Gf +B3Ξ! 几沪帥的? S . g*?BΞe +□G3∑ 5. ?L55e÷a32 I-鸟H 吉7<≡1 IMi 2 .∣ ∏j 第3步：动态演示场覆盖图 分别定义场间隔位置为O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
微波技术基础第二章课后答案 杨雪霞知识分享
2-1 波导为什么不能传输TEM 波？ 答：一个波导系统若能传输TEM 波型，则在该系统中必须能够存在静电荷静电核或恒定电流，而在单导体所构成的空心金属波导馆内，不可能存在静电荷或恒定电流，因此也不可能传输TEM 波型。 2-2 什么叫波型？有哪几种波型？ 答：波型是指每一种能够单独地在规则波导中存在的电磁场的一种分布状态。 根据场的横向分量与纵向分量之间的关系式划分波型，主要有三种： TEM 波（0z E =，0z H =），TE 波(0z E =,0z H ≠),TM 波（0z E ≠，0z H =） 2-3 何谓TEM 波，TE 波和TM 波？其波阻抗和自由空间波阻抗有什么关系？ 答：0z E =，0z H =的为TEM 波；0z E =,0z H ≠为TE 波；0z E ≠，0z H =为TM 波。 TE 波阻抗： x TE y E wu Z H ηβ = ==> TM 波阻抗： x TM y E Z H w βηε= == 其中η为TEM 波在无限答煤质中的波阻抗。 2-4 试将关系式y z x H H jw E y z ε??-=??，推导为1()z x y H E j H jw y βε?=+?。 解：由y H 的场分量关系式0j z y H H e β-=（0H 与z 无关）得： y y H j H z β?=-? 利用关系式y z x H H jw E y z ε??-=??可推出： 11()()y z z x y H H H E j H jw y z jw y βεε???= +=+??? 2-5 波导的传输特性是指哪些参量？ 答：传输特性是指传输条件、传播常数、传播速度、波导波长、波形阻抗、传输功率以及损耗和衰减等。 2-6 何为波导的截止波长c λ？当工作波长λ大于或小于c λ时，波导内的电磁波的特性有何
11微波技术复习(答案史密斯圆图版)
微波技术与天线复习提纲（2011级） 一、思考题 1. 什么是微波？微波有什么特点？ 答：微波是电磁波谱中介于超短波与红外线之间的波段，频率围从300MHZ到3000GHZ，波长从0.1mm到1m； 微波的特点：似光性、穿透性、宽频带特性、热效应特性、散射特性、抗低频干扰特性、视距传播性、分布参数的不确定性、电磁兼容和电磁环境污染。 2. 试解释一下长线的物理概念，说明以长线为基础的传输线理论的主要物理现 象有哪些？一般是采用哪些物理量来描述？ 答：长线是指传输线的几何长度与工作波长相比拟的的传输线； 以长线为基础的物理现象：传输线的反射和衰落； 主要描述的物理量有：输入阻抗、反射系数、传输系数和驻波系数。 3. 均匀传输线如何建立等效电路，等效电路中各个等效元件如何定义？ 4. 均匀传输线方程通解的含义 5. 如何求得传输线方程的解？
6. 试解释传输线的工作特性参数（特性阻抗、传播常数、相速和波长） 答：传输线的工作特性参数主要有特征阻抗Z 0，传输常数，相速及波长。 1)特征阻抗即传输线上入射波电压与入射波电流的比值或反射波电压与反射波 电流比值的负值，其表达式为0Z = 它仅由自身的分布参数决定而与负载及信号源无关； 2）传输常数j γαβ=+是描述传输线上导行波的衰减和相移的参数，其中，α和β 分别称为衰减常数和相移常数，其一般的表达式为γ3)传输线上电压、电流入射波（或反射波）的等相位面沿传播方向传播的速度称为相速，即； 4）传输线上电磁波的波长λ与自由空间波长0λ 的关系2πλβ= =。 7. 传输线状态参量输入阻抗、反射系数、驻波比是如何定义的，有何特点，并 分析三者之间的关系 答：输入阻抗：传输线上任一点的阻抗Z i n 定义为该点的电压和电流之比， 与导波系统的状态特性无关，10001tan ()tan in Z jZ z Z z Z Z jZ z ββ+=+ 反射系数：传输线上任意一点反射波电压与入射波电压的比值称为传输线在该点的反射系数，对于无耗传输线，它的表达式为2(2)10110 ()||j z j z Z Z z e Z Z βφβ---Γ==Γ+ 驻波比：传输线上波腹点电压振幅与波节点电压振幅的比值为电压驻波比，也称为驻波系数。 反射系数与输入阻抗的关系：当传输线的特性阻抗一定时，输入阻抗与反射系数一一对应，因此，输入阻抗可通过反射系数的测量来确定；当10Z Z =时，1Γ=0，此时传输线上任一点的反射系数都等于0，称之为负载匹配。 驻波比与反射系数的关系：111||1|| ρ+Γ=-Γ，驻波比的取值围是1ρ≤<∞；当传输线上无反射时，驻波比为1，当传输线全反射时，驻波比趋于无穷大。显然，驻波比反映了传输线上驻波的程度，即驻波比越大，传输线的驻波就越严重。 8. 均匀传输线输入阻抗的特性，与哪些参数有关？
