微波技术与天线实验3利用HFSS仿真分析矩形波导

微波技术与天线实验报告实验名称：实验3：利用HFSS仿真分析矩形波导学生班级：学生姓名：学生学号：实验日期：2011年月日1一、实验目的学会HFSS仿真波导的步骤，画出波导内场分布随时间变化图，理解波的传播与截止概念；计算传播常数并与理论值比较。二、实验原理矩形波导的结构如图1，波导内传播的电磁波可分为TE模和TM模。xyzabOε,μ图1矩形波导1）TE模，0zE。coscoszzmnmxnyHHeab2cossinxmncznmxnyEHbabjke2sincoszymncjmmxnyEHekaab22sincoszxmncmmxnyHHekaab2cossinzymncnmxnyHHekbab其中，ck=22mnab而mnH是与激励源有关的待定常数。2）TM模ZH=0，由ZE的边界条件同样可得无穷多个TM模。注意：对于mnTM和mnTE模，m,n不能同时为零，否则全部的场分量为零。mnTM和mnTE模具有相同的截止波数计算公式，即ck（mnTM）=ck（mnTE）=22mnab所以，它们的截止波长c和截止频率cf的计算公式也是一样的，即c（mnTM）=c（mnTE）=222bnamcf（mnTM）=cf（mnTE）=1222mnab对于给定的工作频率或波长，只有满足传播条件（fcf或c）的模式才能在波导中传播。由公式可以看出矩形波导的cf，c不仅与波导的尺寸a,b有关，还和模指数m,n有关。当a,b一定时，随着f的改变，矩形波导可以多模传播，也可以单模传播，甚至也可以处于截止状态。以a=23mm，b=10mm的空心矩形波导为例，由截止频率的计算公式22)()(21bnamfc，可以计算GHzfcTE52.610，GHzfcTE04.1320，GHzfcTE1501，所以波导单模工作的频率范围为6.562-13.123GHz。三、实验步骤1、工程设置3打开HFSS，出现新的工程窗口（如图2）。图2HFSS工程窗口（1）设置求解类型DrivenModal（模式激励）。在菜单中点击HFSSSolutionType，出现SolutionType窗口，选择DrivenModal（如图3），点击OK。图3设置求解类型SolutionType窗口（2）设置模型单位毫米在菜单栏中点击ModelerUnits，出现SetModelUnits窗口，选择mm，点击OK（如图4）。4图4设置模型单位SetModelUnits窗口（3）保存工程命名为waveguide点击工具栏中的，将工程名字设为waveguide。2、画长方体，材料为真空，名字为wavguide（1）画长方体点击工具栏中的（Drawbox）画矩形波导的长方体模型，在屏幕右下角出现长方体顶点信息，输入顶点坐标如图5，按回车键；屏幕右下角出现长方体尺寸信息，输入如图6，按回车键结束画图过程。图5长方体顶点坐标图6长方体尺寸设置在屏幕右侧窗口显示画出的长方体；点击工具，将长方体全部显示在窗口中（如图7）。（2）设置长方体属性在屏幕中间模型列表中的Box1为画出的长方体（如图），双击Box1，出现Propoties:Project1窗口，将Name一栏的value由Box1改为waveguide。53、设置边界条件（1）选择波导的四个纵向面。通过Editselectfaces,将鼠标设置为选择面的状态（如图2）。通过按钮（旋转功能）以及ctrl键实现选择多个面，或者通过editselectbyname（如图3），结合ctrl键选中face10、11、12、9（如图4）。（2）将这四个面设置为理想导体边界。可以通过点击HFSSBoundariesAssignPerfectE实现，或者点击鼠标右键AssignBoundaryPerfectE（如图5）。6图2selectfaces界面图3selectbyname界面7图4selectface界面图5设置PerfectE边界条件4、设置激励源waveport（1）选中波导的一个端口面（垂直于z轴的平面）。（2）点击HFSSExcitationsAssignWaveport，或者点击鼠标右键assignexcitationwaveport（如图6）。（3）另外一个端口面执行同样的操作。8图6设置waveport界面5、设置求解频率（1）在菜单栏中点击HFSSAnalysisSetupAddSolutionSetup（2）在求解设置窗口中，设置SolutionFrequency：13Ghz，其它设为默认值6、计算及后处理在菜单栏中点击HFSSAnalyzeall9）画场分布图在菜单栏中点击HFSSFieldsPlotFieldsE，画出电场强度的幅度分布（如图7）。在ProjectManager窗口中，选择dipoleHFSSDesign1FieldOverlays，点击鼠标右键AnimateOK，可以演示电场强度幅度随着时间变化情况，观察理解电磁波从端口1向端口2传播的过程。9图7波导中电场强度幅度分布10）观察数据结果点击HFSSResultsSolutionData（如图8），在MatrixData项中可以查看S参数以及传播常数Gamma等参数（如图9）。10图8查看solutiondata界面图9S参数及Gamma