T型波导的内场分析和优化设计
T型波导的内场分析和优化设计
目录
摘要 (3)
一、前言 (3)
二、报告正文 (3)
2.1模型整体设计流程 (4)
2.2求解方式的选择 (4)
2.3模型的建立 (5)
2.4分析求解设置 (6)
2.4.1添加求解设置 (6)
2.4.2添加扫频设置 (6)
2.4.3图形化显示 (6)
2.4.4表面电场分布 (7)
2.4.5结果显示 (8)
2.5模型优化的设计 (8)
三、结论 (10)
四、主要参考文献 (10)
摘要
本次三级项目的主要内容是T形波导的内场分析和优化设计。主要分析了HT分支波导和双T分支波导。利用HFSS软件设计出T形波导，观察在
8~10GHZ的工作频段内，波导三个端口的S参数随频率变化的关系曲线，同时观察在10GHZ时波导表面的电场分布。之后利用HFSS的参数扫描分析功能和优化设计功能，分析在10GHZ处波导三个端口随着隔片位置变量Offset 变化的关系曲线；，分析找出端口3的输出功率是端口2的输出功率的2倍时隔片所在位置。
一、前言
在信息高速公路和知识经济出现的情况下，研究各种形状的电磁波导是必要的，根据波导管截面形状的不同，可以将波导分为矩形波导、圆形波导等。而在微波系统尤其是波导系统中，元件的接入必须由分支元件来实现。普通波导分支是三端口微波元件，形如字母‘T’，因此又称T形接头。而矩形截面波导的分支主要有ET分支、HT分支和匹配双T分支。本次三级项目再此基础上进行对T形波导的内场分析和优化设计，加深对T形波导认识与了解。
二、报告正文
T形波导是形如字母“T”的矩形截面金属波导的分支，可以将微波能量从主波导中分路接出的波导分支器，分为E—T形分支、H—T形分支和匹配双T。
E—T形分支H—T形分支
E—T形分支波导延伸方向与主波导中TE10模的电场平面平行。为了使
用方便，E—T分支的结构总是作成对称的，主波导的两臂长相等。主波导两
臂端口为①和②，分支臂端口为③。当TE10模从端口③输入时，①和②两端口输出等幅反相波。当TE10模从①和②端口等幅同相输入时，端口③无输出，主波导内呈驻波场，引出分支的对称平面为电场的波腹位置。当TE10模从①和②端口等幅反相输入时，端口③有最大输出，对称面为电场波节位置。
H—T形分支是在主波导窄边面上的分支, 其轴线平行于主波导TE10模的磁场方向，相当于并联于主波导的分支线。信号以TE10模从端口④输入，①和②的两端口输出等幅同相波；信号以TE10模从端口①和②等幅同相输入，端口④有最大输出，主波导中呈现驻波，主波导引出分支的对称面处为电场驻波波腹；信号以TE10模从端口①和②等幅反相输入，端口④无输出，对称面处为电场驻波的波节。
2.1模型整体设计流程
利用HFSS软件设计一个带有隔片的T形波导，当隔片位于波导的正中央时，在8～10GHz 的工作频段内，波导 3 个端口的S 参数随着频率变化的关系曲线，同时分析查看在10GHz 时波导表面的电场分布。然后利用HFSS 的参
数扫描分析功能分析在10GHz 处，波导3 个端口的S 参数随着隔片位置变量Offset 变化的关系曲线，并使用 HFSS 的优化设计功能，求解出当端口3 的输出功率是端口2 的输出功率的两倍时隔片所在的位置。
2.2求解方式的选择
本次项目主要利用HFSS软件中Optimetrics 模块的参数扫描和优化设计
功能对T 形波导的隔片位置进行参数扫描分析和设计优化。参数扫描分析的
目的是：在工作频率10GHz时，查看T形波导3个端口的能量随着隔片位置
变量Offset的变化曲线；优化设计的目标是：在工作频率为10GHz 时，求解出隔片的准确位置，使端口3 的输出功率是端口2 输出功率的两倍。
2.3模型的建立
运行 HFSS 并新建工程，选择求解类型：【HFSS】→【 Solution Type】，选中Driven Modal 单选按钮。
设置长度单位：主菜单栏选择【Modeler】→【Units】，选择英寸单位。
创建长方体：【Tools】→【Options】→【Modeler Options】，选择Drawing 选项卡，确认选中 Edit Properties of new primitives；主菜单栏选择【Draw】→【Box】，输入长方体的起始点坐标为（0，0.45，0），确认后，再输入长方体的长、宽、高分别为 2、0.9、 0.4，确认后设置属性。