波导场方程
波导场方程 波导场方程：是波动光学方法的最基本方程。它是一个典型的本征方程,其本征值为c或β。当给定波导的边界条件时,求解波导场方程可得本征解及相应的本征值。通常将本征解定义为“模式” 射线方程 物理意义： ?将光线轨迹(由r描述)和空间折射率分布(n)联系起来; ?由光线方程可以直接求出光线轨迹表达式; ?dr/dS是光线切向斜率, 对于均匀波导，n为常数,光线以直线形式传播;对于渐变波导,n是r的函数,则dr/ds为一变量, 这表明光线将发生弯曲。而且可以证明,光线总是向折射率高的区域弯曲。 模式的基本特征 ----每一个模式对应于沿光波导轴向传播的一种电磁波; ----每一个模式对应于某一本征值并满足全部边界条件; ----模式具有确定的相速群速和横场分布. ----模式是波导结构的固有电磁共振属性的表征。给定的波导中能够存在的模式及其性质是已确定了的,外界激励源只能激励起光波导中允许存在的模式而不会改变模式的固有性质。 模式命名 ?根据场的纵向分量E z和H z的存在与否,可将模式命名为: (1)横电磁模(TEM): E z＝H z＝0; (2)横电模(TE): E z＝0, H z≠0; (3)横磁模(TM): E z≠0,H z＝0; (4)混杂模(HE或EH):E z≠0, H z≠0。 ?光纤中存在的模式多数为HE(EH)模,有时也出现TE(TM)模。 典型光线传播轨迹
重要参数 ?归一化工作频率： ? ?归一化横向传播常数： ? ?归一化横向衰减常数： ?数值孔径: 定义光纤数值孔径NA为入射媒质折射率与最大入射角的正弦值之积,即 ?相对折射率差: ? 光线分类判据 判据: 当g(r)≥0时,光线存在; 当g(r)＜0时,为光线禁区； 当g(r) = 0时,为内外散焦面。 约束光线 条件: n2＜n(r0) cosθz(r0)＜n1 光线存在区域: r g1 < r < r g2
矩形波导的设计讲解
矩形波导模式和场结构分析 第一章 绪论 1.1选题背景及意义 矩形波导(circular waveguide)简称为矩波导，是截面形状为矩形的长方形的金属管。若将同轴线的内导线抽走，则在一定条件下，由外导体所包围的矩形空间也能传输电磁能量，这就是矩形波导。矩波导加工方便，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。 矩波导有两类传输模式,即TM 模和TE 模。其中主要有三种常用模式，分别是主模TE 11模、矩对称TM 01模、低损耗的TE 01模。在不同工作模式下，截止波长、传输特性以及场分布不尽相同，同时，各种工作模式的用途也不相同。导模的场描述了电磁波在波导中的传输状态，可以通过电力线的疏密来表示场得强与弱。 本毕业课题是分析矩形波导中存在的模式、各种模式的场结构和传播特性，着重讨论11TE 、01TE 和01TM 三个常用模式，并利用MATLAB 和三维高频电磁仿真软件HFSS 可视化波导中11TE 、01TE 和01TM 三种模式电场和磁场波结构。 1.2国内外研究概况及发展趋势 由于电磁场是以场的形态存在的物质，具有独特的研究方法，采取重叠的研究方法是其重要的特点，即只有理论分析、测量、计算机模拟的结果相互佐证，才可以认为是获得了正确可信的结论。时域有限差分法就是实现直接对电磁工程问题进行计算机模拟的基本方法。在近年的研究电磁问题中，许多学者对时域脉冲源的传播和响应进行了大量的研究，主要是描述物体在瞬态电磁源作用下的理论。另外，对于物体的电特性，理论上具有几乎所有的频率成分，但实际上，只有有限的频带内的频率成分在区主要作用。 英国物理学家汤姆逊(电子的发现者) 在1893 年发表了一本论述麦克斯韦电磁理论的书,肯定了矩金属壁管子(即矩波导) 传输电磁波的可实现性, 预言波长可与矩柱直径相比拟, 这就是微波。他预言的矩波导传输, 直到1936 年才实现。汤姆逊成为历史上第一位预言波导的科学家。这证明科学预言可以大大早于技术的发展, 同时也表明了应用数学的威力。英国物理学家瑞利在1897 年发表了论文, 讨论矩形截面和矩形截面“空柱”中的电磁振动, 它们对应后来的矩形波导和矩波导, 并引进了
圆波导公式
