1、微波技術(shù)與天線實驗報告 學(xué) 院： 電氣工程學(xué)院 班 級： 通信 01班 學(xué) 號： 20114400136 姓 名： 蔣 順 成 績： 實驗一、矩形波導(dǎo)TE10的仿真（軟件仿真實驗范例）一、實驗?zāi)康模?、 熟悉HFSS軟件的使用；2、 掌握導(dǎo)波場分析和求解方法，矩形波導(dǎo)TE10基本設(shè)計方法；3、 利用HFSS軟件進行電磁場分析，掌握導(dǎo)模場結(jié)構(gòu)和管壁電流結(jié)構(gòu)規(guī)律和特點。二、實驗內(nèi)容：1、 設(shè)計，并驗證矩形波導(dǎo)BG22基本結(jié)構(gòu)尺寸能保證TE10單模傳輸。2、 使用HFSS軟件建模矩形波導(dǎo)BG22結(jié)構(gòu)，選取合適的參數(shù)，并對其參數(shù)進行優(yōu)化、仿真。3、 仿真終端匹配情況下，掃頻激勵下的，參數(shù)分布以及波導(dǎo)場

2、EY、HX、HZ分布，。4、 根據(jù)軟件設(shè)計的結(jié)果和理論分析結(jié)果比較。三、實驗原理3.1導(dǎo)波原理 3.1.1. 規(guī)則金屬管內(nèi)電磁波 對由均勻填充介質(zhì)的金屬波導(dǎo)管建立如圖1 所示坐標系, 設(shè)z軸與波導(dǎo)的軸線相重合。由于波導(dǎo)的邊界和尺寸沿軸向不變, 故稱為規(guī)則金屬波導(dǎo)。為了簡化起見, 我們作如下假設(shè)： 波導(dǎo)管內(nèi)填充的介質(zhì)是均勻、 線性、 各向同性的； 波導(dǎo)管內(nèi)無自由電荷和傳導(dǎo)電流的存在； 波導(dǎo)管內(nèi)的場是時諧場。 圖1 矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)本節(jié)采用直角坐標系來分析,并假設(shè)波導(dǎo)是無限長的,且波是沿著z方向無衰減地傳輸,由電磁場理論, 對無源自由空間電場E和磁場H滿足以下矢量亥姆霍茨方程: 式中的為波導(dǎo)軸向的波數(shù)

3、,E0(x,y)和H0(x,y)分別為電場和磁場的復(fù)振幅，它僅是坐標x和y的函數(shù)。以電場為例子，將上式代入亥姆霍茲方程 ，并在直角坐標內(nèi)展開，即有kc表示電磁波在與傳播方向相垂直的平面上的波數(shù)，如果導(dǎo)波沿z方向傳播，則k為自由空間中同頻率的電磁波的波數(shù)。由麥克斯韋方程組的兩個旋度式，很易找到場的橫向分量和縱向分量的關(guān)系式。具體過程從略,這里僅給出結(jié)果：從以上分析可得以下結(jié)論：（1）場的橫向分量即可由縱向分量；（2） 既滿足上述方程又滿足邊界條件的解有許多, 每一個解對應(yīng)一個波型也稱之為模式,不同的模式具有不同的傳輸特性; （3）kc是在特定邊界條件下的特征值。它是一個與導(dǎo)波系統(tǒng)橫截面形狀、尺寸

4、及傳輸模式有關(guān)的參量。由于當(dāng)相移常數(shù)=0時，意味著波導(dǎo)系統(tǒng)不再傳播，亦稱為截止，此時kc=k，故將kc稱為截止波數(shù)。 對于橫電模(Ez=0)和橫磁模(Hz=0)上式分別可以簡化為 TE?；騂模TM模或E模 3.1.2 矩形波導(dǎo)中傳輸模式及其場分布 由于矩形波導(dǎo)的四壁都是導(dǎo)體,根據(jù)邊界條件波導(dǎo)中不可能傳輸TEM模,只能傳輸TE或TM模。這里只分析TE模(Ez=0) 對于TE模只要解Hz的波動方程。即采用分離變量，并帶入邊界條件解上式，得出TE模的橫向分量的復(fù)振幅分別為（1）矩形波導(dǎo)中傳輸模式的縱向傳輸特性 截止特性 波導(dǎo)中波在傳輸方向的波數(shù)由式9 給出 式中k為自由空間中同頻率的電磁波的波數(shù)。要

