HFSS波导仿真实验

电磁场与电磁波上机实验华中科技大学光学与电子信息学院《电磁场与电磁波》课程组2014年11月1日基于HFSS的金属波导电磁特性仿真实验•了解HFSS仿真的基本原理、操作步骤实验目的•会利用HFSS对金属波导的导波特性进行仿真•画出波导内模式的电磁场分布，•理解波导中的模式、单模传输、色散与截止频率基于HFSS的金属波导电磁特性仿真实验实验内容（2选1）1.在HFSS中完成圆波导的设计与仿真，要求完成电场、磁场、面电流分布、传输曲线、色散曲线和功率的仿真计算。提示：2.横截面为任意形状的波导（矩形波导与圆波导除外）仿真分析，要求同上。圆波导主模为TE11，111111','=1.84122cckpfapa为半径，基于HFSS的金属波导电磁特性仿真实验实验时间安排电子1201、1205:周五（11月7日）晚上7:00-9:00；电子1202、1203:周日（11月9日）晚上7:00-9:00；电子1204、1206:周一（11月10日）晚上7:00-9:00；实验地点南5楼一楼大学生公共项目实验室基于HFSS的金属波导电磁特性仿真实验实验要求1、独立、认真上机操作。2、详细记录实验过程。3、能对实验结果进行简单、定性分析4、12月5日前提交实验报告。（格式见参考模板）HFSS的设计与求解新建工程设置求解类型剖分细化网格设置材料类型设置边界条件设置端口激励求解设置：求解频率，扫频设置设计模型结果是否收敛是否需要扫频求解数据后处理：查看参数，场分布等扫频分析是是否否对象建模、建立波动方程及边界条件场方程，波方程的求解过程计算结果，项目的后处理HFSS界面矩形波导示意图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。矩形波导TE10模的电磁场分布TE10模，0zE。10coszzxHHea102sinzycjxEHekaa102sinzxcxHHekaa0xzyEEH其中，10cka，j，而222210(/)ckkka，10H是与激励源有关的待定常数。矩形波导中模式的截止和传播规律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=22.86mm，b=10.16mm的空心矩形波导为例，由122()()2mnfcab，可以计算106.56cTEfGHz，2013.12cTEfGHz，0114.76cTEfGHz，所以波导单模工作的频率范围为6.56-13.12GHz。HFSS设计流程1、工程设置及建模打开HFSS，出现新的工程窗口，点击菜单栏中的建立工程（如图2）。图2HFSS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(窗口的界面会因HFSS版本号的不同而有所差异)。HFSS设计流程图3设置求解类型SolutionType窗口HFSS设计流程图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）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）。HFSS设计流程2、画长方体，材料为空气，命名为waveguide1）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。HFSS设计流程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7），双击Box1，在其出现的Propoties:Project1窗口中，将Name一栏的value由Box1改为waveguide，材料选择为air，透明度设置为1。HFSS设计流程图7HFSS设计流程3、边界条件设置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8）,或者可以用鼠标右键来实现。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9），结合ctrl键选中四个纵向面（如图10）。HFSS设计流程图8selectfaces界面HFSS设计流程图9selectbyname界面HFSS设计流程图10selectface界面HFSS设计流程2）将这四个面均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11）。图11PerfectE边界条件设置HFSS设计流程4、激励源waveport设置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12）。3）另外一个端口面执行同样的操作。HFSS设计流程图12设置waveport界面HFSS设计流程5、设置求解频率1）在菜单栏中点击HFSSAnalysisSetupAddSolutionSetup。或在projectmanager中右键Analysis设置。2）在求解设置窗口中，设置SolutionFrequency：13GHz，其它设为默认值3）在菜单栏中点击HFSSAnalysisSetupAddFrequencySweep，扫频设置如下页图HFSS设计流程扫频设置HFSS设计流程6、计算及后处理在菜单栏中点击HFSSAnalyzeall1）TE10模的单模传输特性在工程管理窗口中右击Result，剩余操作如下图，在弹出的窗口中选择SPerameter，然后选择S(prot_2,port_1)，即S21，完成后点击NewReport。HFSS设计流程传输曲线HFSS设计流程2）色散曲线在工程管理窗口中右键选择Result，前面的操作与前面相同完成，后只是此时不再选择SParameter，而是选择Gamar，并在Function中选择im，即取Gamar的虚部，完成后点击NewReport。色散曲线如右下图所示。HFSS设计流程3）画场分布图选中矩形波导，在菜单栏中点击HFSSFieldsPlotFieldsE(M为磁场，J为电流)，画出电场强度的幅度分布（如图13）。在ProjectManager窗口中，选择FieldOverlays，然后点击鼠标右键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。HFSS设计流程图13波导中的电场分布HFSS设计流程画磁场的分布方法同上，只是在菜单栏中点击HFSSFieldsPlotFieldsM，若是画电流则先选中物体某个面或某些面，然后在菜单栏中点击HFSSFieldsPlotFieldsJ，过程与画电场分布类似。图14波导中的磁场分布图15波导的面电流分布HFSS设计流程4）计算通过波导横截面的功率在计算前需要在波导中定义一个面，点击工具栏中的(Drawrectangle)，输入坐标，下图的坐标表示在波导中作z=20的面（面的法向量与坡印亭矢量要平行），完成后，在菜单栏中点击HFSSFieldsPlotFieldsCalculator，打开场计算器，计算原理为：Re()SWPndS。详细的计算方式见下页。HFSS设计流程场计算器的使用见下图，计算结果为：Scalardata0.9961236361754949.9612363617549371e-001（输入功率为1W），若为负数，则可能是坡印亭矢量与选择面的法向量反向平行。