由于圆柱形波导是单导体波导，其中不能传播TEM 波，只能传播TM 波和TE 波。求解圆柱形波导内TM 波和TE 波的场量分布方法与求矩形波导内场量分布的方法类似，不同的是应采用圆柱坐标系。下面仅对TM0m 波简单介绍。 对于TM 波，z H =0，z E 满足的方程和边界条件为 0k z 2z 2=+?E E （1） 0z ==a E ρ （2） 在圆柱坐标系下，以上方程应为 0112222222z 2=+??+??+??+??z z z z E k z E E E E φρρρρ （3） 考虑z z e E z E γφρφρ-=),(),,(，则式（3）变为 01122222z 2=+??+??+??z c z z E k E E E φ ρρρρ （4） 式中 222k k c +=γ （5） 应用分离变量法解得 ???=) sin()cos()(),(φφρφρm m k J E E c m m z （6） 式中m J 为m 阶第一类贝塞尔函数，m E 由激励源强度决定。 考虑到βγj =，可得圆柱形波导中TM 波的场分量为
???=） φφρφρm m k J E E c m m z sin()cos()(),( （7a ） ???=)sin()cos()()(-'φφρρφρρm m k J E k j E c m m c ），（ （7b ） ???-=)cos()sin()()( ),(2φφρρβφρφm m k J E k m j E c m m c （7c ） φρβεE w H -= （7d ） ρφβεE w H = （7e ） 0=z H （7f ） 由边界条件0==a z E ρ可得截止波数 a p k mn mn c =）（ （8） 式中mn p 为m 阶贝塞尔函数的第n 个零点。将上式代人式（7a ）-（7f ），则得圆柱形波导中得TMmn 模场分布。表1给出了mn p 的前几个值。 表1 圆波导TM 模的nm p 值 01p 02p 03p 04p 2.405 5.520 8.654 11.792
毫米波微带波导过渡设计
毫米波微带波导过渡设计 喻梦霞 徐 军 薛良金 (电子科技大学物理电子学院,四川,成都,610054) 摘要 利用高频分析软件HFSS仿真分析了K a频段对脊鳍线微带波导过渡结构.将仿真结果对影响过渡性能的几个因素进行了分析,得出了可供工程应用参考的设计曲线,并根据曲线设计了微带波导过渡,在整个K a频段内,插入损耗小于1dB.实验结果与设计曲线结果相符. 关键词 毫米波,过渡,HFSS仿真,对脊鳍线. MI LLIMETE D WAVE WAVEGUIDE2TO2MICR OSTRIP TRANSITION DESIGN Y U Meng2X ia X U Jun X UE Liang2Jin (C ollege of Physical E lectronics,The University of E lectronic Science and T echnology of China, Chengdu,S ichuan610054,China) Abstract A K a2band antipodal finline waveguide2to2microstrip transition was analyzed and simulated by HFSS s oftware.The sev2 eral factors of simulation result for affecting per formance of transition are analyzed,and a design curve of transition available for project application is obtained.Based on the curve,the waveguide2to2microstrip transition is designed.The insertion loss of transi2 tion is below1dB in the K a2band.Experimental results coincide well with the design curve. K ey w ords millimterwave,transition,HFSS simulation,antipodal finline. 引言 随着毫米波技术在无线通讯和雷达系统中应用的不断增多,低成本、高可靠性的毫米波单片集成电路(M MIC)的使用也日趋广泛.在使用M MIC的毫米波接收系统中,对各个M MIC之间的连接采用的是微带线.而现有的毫米波测试系统采用的是矩形波导接口,这就要求在使用M MIC的系统中寻找一种低成本、低损耗、易制造的宽带矩形波导到微带过渡.目前常用的过渡结构有:阶梯脊波导过渡[1]、对脊鳍线过渡[2～4]、耦合探针过渡[5,6]等.这些过渡结构带宽较宽(在10～20%的带宽内回波损耗在15dB 以下),插入损耗小.其中阶梯脊波导过渡加工复杂,耦合探针过渡因波导出口方向与电路平行,使其不满足很多系统结构的要求,而对脊鳍线过渡,因其可以采用微波印制版技术制作在价廉的软基片上,现在已成为一种普遍运用的过渡结构. 