设置波端口激励：切换到面选择状态，选中长方体上位于 x = 2 处平行于yz 面的平面，选择【Assign Excitation】→【Wave Port】，在 Name 项输入端口名称 Port1；在新窗口中打开 Integration Line 下方的下拉列表框，选择 New Line 选项，设置端口的积分校准线，选中New Line 后，进入端口积分线绘制状态。此时移动鼠标光标到坐标（2，0，0）处，单击鼠标，确定积分线的起始点；然后再移动鼠标光标到（2，0，0.4）处，单击鼠标，确定积分线的终止点，完成积分线设置。
复制长方体创建 T 形波导的第二个和第三个臂：选择【Tools】
→【Options】→【HFSS Options】，选择 General，选中 Duplicate boundaries with geometry 复选框，复制长方体创建T 形波导的第二个臂。展开操作历史树，选择新建的长方体，选择【Edit】→【Duplicate】→【Around Axis】，打开 Duplicate Around Axis 对话框，进行复制物体的操作。对话框中的 Axis 项选择 Z，Angle 项输入 90deg，Total number 项输入2，复制生成一个与 z 轴成90°夹角的长方体。同样的方法创建第三个臂。
合并长方体：主菜单栏选择【Tools】→【Options】→【Modeler Options】，打开 3D Modeler Options 对话框，选择 Operation 选项卡，确认Clone tool objects before unite 复选框未被选中。切换到物体选择状态，选中 3 个长方体，从主菜单栏选择【3D Modeler】→【Boolean】→【Unite】命令执行合并操作，将3 个长方体合并生成一个T 形物体模型。
创建隔片：设置起始点位置为0.45in，Offset-0.05in，0in，长宽高尺寸为.
45、0.1 和 0.4的长方体。相减操作完成后，创建的完整的T 形波导模型。2.4分析求解设置
2.4.1添加求解设置
在工作界面左侧的工程管理窗口（Project Manager）中，展开TeeModal 设计，选中Analysis 节点，单击右键，在弹出的快捷菜单中单击【Add Solution Setup…】，打开求解设置对话框。在该对话框中，Solution Frequency 项输入10，默认单位为GHz，其他项都保持默认设置不变，单击确定按钮结束。此时，就在工程管理窗口Analysis 节点下添加了一个名称为Setup1 的求解设置项。
2.4.2添加扫频设置
在工程管理窗口中，展开 Analysis 节点，右键单击前面添加的 Setup1 求解设置项，在弹出菜单中单击【Add Frequency Sweep…】，打开、Edit Sweep 对话框。在该对话框中，Sweep Type 项选择
Interpolating，Frequency Setup 项作如下表所示的设置。其他项保持默认设置不变，然后单击Edit Sweep 对话框的OK按钮完成扫频设置，此时即在Setup1 节点下添加了一个名称为 Sweep1 的扫频设置项，
Type LinearSetup
Start8GHz
Stop10GHz
Step Size0.01GHz 利用设计检查验证窗口，检验设计的完整性和正确性。从主菜单栏选择【HFSS】→【Analyze All】，运行仿真分析。
2.4.3图形化显示S 参数计算结果
单击result项，选择【Create Modal Solution Data Report】
→【Rectangular Plot】，绘制出 S11、S12、S13幅度随频率变化的曲线。
2.4.4表面电场分布
选择【HFSS】→【Fields】→【Plot Fields】→【E】→【Mag_E】，打开Create Filed Plot 对话框，对话框所有设置保持默认不变，单击按钮，此时在选中的 T 形波导上表面会显示出场分布情况。［1］
2.4.5结果显示
H-T分支S参数幅度随频率变化 H-T波导表面电场分布图
双T分支模型S参数幅度随频率变化曲线 1 、2侧臂等幅同相输
E臂输入 H臂输入
双T分支规律总结：信号从E臂输入时，H臂无输出，端口1、2输出等幅反相位波；信号从H臂输入时，E臂无输出，端口1、2输出等幅同相位波；从1、2侧臂输入等幅同相信号时，H臂有输出，E臂无输出。
2.5模型优化的设计
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形波导端口3的输出功率是端口2输出功率的2倍.
