HFSS报告-电子1405戴金航-U201413750资料.docx

《电磁场与电磁波》课程仿真实验报告 学 号 U201413750 姓 名 戴金航 专 业 电子科学与技术1405班 院（系）光学与电子信息学院 2016年 11月20 日 实验目的 理解均匀波导中电磁波的分析方法，TEM/TE/TM 模式的传输特性； 了解HFSS 仿真的基本原理、操作步骤； 会用HFSS 对金属波导的导波特性进行仿真； 画出波导主模的电磁场分布； 理解波导中的模式、单模传输、色散与截止频率等概念。 实验原理 2.1导波原理 如图1，z轴与金属波导管的轴线重合。假设： 波导管内填充的介质是均匀、线性、各向同性的； 波导管内无自由电荷和传导电流； 波导管内的场是时谐场。 图1 矩形波导 以电场为例子，将上式代入亥姆霍兹方程?2E+k2E=0，并在直角坐标内展开，即有： ? = = 其中 ? 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k 对波导中传播的电磁波进行分析可知： 场的横向分量可由纵向分量表示； 既满足亥姆霍兹方程有满足边界条件的解很多，每个解对应一个波形（或称之为模式） kc是在特定边界条件下的特征值，当相移常数β=0 时，意味着波导系统不在传播，此时kc=k，kc称为截止波数。 2.2 矩形波导中传输模式的纵向传输特性 波导中的电磁波在传输方向的波数β由下式给出： β 式中k为自由空间中同频率的电磁波的波数。要使波导中存在导波，则β必须为实数，即 k 如上式不满足，则电磁波不能在波导内传输，即截止。 矩形波导中TE10模的截止波长最长，故称它为最低模式，其余模式均称为高次模。由于TE10模的截止波长最长且等于2a，用它来传输可以保证单模传输。 当波导尺寸给定且有a＞2b时，则要求电磁波的工作波长满足 a＜λ＜2a λ＞2b 当工作波长给定时，则波导尺寸必须满足 λ 3．实验内容 在HFSS中完成圆波导的设计与仿真，要求画出电场分布，获得色散曲线。模型半径为：（班号加学号后两位）mm 探讨圆波导的横截面尺寸发生变化时，主模（TE11模）的场分布和传播特性如何变化； 探讨圆波导的填充介质发生变化时，主模（TE11模）的场分布和传播特性如何变化； 比较圆波导中前两个模式的差别（提示：TE11模和TM01模式，两者的截止波长分别为3.41a，2.62a） 4.仿真实验步骤 1）理论计算（给出截止频率计算过程及结果）； f= 2）模型参数（半径，高等参数）； 半径：21mm 高：60mm 仿真模型（附图说明，给出仿真参数设置，比如求解频率设置和扫频频率设置等等）。 扫频频率:2Ghz~10Ghz 求解频率:13Ghz(初设) 计算步数:8 5.实验结果及分析 5.1 电场分布图和磁场分布图 半径：21mm 高：60mm 1）画出主模（TE11模）的径向电磁场分布； 图1 主模（TE11模）的径向电场分布 图2 主模（TE11模）的径向电场分布 2）画出主模（TE11模）的纵向电磁场分布 图3 主模（TE11模）的纵向电场分布 图4 主模（TE11模）的纵向磁场分布 3）画出色散特性曲线（相位常数-频率曲线）。 图5 色散特性曲线 5.2 圆波导的横截面尺寸变化对场分布和传播特性的影响（TE11） 5.2.1 横截面半径为10mm 图6 10mm时主模（TE11模）的纵向电场分布 图7 10mm时主模（TE11模）的纵向磁场分布 图8 10mm时的传输特性曲线 5.2.2 横截面半径为21mm 图9 21mm时主模（TE11模）的纵向电场分布 图10 21mm时主模（TE11模）的纵向磁场分布 图11 21mm时的传输特性曲线 5.2.2 横截面半径为30mm 图13 30mm时主模（TE11模）的纵向磁场分布 图14 30mm时的传输特性曲线 5.3 圆波导的填充介质变化对场分布和传播特性的影响（TE11） 5.3.1 介质为空气时的场分布及传播特性曲线 场分布见图1、2、3、4 图15 介质为空气时的传输特性曲线 5.3.2 介质为Al2O3（约9.8）时的场分布及传播特性曲线 图16 介质为Al2O3时主模（TE11模）的径向电场分布 图17 介质为Al2O3时主模（TE11模）的径向磁场分布 图18介质为Al2O3时主模（TE11模）的纵向电场分布 图19 介质为Al2O3时主模（TE11模）的纵向磁场分布 图20介质为Al2O3时的传播特性曲线 5.4 圆波导TE11模和TM01模差别 图21 TE11模的电场分布 图22 TM11模的电场分布 图23 TE11模的磁场分布 图24 TM11模的磁场分布 6.实验总结 在本次仿真实验的过程中，我初步掌握了HFSS这一电磁场仿真软