最初由J.H.C.van Heuven[2]提出的对脊鳍线过渡,经M.Dydyk、B.D.M oore[3]、G.E.P onchak和Alan N.D owney[4]等人的不断完善和发展,现已可获得较宽的工作带宽.但是由于这种结构形式的过渡要产生一系数的谐振模式,如果某一谐振频率正好落入与其相连的器件的工作带宽,就可能使其对器件产生偶合,从而影响器件的性能.这就使得其设计变得复杂,因而妨碍了它的应用.为此,本文通过高频分析软件HFSS对引起过渡谐振的几个参数进行了分析,得出了可供工程应用参考的设计曲线以满足工程设计的应用. 1 过渡物理模型分析 本文采用了由G eorge E.P onchak和Alan N. D owney提出的过渡结构.在这个由波导到微带的过渡结构中,对脊鳍线的2个金属鳍逐渐渐变成微带线.制作在基片正反面的渐变鳍线构成了一圆弧形谐振区,谐振区内的金属块是用来抑制谐振的(如图1所示).过渡长度L,谐振区长度X及谐振块与金 第22卷第6期2003年12月红外与毫米波学报 J.In frared Millim.Waves V ol.22,N o.6 December,2003 稿件收到日期2002209209,修改稿收到日期2003202224Received2002209209,revised2003202224
8_18GHz同轴_波导转换器的分析与设计
第24卷增刊微波学报 V ol.24 Supplement 2008年10月 JOURNAL OF MICROW A VES Oct. 2008 8-18GHz同轴-波导转换器的分析与设计 魏振华田立松冯旭东尹家贤胡粲彬 （国防科学技术大学电子科学与工程学院一系，长沙410073） 摘要：同轴—波导转换器是微波系统中非常重要的元器件。基于脊波导和波导阶梯对导播系统中电磁波传播性能的影响，本文探讨了这两种结构应用在8-18GHz的宽带同轴—波导转换器设计中的情况。通过同轴—脊波导—矩形波导转换，并在脊波导上加载阶梯，很好地改善了阻抗匹配效果，提高了同轴—波导转换器的传输性能。仿真结果证明脊波导和波导阶梯在设计同轴—波导转换器中的有效性，在8-18GHz的倍频程带宽内驻波小于1.22，产生的高次模非常小。 关键词：同轴—波导转换，脊波导，波导阶梯阻抗变换 Analysis and Design on 8-18GHz Coaxial-Waveguide Transition WEI Zhen-hua, TIAN Li-song, FENG Xu-dong, YIN Jia-xian,HU Can-bin ( College of Electronic Science and Engineering, NUDT,Changsha 410073, China ) Abstract：Coaxial-waveguide transition plays an important role in microwave system.Based on the influence of ridge waveguide and waveguide ladder exerted on transmission performance of electromagnetic wave in guided wave system, this paper discussed the situations of these two structures applied in the 8-18 GHz broadband coaxial-waveguide converter designation. Through the conversion of coaxial - ridge waveguide - rectangular waveguide, and ladder loading of ridge waveguide, the effectiveness of impedance matching is well-improved,and the transmission performance of coaxial-waveguide converter is highly-advanced. Simulation results proved the effectiveness of ridge waveguide and waveguide ladder in designing coaxial- waveguide converters.The VSWR of coaxial-waveguide transition designed in this paper is less than 1.22 in the 8-18 GHz octave bandwidth, and the high modulus produced is very small. Key words：Coaxial-waveguide transition, Ridge waveguide, Waveguide ladder impedance transformation 引言 同轴波导转换器在微波系统中应用非常广泛，是雷达设备、精确制导和微波测试电路中的重要无源连接器件。