当变量Offset值逐渐变大，即隔片位置向端口2移动时，端口2 的输出功率逐渐减小，端口3 的输出功率逐渐变大；当隔片位置变量Offset超过
0.3英寸时，端口1的反射明显增加，端口3 的输出功率开始减小。因此在后面的优化设计中，可以设置变量Offset 优化范围的最大值为0.3英寸。同时在变量Offset=0.1英寸时，端口3的输出功率约为0.65，端口2 的输出功率略大于0.3,此处端口3 的输出功率约为端口2输出功率的2倍。
优化结果：
由上图可以看出，当变量Offset=0.095英寸时，目标函数（Cost ）小于设定的目标值0.0001，达到优化目标，即当变量Offset=0.095英寸时，T 形波导端口3的输出功率是端口2
的两倍。
双T
分支表面分布图
优化后T形波导端口3的输出功率是端口2 的两倍。
三、结论
通过这次三级项目，我们加深了对波导的理解，对T形波导有了充分的认识，学习了如何使用ＨＦＳＳ软件进行模拟仿真，在项目制作过程中，我们首先遇到的一个大难题就是软件装不上，一番辛苦之后终于解决了这个问题，而在使用过程中，因为有老师给的入门参考资料，进行得还是比较顺利。在分析参数与曲线的过程中，本来不熟悉的地方，经过翻书与查找资料，理论与实践相结合，也逐步变得熟悉了解，不再只拘泥于表面，而是抓住问题的本质。学习态度也有了一定的改变，就是对待问题不仅要知其然，更要知其所以然。
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
实验二矩形波导TE10的仿真设计与电磁场分析解读
] 实验二、矩形波导TE10的仿真设计与电磁场分析 一、实验目的： 1、熟悉HFSS软件的使用； 2、掌握导波场分析和求解方法，矩形波导TE10基本设计方法； 3、利用HFSS 软件进行电磁场分析，掌握导模场结构和管壁电流结构规律和特点。 二、预习要求 1、《 2、导波原理。 3、矩形波导TE10模式基本结构，及其基本电磁场分析和理论。 4、HFSS软件基本使用方法。 三、实验原理与参考电路 导波原理 3.1.1. 规则金属管内电磁波 对由均匀填充介质的金属波导管建立如图1 所示坐标系, 设z轴与波导的轴线相重合。由于波导的边界和尺寸沿轴向不变, 故称为规则金属波导。为了简化起见, 我们作如下假设： \ ①波导管内填充的介质是均匀、线性、各向同性的； ②波导管内无自由电荷和传导电流的存在； ③波导管内的场是时谐场。 图1 矩形波导结构 本节采用直角坐标系来分析,并假设波导是无限长的,且波是沿着z方向无衰减地传输,由电磁场理论, 对无源自由空间电场E和磁场H满足以下矢量亥姆霍茨方程: ` 式中β为波导轴向的波数,E0(x,y)和H0(x,y)分别为电场和磁场的复振幅,它仅是坐标x和y的函数。 以电场为例子，将上式代入亥姆霍兹方程 ,并在直角坐标内展开,即有 (,) (,) j z j z E E x y e H H x y e β β - - ?= ? ? = ?? 式1 220 E k E ?+=
2222 2 2222222222220 T c E E E E k E k E x y z E E E k E x y E k E β????+=+++?????=+-+??=?+=式2 k c 表示电磁波在与传播方向相垂直的平面上的波数,如果导波沿z 方向传播,则 k 为自由空间中同频率的电磁波的波数。 由麦克斯韦方程组的两个旋度式,很易找到场的横向分量和纵向分量的关系式。具体过程从略,这里仅给出结果： 《 从以上分析可得以下结论: ^ （1）场的横向分量即可由纵向分量； （2） 既满足上述方程又满足边界条件的解有许多, 每一个解对应一个波型也称之为模式,不同的模式具有不同的传输特性; （3）k c 是在特定边界条件下的特征值, 它是一个与导波系统横截面形状、 尺寸及传输模式有关的参量。 由于当相移常数β=0时, 意味着波导系统不再传播, 亦称为截止, 此时k c =k, 故将k c 称为截止波数。 