實(shí)驗(yàn)二矩形波導(dǎo)TE10仿真設(shè)計(jì)與電磁場(chǎng)分析解讀

1、實(shí)驗(yàn)二矩形波導(dǎo)TE10的仿真設(shè)計(jì)與電磁場(chǎng)分析解讀實(shí)驗(yàn)二矩形波導(dǎo)TE10的仿真設(shè)計(jì)與電磁場(chǎng)分析解讀4/4實(shí)驗(yàn)二矩形波導(dǎo)TE10的仿真設(shè)計(jì)與電磁場(chǎng)分析解讀實(shí)驗(yàn)二、矩形波導(dǎo)TE10的仿真設(shè)計(jì)與電磁場(chǎng)分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、熟習(xí)HFSS軟件的使用；2、掌握導(dǎo)波場(chǎng)分析和求解方法，矩形波導(dǎo)TE10基本設(shè)計(jì)方法；3、利用HFSS軟件進(jìn)行電磁場(chǎng)分析，掌握導(dǎo)模場(chǎng)構(gòu)造和管壁電流構(gòu)造規(guī)律和特色。二、預(yù)習(xí)要求1、導(dǎo)波原理。2、矩形波導(dǎo)TE10模式基本構(gòu)造，及其基本電磁場(chǎng)分析和理論。3、HFSS軟件基本使用方法。三、實(shí)驗(yàn)原理與參照電路3.13.1.1.對(duì)由平均填補(bǔ)介質(zhì)的金屬波導(dǎo)管成立如圖1所示坐標(biāo)系,設(shè)z軸與波導(dǎo)的軸線相

2、重合。由于波導(dǎo)的界限和尺寸沿軸向不變,故稱為規(guī)則金屬波導(dǎo)。為了簡(jiǎn)化起見(jiàn),我們作以下假定：波導(dǎo)管內(nèi)填補(bǔ)的介質(zhì)是平均、線性、各向同性的；波導(dǎo)管內(nèi)無(wú)自由電荷和傳導(dǎo)電流的存在；波導(dǎo)管內(nèi)的場(chǎng)是時(shí)諧場(chǎng)。圖1矩形波導(dǎo)構(gòu)造本節(jié)采納直角坐標(biāo)系來(lái)分析,并假定波導(dǎo)是無(wú)量長(zhǎng)的,且波是沿著論,對(duì)無(wú)源自由空間電場(chǎng)E和磁場(chǎng)H知足以下矢量亥姆霍茨方程:z方向無(wú)衰減地傳輸,由電磁場(chǎng)理EE0(x,y)ejz式1HH0(x,y)ejz式中為波導(dǎo)軸向的波數(shù),E0(x,y)和H0(x,y)分別為電場(chǎng)和磁場(chǎng)的復(fù)振幅,它僅是坐標(biāo)x和y的函數(shù)。以電場(chǎng)為例子，將上式代入亥姆霍茲方程2Ek2E0,并在直角坐標(biāo)內(nèi)張開(kāi),即有2Ek2E2E2E2Ek

3、2Ex2y2z22E2E2E2E2E2Ek2E式2此中Tx2y2式3x2y22k22T2Ekc2E0kckc表示電磁波在與流傳方向相垂直的平面上的波數(shù),假如導(dǎo)波沿z方向流傳,則kc2kx2ky2為自由空間中同頻次的電磁波的波數(shù)。由麥克斯韋方程組的兩個(gè)旋度式,很易找出席的橫向重量和縱向重量的關(guān)系式。詳細(xì)過(guò)程從略,這里僅給出結(jié)果：HEExj(zz)2kcyxEyjHzEz)2(kcxy式4jHEHxzz)2(xkcyHyj(HzEz)2xkcy從以上分析可得以下結(jié)論:（1）場(chǎng)的橫向重量即可由縱向重量；（2）既知足上述方程又知足界限條件的解有很多,每一個(gè)解對(duì)應(yīng)一個(gè)波型也稱之為模式,不一樣樣的模式擁有

4、不一樣樣的傳輸特色;（3）kc是在特定界限條件下的特色值,它是一個(gè)與導(dǎo)波系統(tǒng)橫截面形狀、尺寸及傳輸模式相關(guān)的參量。因?yàn)楫?dāng)相移常數(shù)=0時(shí),意味著波導(dǎo)系統(tǒng)不再流傳,亦稱為截止,此時(shí)kc=k,故將kc稱為截止波數(shù)。關(guān)于橫電模(Ez=0)和橫磁模(Hz=0)上式分別可以簡(jiǎn)化為Exjkc2Hz,EyjHzykc2x式5TE?；騂模HzHzHxj,Hyjyykc2kc2Hxjkc2Ez,Hyjkc2Ezyx式6TM模或E模Ez,EyEzExj2j2kcykcy3.1.2矩形波導(dǎo)中傳輸模式及其場(chǎng)散布因?yàn)榫匦尾▽?dǎo)的四壁都是導(dǎo)體,依據(jù)界限條件波導(dǎo)中不可以能傳輸TEM模,只好傳輸TE或TM模。這里只分析TE模(E