其设计的基本要求是：低驻波、低插入损耗。 同轴波导转换器的相对带宽比较小，驻波小于1.1时最多可以达到10%的带宽[1]；在同轴腔体内设置周期性光带隙（PBG）的内导体介质支撑垫、矩形波导内设置阶梯阻抗变换，这种设计方法在25-40GHz的带宽内驻波小于1.25，但相对带宽只有46%[2]；利用波导阶梯变换，在714-2500MHz的带宽内驻波小于1.74，但是驻波小于1.22的带宽范围只有其中的850-1150 MHz[3]。但是以上两种设计在超过倍频程的带宽时产生的高次模会比较大，影响传输性能。 本文所设计的8-18GHz的超宽带同轴波导转换器，工作频带超过倍频程，相对带宽达到72%，设计要求频带内驻波小于 1.22（即回波反射小于-20dB），而且要求频带内高次模非常小。同轴电缆采用常用的外半径为2mm，内半径为0.6mm，介电常数为2.08的标准50Ω同轴电缆。 1 理论分析 矩形波导中插入了探针，并在宽壁上开孔，这在波导同轴转换处引入了电抗，造成波的反射，使 *收稿日期：2008-04-06
波导与谐振腔
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第八章波导与谐振腔 一导行电磁波的分类 1 导行电磁波的分类为了数学上力求简单，把坐标的z轴选作波导的轴线方向，这样波导的横截面就是xoy平面，如图8—2所示，同时做以下假设： 图8—2 任意截面的均匀波导 (1>波导的横截面形状和媒质特性沿轴线z不变化，即具有轴向均匀性。 (2>金属波导为理想导体，即γ=∞。波导内填充均匀、线性、各向同性的理想介质。 (3>波导内没有激励源存在，即ρ=0和J＝0。 (4>电磁波沿z轴传播，且场随时间作正弦变化。 在以上假设下，电磁场的电场分量和磁场分量均满足齐次的波动方程 (8—5> (8—6> 式中是波数。既然波导轴线沿z方向，那么不论波的传播情况在波导内怎样复杂，其最终的效果只能是一个沿z方向前进的导行电磁波。因而可以把波导内电场分量和磁场分量写成
(8-7> (8—8> 其中E(x，y>和H(x，y>是待定函数。为波沿z方向的传播常数。将(8—7>式代人方程(8—5>式，得 (8-9> 这里是横向拉普拉斯算子。式中 (8一10> 同理 (8—11> 可以由方程(8—9>式和方程(8—11>式得到E
(8-14> 上式中所有场量只与坐标x和y相关。 根据以上的分析，在波导中传播的导行电磁波可能出现Ez或Hz分量。因此可以依照Ez和Hz的存在情况，将在波导中传播的导行电磁波分为三种波型(或模式>：TEM波型、TE波型及TM 波型。 横电磁波(TEM>：这种波既无Ez分量又无Hz分量，即Ez＝0、Hz＝0。从(8—14>式可看出，只有当时，横向分量才不为零。所以有 或者 (8—15） 则方程<8—9>式和方程(8—11>式就变成 (8—16> (8一17> 这正是拉普拉斯方程。这表明，导波系统中TEM波在横截面上的场分量满足拉普拉斯方程。因此其分布应该与静态场中相同边界条件下的场分布相同。正是由于这一点，我们断定凡能维持二维静态场的导波系统，都能传输TEM波。例如二线传输线、同轴线等。也即为了传输TEM波必须要有二个以上的导体。 空心金属波导管内部，由于不能维持二维静态场，故不能传输TEM波。这是波导管中电磁波显著的特点之一。 横电波(TE波>：当传播方向上有磁场的分量而无电场的分
微波技术基础第二章课后答案---杨雪霞
微波技术基础第二章课后答案---杨雪霞
2-1 波导为什么不能传输TEM 波？ 答：一个波导系统若能传输TEM 波型，则在该系统中必须能够存在静电荷静电核或恒定电流，而在单导体所构成的空心金属波导馆内，不可能存在静电荷或恒定电流，因此也不可能传输TEM 波型。 2-2 什么叫波型？有哪几种波型？ 答：波型是指每一种能够单独地在规则波导中存在的电磁场的一种分布状态。 根据场的横向分量与纵向分量之间的关系式划分波型，主要有三种： TEM 波（0 z E =，0 z H =），TE 波(0z E =,0 z H ≠),TM 波 （0 z E ≠，0 z H =） 2-3 何谓TEM 波，TE 波和TM 波？其波阻抗和自由空间波阻抗有什么关系？ 答：0 z E =，0 z H =的为TEM 波；0z E =,0 z H ≠为TE 波； z E ≠，0 z H =为TM 波。 TE 波阻抗： 2 1( )x TE y c E wu Z H η β λλ= ==>- TM 波阻抗： 21()x TM y c E Z H w βληελ= ==-< 其中η为TEM 波在无限答煤质中的波阻抗。