对于横电模(Ez=0)和横磁模(Hz=0)上式分别可以简化为 TE 模或H 模 ~ TM 模或E 模 3.1.2 矩形波导中传输模式及其场分布 由于矩形波导的四壁都是导体,根据边界条件波导中不可能传输TEM 模,只能传输TE 或TM 模。 % 这里只分析TE 模(Ez=0) 对于TE 模只要解Hz 的波动方程。即 2222()() 4 ()()z z x c z z y c z z x c z z y c H E j E k y x H E j E k x y H E j H k x y H E j H k y x ωμβωμββωεβωε???=-+???? ???=-? ???????=-+???? ???=-+????式2222,,z z x y c c z z x y c c H H E j E j k y k x H H H j H j k y k y ωμωμωμωμ???=-=????? ???=-=???? 式522222 222T c E E E x y k k β????=+???? ?=-?其中 式3 222 c x y k k k =+2222,,z z x y c c z z x y c c E E H j H j k y k x E E E j E j k y k y ωεωεβωμ??? ==-???? ????=-=-???? 式622200 0220z z c z H H k H x y ??++=??式7
矩形波导模式和场结构分析毕业设计论文
毕业设计（论文）题目：矩形波导模式和场结构分析
目录 第一章绪论 (1) 1.1 选题背景及意义 (3) 1.2 国内外研究概况及发展趋势 (3) 1.3 本课题研究目标及主要内容 (4) 1.4 本章小结 (6) 第二章矩形波导的基本原理 (7) 2.1 导波的一般分析 (7) 2.1.1规则矩形波导内的电磁波 (7) 2.1.2波导传输的一般特性 (8) 2.2 矩形波导的分析 (8) 2.2.1矩形波导电磁场解 (8) 2.2.2矩形波导中的波型及截止波长 (11) 2.3 本章小结 (12) 第三章矩形波导的设计 (13) 3.1 创建矩形波导模型 (13) 3.2 求解设置 (20) 3.3 设计检查和运行仿真 (22) 3.3.1设计检查 (22) 3.3.2运行仿真分析 (23) 3.4 本章小结 (24) 第四章HFSS仿真结果及其分析 (25) 4.1 HFSS软件仿真原理 .............................. 错误！未定义书签。 4.2 HFSS仿真实现 (26) 4.3 仿真结果分析 (32) 4.4 本章小结....................................... 错误！未定义书签。第五章小结与展望 .. (33) 5.1 工作总结 (33) 5.2 工作展望 (33) 参考文献 (33) 致谢 (35) 附录 A 常用贝塞尔函数公式错误！未定义书签。
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, 并引进了截止波长的概念。瑞利得到了矩形波导中主模的场方程组,这是雷达中最常用的模式,
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
实验二、 矩形波导TE10的仿真设计与电磁场分析