5、z=0)關(guān)于TE模只需解Hz的顛簸方程。即2Hz02Hz0kc2Hz00式7x2y2TE模的橫向重量的復(fù)振幅分別為采納分別變量，并帶入界限條件解上式，得出Ex0j2Hz0j2nmny)yH0()cos(x)sin(kckcbabEy0jHz0jH0(m)sin(mx)cos(ny)kc2xkc2aab式8Ey0H0(m)sin(mx)cos(ny)Hx0jZH2kcaabHy0Ex0jH0(n)cos(mx)sin(ny)ZHkc2bab1）矩形波導(dǎo)中傳輸模式的縱向傳輸特色截止特色波導(dǎo)中波在傳輸方向的波數(shù)由式9給出2k2kc222式9c式中k為自由空間中同頻次的電磁波的波數(shù)。要使波導(dǎo)中存在導(dǎo)波

6、,則必然為實(shí)數(shù),即k2k2c或c(ffc)式10假如上式不知足,則電磁波不可以在波導(dǎo)內(nèi)傳輸,稱為截止。故kc稱為截止波數(shù)。矩形波導(dǎo)中TE10模的截止波長(zhǎng)最長(zhǎng),故稱它為最低模式,其他模式均稱為高次模。因?yàn)門(mén)E10模的截止波長(zhǎng)最長(zhǎng)且等于2a,用它來(lái)傳輸可以保證單模傳輸。當(dāng)波導(dǎo)尺寸給定且有a2b時(shí),則要求電磁波的工作波長(zhǎng)知足a2a2b式11當(dāng)工作波長(zhǎng)給準(zhǔn)時(shí),則波導(dǎo)尺寸必然知足2ab式122相速度vp和相波長(zhǎng)p導(dǎo)行波的相速度是指某種波型的電磁波的等相位面沿著軸向流傳的速度。由等相位面方程很易求得相速度為vp式13導(dǎo)行波的相波長(zhǎng)是指某種波型的等相位面在一個(gè)周期內(nèi)沿軸向流傳的距離,又稱為波導(dǎo)波長(zhǎng)。其值為p

7、vp12式14f(2)2(2)221()2k1()2式153.1.3TEccc10模矩形波導(dǎo)中傳輸模式的場(chǎng)構(gòu)造場(chǎng)構(gòu)造圖是指用電力線(實(shí)線)和磁力線(虛線)的疏密分別來(lái)表示電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)弱的散布圖。不同模式有不一樣樣的場(chǎng)構(gòu)造圖。關(guān)于TE模,因?yàn)镋z=0,Hz0,所以電場(chǎng)必然散布在矩形波導(dǎo)的橫截面內(nèi),而磁場(chǎng)在空間自成閉合曲線。TE模中TE10模的場(chǎng)構(gòu)造最簡(jiǎn)單-jz即可得,只需令式(3613)中m=1和n=0,并乘以相位因子e到TE10模場(chǎng)散布表達(dá)式HzxjzH0coseaHxjkH0sinxejz2a式16kcaEyj2H0asinxejzkacExEzHy0由上式可以看出,TE10模只有Ey、H

8、x和Hz三個(gè)場(chǎng)重量,并且它們?cè)趜方向均為行波散布,且以速度vp=/向正z方向流傳。圖2矩形波導(dǎo)場(chǎng)構(gòu)造圖由圖2可見(jiàn),場(chǎng)的各個(gè)重量沿寬邊a只變化一次,即有一個(gè)半駐波散布,是沿窄邊b平均散布,這是因?yàn)閙=1及n=0的緣由的半駐波個(gè)數(shù)。3.2HFSS軟件的使用：,故m表示場(chǎng)散布沿波導(dǎo)寬邊方向的半駐波個(gè)數(shù),n表示場(chǎng)散布沿波導(dǎo)窄邊方向1、軟件的啟動(dòng)，雙擊HFSS圖標(biāo)，或許從開(kāi)始菜單翻開(kāi)程序中的HFSS軟件。2、創(chuàng)立一個(gè)project，insertadesign，此后建模，材質(zhì)為Vacuum的長(zhǎng)方體。圖3HFSSTE10模式下的波導(dǎo)基本參數(shù)：參照?qǐng)D中矩形波導(dǎo)建模截圖1所示：A、波導(dǎo)寬邊長(zhǎng)度a109.2mm，

9、寬邊b54.6mm，仿真?zhèn)鬏旈L(zhǎng)度一般大于2倍波導(dǎo)波長(zhǎng)以上。B、介質(zhì)為空氣，相對(duì)介電常數(shù)為1。C、金屬厚度為t（一般主要導(dǎo)電層(銅)厚度大于三倍趨附深度，約5微米以上，仿真選擇，實(shí)質(zhì)一般加工的板子為0.010.02）0.13、掃頻輸入（中心頻次3GHz，掃頻從2GHz5GHz），波導(dǎo)一端設(shè)置激勵(lì)為waveport，終端接般配50負(fù)載。4、運(yùn)轉(zhuǎn)程序，輸出結(jié)果。5、依據(jù)軟件設(shè)計(jì)的結(jié)果和理論分析結(jié)果比較。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1、設(shè)計(jì)，并考證矩形波導(dǎo)BG22基本構(gòu)造尺寸能保證TE10單模傳輸。2、使用HFSS軟件建模矩形波導(dǎo)BG22構(gòu)造，采納適合的參數(shù)，并對(duì)其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化、仿真。3、仿真終端般配狀況下，掃頻激勵(lì)下的，參數(shù)散布以及波導(dǎo)場(chǎng)EY、HX、HZ散布，。4、依據(jù)軟件設(shè)計(jì)的結(jié)果和理論分析結(jié)果比較。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1、寫(xiě)清學(xué)號(hào)、姓名、班級(jí)及實(shí)驗(yàn)名稱。2、簡(jiǎn)單寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的步驟及運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)果，附上