2-4 试将关系式 y z x H H jw E y z ε??-=??，推导为 1()z x y H E j H jw y βε?= +?。 解：由y H 的场分量关系式0j z y H H e β-=（0 H 与z 无关） 得： y y H j H z β?=-? 利用关系式 y z x H H jw E y z ε??-=??可推出： 11()()y z z x y H H H E j H jw y z jw y βεε???= +=+??? 2-5 波导的传输特性是指哪些参量？ 答：传输特性是指传输条件、传播常数、传播速度、波导波长、波形阻抗、传输功率以及损耗和衰减等。 2-6 何为波导的截止波长c λ？当工作波长λ大于 或小于c λ时，波导内的电磁波的特性有何不同？ 答： 当波沿Z 轴不能传播时呈截止状态，处于此状态时的波长叫截止波长，定义为2c c k π λ = ； 当工作波长大于截止波长时，波数c k k <，此时电 磁波不能在波导中传播； 当工作波长小于截止波长时，波数c k k >，此时电 磁波能在波导内传播；
毫米波圆极化介质复合波导缝隙阵列 天线的HFSS设计
ANSYS 2011中国用户大会优秀论文 毫米波圆极化介质复合波导缝隙阵列天线的HFSS设计 刘吕昕] [闫丕贤埇 [北京理工大学信息与电子学院，北京 100081] [ 摘要 ] 本文利用ANSYS HFSS设计了一种工作于毫米波段的介质复合波导缝隙天线阵列，在介质覆铜板加工出缝隙并与波导槽复合形成辐射结构，利用HFSS软件仿真并分析缝隙导纳，泰勒加权 实现阵列综合。设计平面和差网络实现天馈系统一体化，利用介质覆铜板加工出圆极化栅，并 利用HFSS对整体天线进行了仿真调试。仿真结果与实物测试结果基本一致，验证了软件仿真 的准确性和设计的可行性。该天线成本低、一致性高、圆极化性能好，同时可以改善传统波导 缝隙天线成品率低、成本高和工作带宽窄的缺点，并将工作频带展宽至700MHz。 [ 关键词] ANSYS HFSS，毫米波，圆极化，波导缝隙天线 A Design of MMW Circular Polarization Dielectric Complex Waveguide Slot Array Antenna in HFSS [YAN Pixian, LIU Yong, LV Xin] [School of Information and Electronics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081] [ Abstract ] In this paper, a dielectric complex waveguide slot array antenna was studied by ANSYS HFSS, working in MMW-band. The radiating structure was formed by etching a slot in the copper which covered on the substrate composited with rectangular groove guide, then take a simulation and analysis of the slot admittance by software, combined with the array comprehension of HFSS. For the integration of antenna and feed network, compact structure was designed with a sum-difference network includes a flat magic T, and circular polarization grid machined with micro-strip substrate. Physical test results are basically consistent with the simulation results. The antenna offered advantages such as low cost, high consistency, circular polarization performance. It also improved the traditional waveguide slot antenna from low yield and high cost. [ Keyword ] ANSYS HFSS;MMW; circular polarization; waveguide slot array antenna 1前言 作为一种常用毫米波天线，波导缝隙天线加工成本高、成品率低。基于印刷缝隙的介质复合波导缝隙天线是将开缝的介质覆铜板复合到波导槽上，保有传统波导缝隙天线辐射效率的同时，还具有一致性好、生产工艺简单、成品率高、成本低等优点。有学者对覆介质的波导缝隙特性进行了一些辐射特性分析[1-2]，加工实物的有单条复合缝隙阵[3]。本文
