矩形波导TE10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22

0E 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：

1. 横电磁波(TEM 波)：0z z E H ==；

2. 横电波(TE 波)：0,0z z E H =≠；

3. 横磁波(TM 波)：0,0z z E H ≠=。

2.2矩形波导中主模TE 10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，Hz)，对于TE 模只要解Hz 的波动方程。即

22200

022

0z z c z H H k H x y

∂∂++=∂∂式3

对于TE 10模，根据式2可得：

图2 矩形波导场结构图

由图2可见,场的各个分量沿宽边a 只变化一次,即有一个半驻波分布,是沿窄边b 均匀分布,这是因为m=1及n=0的缘故,故m 表示场分布沿波导宽边方向的半驻波个数,n 表示场分布沿波导窄边方向的半驻波个数。

对于3cm 波导，在尺寸为 2

22.8610.16mm a b ⨯=⨯的矩形波导中，传输TE10 模，工作频率10GHz 。主要参数如下：

截止波长：cTE102222.86(mm)a λ==⨯；

截止频率：89

10

3310 6.5610(Hz)222.2610

c f -⨯===⨯⨯⨯

波导波长：10223.9710(m)gTE λ--=

=

=⨯

波阻抗：10TE 377

499.3()0.755

Z =

=

=Ω

三、实验内容：

1、设计，并验证电磁场与电磁波P271页例7.2.2的矩形波导，计算截止频率，波导波

长，波阻抗等参数，给出基本结构尺寸能保证TE10单模传输。首先开始运行软件：

2、使用HFSS软件建模矩形波导结构，选取合适的参数，并对其参数进行优化、仿真。

（1）打开软件，进行一些设置。

（2）设置坐标，调整到适当的图形。

（3）选择一面设置端口。

3、仿真终端匹配情况下，扫频激励下的，Ｓ参数分布以及波导场E Y、H X、H Z分布，并

分析。

（1）进行必要的频率设置，并运行得到曲线图。

（2）根据一些操作得到表面电场。

4、仿真终端短路情况下，一端口仍为500ohm，二端口设为激励口，阻值设为如：50mohm

扫频激励下的，观测Ｓ、驻波比等参数分布，并分析。

5、根据软件设计的结果和理论分析结果比较。

实验的结果和理论有一些出入，主要是系统误差引起的。

四、实验报告要求

1、写清学号、姓名、班级及实验名称。

2、简略写出实验原理，实验内容步骤及运行结果，附上相关图形，并给出必要的分析。

3、回答出思考题中的问题。

4、写出实验体会。

五、思考题

1、在任何均匀导波装置中传播的波都可以分为那三种模式？

答：TEM波、TM波、TE波

2、TE10模式下矩形波导的截至波长是多少，它的场分布如何？

答：波长为39.7mm，场分布在导体内部。

3、如何利用TE10模式下矩形波导，作为测量线？作为波导缝隙天线时，开槽如何选取？

答：计算得出矩形波导的折射率，通过测量计算所求的电磁波波长等因素。若作为波导天线，开槽应该选择波导的中间位置。

六、实验体会

通过这次实验，首先是了解了HFSS软件的基本使用方法，与此同时，我对矩形波导的实验特性有了更深层次的理解，用实验仿真是为以后通过真正的实验验证定理的一个铺垫。电磁场与电磁波课是一门比较需要数学基础和物理基础的一门课，通过这次实验，我更加知道不仅仅要学习书本上的知识，更要有实践的基础，这样才能更好的学习电磁场与电磁波这门课。