实验二、矩形波导TE 10的仿真设计与电磁场分析 一、实验目的： 1、 熟悉HFSS 软件的使用； 2、 掌握导波场分析和求解方法，矩形波导TE 10基本设计方法； 3、 利用HFSS 软件进行电磁场分析，掌握导模场结构和管壁电流结构规律和特点。 二、预习要求 1、 导波原理。 2、 矩形波导TE 10模式基本结构，及其基本电磁场分析和理论。 3、 HFSS 软件基本使用方法。 三、实验原理与参考电路 3.1导波原理 3.1.1. 规则金属管内电磁波 对由均匀填充介质的金属波导管建立如图1 所示坐标系, 设z 轴与波导的轴线相重合。由于波导的边界和尺寸沿轴向不变, 故称为规则金属波导。为了简化起见, 我们作如下假设： ① 波导管内填充的介质是均匀、 线性、 各向同性的； ② 波导管内无自由电荷和传导电流的存在； ③ 波导管内的场是时谐场。 图1 矩形波导结构 本节采用直角坐标系来分析,并假设波导是无限长的,且波是沿着z 方向无衰减地传输,由电磁场理论, 对无源自由空间电场E 和磁场H 满足以下矢量亥姆霍茨方程: 式中β为波导轴向的波数,E 0(x,y)和H 0(x,y)分别为电场和磁场的复振幅,它仅是坐标x 和y 的函数。 以电场为例子，将上式代入亥姆霍兹方程 ,并在直角坐标内展开,即有 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2222 222 2 T c E E E E k E k E x y z E E E k E x y E k E β????+= + + +?????= + -+??=?+=式2 k c 表示电磁波在与传播方向相垂直的平面上的波数,如果导波沿z 方向传播,则 k 为自由空间中同频率的电磁波的波数。 由麦克斯韦方程组的两个旋度式,很易找到场的横向分量和纵向分量的关系式。具体过程从略,这里 00(,)(,)j z j z E E x y e H H x y e ββ--?=??=?? 式12 20E k E ?+=22 222 2 22T c E E E x y k k β ????=+???? ?=-?其中 式3 222 c x y k k k =+
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
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
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。
矩形波导地设计讲解
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
矩形波导TE的仿真设计与电磁场分析
实验一、 矩形波导TE10的仿真设计与电磁场分析 班级： 学号： 姓名： 报告日期：2012.6.29 一、 实验目的： 1. 熟悉HFSS 软件的使用； 2. 掌握导波场分析和求解方法，矩形波导TE 10基本设计方法； 3. 利用HFSS 软件进行电磁场分析，掌握导模场结构和管壁电流结构规律和特点。 二、 实验原理（略） 2.1基本导波理论 对由均匀填充介质的金属波导管建立如图1 所示坐标系, 设z 轴与波导的轴线相重合。由于波导的边界和尺寸沿轴向不变, 故称为规则金属波导。 图1 矩形波导结构 本节采用直角坐标系来分析,并假设波导是无限长的,且波是沿着z 方向无衰减地传输,由电磁场理论, 对无源自由空间电场E 和磁场H 满足以下矢量亥姆霍茨方程: 00(,)(,)j z j z E E x y e H H x y e ββ--?=??=?? 式1 式中β为波导轴向的波数,E 0(x,y)和H 0(x,y)分别为电场和磁场的复振幅,它仅是坐标x 和y 的函数。以电场为例子，将上式代入亥姆霍兹方程220E k E ?+= ,并在直角坐标内展开,即有由麦克斯韦方程组的两个旋度式,可以得到场的横向分量和纵向分量的关系式： 2222()() 2 ()() z z x c z z y c z z x c z z y c H E j E k y x H E j E k x y H E j H k x y H E j H k y x ωμβωμββωεβωε???=- +? ??? ??? =-? ??? ???? =-+? ??? ???=-+????式 k c 表示电磁波在与传播方向相垂直的平面上的波数,如果导波沿z 方向传播,则 222 c x y k k k =+；k 为自由空间中同频率的电磁波的波数。 根据两个纵向场分量Ez 和Hz 的存在与否，对波导中的电磁波进行分类。可将波导中的电磁波分成三类：