《微波技术与天线》傅文斌-习题答案-第3章
第3章 规则波导和空腔谐振器 3.1什么是规则波导？它对实际的波导有哪些简化？ 答 规则波导是对实际波导的简化。简化条件是：（1）波导壁为理想导体表面（∞=σ）；从而可以利用理想导体边界条件；（2）波导被均匀填充（ε、μ为常量）；从而可利用最简单的波动方程； （3）波导内无自由电荷（0=ρ）和传导电流（0=J ）；从而可利用最简单的齐次波动方程；（4）波导沿纵向无限长，且截面形状不变。从而可利用纵向场法。 3.2纵向场法的主要步骤是什么？以矩形波导为例说明它对问题的分析过程有哪些简化？ 答 纵向场法的主要步骤是：（1）写出纵向场方程和边界条件（边值问题），（2）运用分离变量法求纵向场方程的通解，（3）利用边界条件求纵向场方程的特解，（4）导出横向场与纵向场的关系，从而写出波导的一般解，（5）讨论波导中场的特性。 运用纵向场法只需解1个标量波动方程，从而避免了解5个标量波动方程。 3.3什么是波导内的波型（模式）？它们是怎样分类和表示的？各符号代表什么物理意义？ 答 运用纵向场法得到的解称为波导内的波型（模式）。分为横电模和横磁模两大类，表示为TEmn 模和TMmn 模，其中TE 表示横电模，即0=z E ，TM 表示横磁模，即0=z H 。m 表示场沿波导截面宽边分布的半波数；n 表示场沿波导截面窄边分布的半波数。 3.4矩形波导存在哪三种状态？其导行条件是什么？ 答 矩形波导存在三种状态，见表3-1-1。导行条件是 222 ??? ??+??? ??波导空间功率分配_合成器的分析与仿真设计
第27卷 第6期桂林电子科技大学学报Vo l.27,N o.6 2007年12月Journal of G uilin University of Electronic Technology Dec.2007 波导空间功率分配/合成器的分析与仿真设计 朱祖武,曹卫平,李哲 (桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林 541004) 摘 要:提出了一种新型毫米波波导内空间功率分配/合成器结构,并通过CST软件分析了该结构中的物理参数对 结构性能的影响,最后仿真设计了一最优化的K a波段空间功率分配/合成器,结果表明在设计频带范围内,分配/ 合成器具有较小的插入损耗和回波损耗,可以应用于毫米波空间功率合成放大器的设计中。 关键词:空间功率分配/合成器;波导-微带过渡;双对鳍线 中图分类号:T N63 文献标识码:C 文章编号:1673-808X(2007)06-0465-03 Analysis and simulation design of a waveguide-based spatial power divider/combiner ZH U Zu-w u,CA O W ei-p ing,L I z he (Schoo l of Info rmatio n and com municat i o n Engineering,Guilin Universi t y of Electronic T echnolo gy,Guili n541004,China) Abstract:Intro duced a nov el K a-band w aveg uide-based spatial pow er div ider/co mbiner str uctur e,analy zed some facto rs w hich affect the per for mance of the div ider/co mbiner using CST to ols,and simulat ed design a w av eguide- based spatial pow er div ider/co mbiner w o rked in Ka band.T he result sho w s t ha t the divider/co mbiner w ith a lo w inser tio n loss and R eturn L oss in the design band,it could be used in the design o f millimeter wav e spa tial pow er combining amplifier. Key words:spat ial po w er divider/co mbiner;wav eguide-t o-m icro st rip tr ansition;antipo dal finline 随着军用和民用通信的发展,对宽带,大功率的放大器需求与日俱增。