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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、 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:

?j?z??E?E0(x,y)e 式1 ??j?z??H?H0(x,y)e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

22的函数。以电场为例子，将上式代入亥姆霍兹方程?E?kE?0 ,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：

?Hz?Ez?j(????)kc2?y?x???Hz?Ej?Ey?2(????z)?kc?x?y ?? 式2?Hz?EjHx?2(?????z)?kc?x?y???Hz?Ez?jHy??2(????)kc?y?x??Ex??kc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

22；k为自由空间中同频率的电磁波的波数。 kc2?kx?ky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)：Ez?Hz?0； 2. 横电波(TE波)：Ez?0,Hz?0； 3. 横磁波(TM波)：Ez?0,Hz?0。

2.2矩形波导中主模TE10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

?2Hz0?2Hz0??kc2Hz0?022?x?y对于TE10模，根据式2可得：

式3

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 a?b?22.86?10.16mm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：?cTE10?2a?2?22.86(mm)； 截止频率：fc1023?1089???6.56?10(Hz) ?32a?0?02?22.26?101波导波长：?gTE10??01?(fcf)2?3?10?21?(6.5610)2?3.97?10?2(m)

波阻抗：ZTE10??01?(fcf)2?377?499.3(?) 0.755三、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EY、HX、HZ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