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实验一、矩形波导TE10的仿真设计与电磁场分析（西南科技大学信息工程学院电子教研室夏祖学老师编写）班级：学号：姓名：报告日期：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:00(,)(,)jzjzEExyeHHxye式1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的函数。以电场为例子，将上式代入亥姆霍兹方程220EkE,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：2222()()2()()zzxczzyczzxczzycHEjEkyxHEjEkxyHEjHkxyHEjHkyx式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222cxykkk；k为自由空间中同频率的电磁波的波数。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)：0zzEH；2.横电波(TE波)：0,0zzEH；3.横磁波(TM波)：0,0zzEH。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222000220zzczHHkHxy式3对于TE10模，根据式2可得：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222.8610.16mmab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：cTE102222.86(mm)a；截止频率：891030013106.5610(Hz)222.26102cfa波导波长：10220223103.9710(m)1()1(6.5610)gTEcff波阻抗：100TE2377499.3()0.7551()cZff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。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。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。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。四、HFSS软件的使用（举例）：1、软件的启动，双击HFSS图标，或者从开始菜单打开程序中的HFSS软件。2、创建一个project，insertadesign，然后建模，材质为Vacuum的长方体。图3HFSS中矩形波导建模截图TE10模式下的波导基本参数（电磁场与电磁波P271页例7.2.2的矩形波导）：参考图1所示：A、波导a＝22.86mm，b＝10.16mm，仿真传输长度一般大于2倍波导波长以上。B、介质为空气，相对介电常数为1。C、金属厚度为t（一般主要导电层(铜)厚度大于三倍趋附深度，约5微米以上，仿真选择0.1ｍｍ，实际一般加工的板子ｔ为0.01－0.02ｍｍ）3、扫频输入（中心频率6.56GHz，扫频从1GHz－12.4GHz），波导一端设置激励为waveport，终端接匹配499.3Ω负载。4、运行程序，输出结果。5、根据软件设计的结果和理论分析结果比较。五、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。六、实验体会七、思考题1、在任何均匀导波装置中传播的波都可以分为那三种模式？2、TE10模式下矩形波导的截至波长是多少，它的场分布如何？3、如何利用TE10模式下矩形波导，作为测量线？作为波导缝隙天线时，开槽如何选取？八、参考仿真曲线（TE10模式，终端接匹配499.3Ω负载）图1矩形波导场图图2矩形波导面电流图图3矩形波导S参数图（反射系数，透射系数图）