在毫米波通信雷达系统中,由于工艺的限制,单个功率源提供的功率完全不能满足通信系统的需求,为此,提出了一种空间功率合成的方案,将功率在空间中分配成多路分别进行放大然后再合成输出。空间功率合成技术中发展较快的是基于波导的空间功率合成技术,该技术采用托盘技术,实现多路功率的分配与放大,可以大大地提高波导的功率输出,同时也具有良好的散热特性和比较高的合成效率,使用广泛。波导内空间功率合成放大器设计中一个关键技术就是无源空间功率分配/合成器的设计。功率分配/合成器的性能好坏决定了整个功率放大器设计的成败,设计过程中一般要求分配合成网络在完成功率分配合成功能的同时,也具有比较低插入损耗和回波损耗,同时在设计范围内没有谐振现象产生。根据以上要求,本文将设计一Ka波段的功率分配/合成器,对电路结构和物理尺寸参数对电路的性能影响都将作分析介绍。 1 结构与原理 波导内空间功率合成放大器设计方案:对波导宽边进行多层剖分,将标准波导切分成相同的多层托盘结构,在托盘上实现功率的分配,放大合成。同时采用过渡结构实现波导模式与微带线模式之间的转换[1]。为了毫米波频段的大功率输出,必须实现更多路数的功率分配合成。波导内功率分配合成放大器主要通过两种方法来实现更多路数的分配合成:增加波导内托盘的数目和增加单个托盘上的分配合成路数。考虑到Ka波段标准波导的物理尺寸,本文采用在单个托盘上实现两路功率分配合成的方法来实现多路功率分 收稿日期:2007-11-20 作者简介:朱祖武(1984-),男,江西高安人,硕士研究生,主要研究方向为微波射频电路和天线。
微波课后作业题(部分)
习题课 1.1 设一特性阻抗为50Ω的均匀传输线终端接负载R l =100Ω，求负载反射系数Γl ，在离负载0.2λ、0.25λ及0.5λ处的输入阻抗及反射系数分别为多少？ 解：根据终端反射系数与终端阻抗的关系 10l 10100501 100503 Z Z Z Z --Γ= ==++ 根据传输线上任一点的反射系数与输入阻抗的关系 2()j z l z e b - G =G in 0 1() 1() z Z Z z +G =-G 得到离负载0.2λ、0.25λ及0.5λ处的输入阻抗及反射系数分别为 2πj2 0.2λj0.8π λ 1(0.2λ)3 l e e --G =G = Z (0.2λ)29.4323.79Ωin =? 2π j2 0.25λλ 1(0.25λ)3 l e -G =G =- Z (0.25)25Ωin l = 2πj2 0.5λλ 1 (0.5λ)3 l e -G =G = （反射系数具有λ/2周期性） Z (0.5)100Ωin l =（输入阻抗具有λ/2周期性） 1.2 求内外导体直径分别为0.25cm 和0.75cm 的空气同轴线的特性阻抗；若在两导体间填充介电常数εr= 2.25的介质，求其特性阻抗及300MHz 时的波长。 解：空气同轴线的特性阻抗为 00.7560ln 60ln 65.9Ω0.25 b Z a === 填充相对介电常数εr=2.25的介质后，其特性阻抗为 00.75 43.9Ω0.25 b Z a = == f =300Mhz 时的波长
0.67m l 1.4 有一特性阻抗Z0=50Ω的无耗均匀传输线,导体间的媒质参数εr= 2.25，μr=1，终端接有R l=1Ω的负载。当f=100MHz时，其线长度为λ/4。试求： ①传输线实际长度； ②负载终端反射系数； ③输入端反射系数； ④输入端阻抗。 解：①传输线上的波长为 2m g l= 所以，传输线的实际长度为 =0.5m 4 g l l = ②根据终端反射系数与终端阻抗的关系 10 l 10 15049 15051 Z Z Z Z -- Γ===- ++ ③根据传输线上任一点的反射系数与终端反射系数的关系 2 20.25 2 4949 () 5151 j j z l z e e p l b l - - G=G=-= ④传输线上任一点的反射系数与输入阻抗的关系 in0 49 1 1()51 502500Ω 49 1()1 51 z Z Z z + +G === -G- 1.10 特性阻抗为Z0=150Ω的均匀无耗传输线, 终端接有负载Z l=250+j100Ω，用λ/4阻抗变换器实现阻抗匹配（如图所示），试求λ/4阻抗变换器的特性阻抗Z01及离终端距离。 解：先把阻感性负载，通过一段特性阻抗为Z0的传输线，变为纯阻性负载。由于终端反射系数为 250j100150 0.3430.54 250j100150 l l l Z Z Z Z -+- G===? +++ 离波腹点较近。第一个波腹点离负载的距离为 max 0.540.043 44 l l l l f l p p === 即在距离负载l=0.043λ可以得到一个纯电阻阻抗，电阻值为 max0 R Z r =