T型波导的内场分析和优化设计
T型波导的内场分析和优化设计
目录 摘要 (3) 一、前言 (3) 二、报告正文 (3) 2.1模型整体设计流程 (4) 2.2求解方式的选择 (4) 2.3模型的建立 (5) 2.4分析求解设置 (6) 2.4.1添加求解设置 (6) 2.4.2添加扫频设置 (6) 2.4.3图形化显示 (6) 2.4.4表面电场分布 (7) 2.4.5结果显示 (8) 2.5模型优化的设计 (8) 三、结论 (10) 四、主要参考文献 (10)
摘要 本次三级项目的主要内容是T形波导的内场分析和优化设计。主要分析了HT分支波导和双T分支波导。利用HFSS软件设计出T形波导，观察在 8~10GHZ的工作频段内，波导三个端口的S参数随频率变化的关系曲线，同时观察在10GHZ时波导表面的电场分布。之后利用HFSS的参数扫描分析功能和优化设计功能，分析在10GHZ处波导三个端口随着隔片位置变量Offset 变化的关系曲线；，分析找出端口3的输出功率是端口2的输出功率的2倍时隔片所在位置。 一、前言 在信息高速公路和知识经济出现的情况下，研究各种形状的电磁波导是必要的，根据波导管截面形状的不同，可以将波导分为矩形波导、圆形波导等。而在微波系统尤其是波导系统中，元件的接入必须由分支元件来实现。普通波导分支是三端口微波元件，形如字母‘T’，因此又称T形接头。而矩形截面波导的分支主要有ET分支、HT分支和匹配双T分支。本次三级项目再此基础上进行对T形波导的内场分析和优化设计，加深对T形波导认识与了解。 二、报告正文 T形波导是形如字母“T”的矩形截面金属波导的分支，可以将微波能量从主波导中分路接出的波导分支器，分为E—T形分支、H—T形分支和匹配双T。 E—T形分支H—T形分支
第八章矩形波导复习资料0604.
第八章 矩形波导 1. 波导中的传播条件：f>fc 或λ<λc 2. 矩形波导能传输TM 波和TE 波，不能传输TEM 波。 3. 矩形波导中：TEmn 模：m 和n 皆可取0，但又不能同时为0 TMmn 模。显然，m,n 皆不可能为0，故最低阶模为TM11 其中：m 表示电磁场沿波导宽边a 分布的半波数的个数，n 表示电磁场沿波导窄边b 分布的半波数的个数。 当m 和n 取非零值时，TMmn 模和TEmn 模具有相同的截止参数，这种现象称为模式简并，相应的模式称为简并模式。例如，TM21模和TE21模是简并模式。 4. 波长 ①工作波长λ：定义：微波振荡源所产生的电磁波的波长。 v f λ= = 若填充空气，则8310/v c m s ===? 若填充r ε 的介质，则v = ②波导波长λg ：在波导内，合成波沿的等相位面在一个周期内所走过的路程定义为波导波长λg 。 2g π λβ = = ③截止波长λc ：电磁波处于能传输与不能传输的临介状态，此时对应的波长称为截止波长，对应的频率叫截止频率,fc.(或定义为：导行波不能在波导中传输时所对应的最低频率称为截止频率，该频率确定的波长称为截止波长。) g λλ >
c c v f λ= = c c v f λ= 5.传播速度 若填充空气，则8310/v c m s ===? ，若填充r ε 的介质，则v = ①相速度vp ：定义 p v ω β = = 或 p g v f λ= p v v > ②群速度vg ：群速度（能速）就是电磁波所携带的能量沿波导纵轴方向（z 轴）的传播速度。 g v = 2p g v v v = g v v < 6.色散现象：传播速度与频率有关的现象 时延失真：波导传输频带内各不同频率的信号传输时间不等，造成信号失真，这种失真称为时延失真。 7. 波阻抗：波导中某种波型的阻抗简称为波阻抗。定义为波导横截面上该波型的电场强度与磁场强度的比值。 TM 波的：x TM y E Z H ==TE 波 : TE Z =