5、使波導(dǎo)中存在導(dǎo)波,則必須為實數(shù),即 k2k2c或c(ffc) 式10 如果上式不滿足,則電磁波不能在波導(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模的截止波長最長,故稱它為最低模式,其余模式均稱為高次模。由于TE10模的截止波長最長且等于2a,用它來傳輸可以保證單模傳輸。當(dāng)波導(dǎo)尺寸給定且有a2b時,則要求電磁波的工作波長滿足當(dāng)工作波長給定時,則波導(dǎo)尺寸必須滿足 相速度vp和相波長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傳播的速度。由等相位面方程很易求得相速度為導(dǎo)行波的相波長是指某種波型的等相位面在一個周期內(nèi)沿軸向傳播的距離,又稱為波導(dǎo)波長。其值為3.1.3 TE1

6、0模矩形波導(dǎo)中傳輸模式的場結(jié)構(gòu)場結(jié)構(gòu)圖是指用電力線(實線)和磁力線(虛線)的疏密分別來表示電場和磁場的強弱的分布圖。不同模式有不同的場結(jié)構(gòu)圖。對于TE模,由于Ez=0,Hz0,因此電場一定分布在矩形波導(dǎo)的橫截面內(nèi),而磁場在空間自成閉合曲線。TE模中TE10模的場結(jié)構(gòu)最簡單, 只要令式(3613)中m=1和n=0,并乘以相位因子e-jz便可得到TE10模場分布表達式由上式可以看出,TE10模只有Ey、Hx和Hz三個場分量,而且它們在z方向均為行波分布,且以速度vp=/向正z方向傳播。圖2 矩形波導(dǎo)場結(jié)構(gòu)由圖2可見，場的各個分量沿寬邊a只變化一次，即有一個半駐波分布，是沿窄邊b均勻分布，這是因為m

7、=1及n=0的緣故。故m表示場分布沿波導(dǎo)寬邊方向的半駐波個數(shù)，n表示場分布沿波導(dǎo)窄邊方向的半駐波個數(shù)。四、實驗步驟1、 軟件的啟動，雙擊HFSS圖標，或者從開始菜單打開程序中的HFSS軟件。2、 創(chuàng)建一個project，insert a design，然后建模，材質(zhì)為Vacuum的長方體。圖3 HFSS中矩形波導(dǎo)建模截圖參考圖1給出的波導(dǎo)模型，TE10模式下的波導(dǎo)基本參數(shù)設(shè)置為： 波導(dǎo)寬邊長度a109.2mm，寬邊b54.6mm，仿真?zhèn)鬏旈L度一般大于2倍波導(dǎo)波長以上。 介質(zhì)為空氣，相對介電常數(shù)為1。 3、 掃頻輸入（中心頻率3GHz，掃頻從2GHz6GHz），波導(dǎo)一端設(shè)置激勵為waveport

8、。4、 運行程序，輸出結(jié)果。五、實驗結(jié)果分析和總結(jié)圖4 內(nèi)部電場分布圖5 內(nèi)部磁場分布圖4為波導(dǎo)內(nèi)部的電場分布圖，左邊為內(nèi)部電場的幅值圖，右邊則為矢量圖。圖5左邊為波導(dǎo)內(nèi)部磁場分布的幅值圖，右邊則為其矢量圖。模擬電場的各個分量沿寬邊a只變化一次，即有一個半駐波分布，是沿窄邊b均勻分布，這是因為m=1及n=0的緣故，故m表示場分布沿波導(dǎo)寬邊方向的半駐波個數(shù)，n表示場分布沿波導(dǎo)窄邊方向的半駐波個數(shù)。波電場分布中，只有（這里是將模型的坐標系對照到圖1的坐標系同來講的）分量，電力線垂直于寬壁，在寬壁中部最強。磁場有兩個分量，的駐波分布情況跟相同，與相反。在寬壁中部為零，在側(cè)壁中部為最強，故磁力線為平行

9、于寬壁的閉合曲線。任意場量沿z軸正向為行波分布。 圖6 波壁電流分布圖矩形波導(dǎo)的管壁電流分布圖6 所示，左圖為璧電流分布的幅值圖，右側(cè)為其矢量圖，矩形波導(dǎo)內(nèi)壁通常鍍銀，可近似為理想導(dǎo)體表面，利用邊界條件，很容易得到壁上電流分布?？梢钥吹絺?cè)壁沒有軸向（這里是1圖中的x軸方向）電流分量，頂壁和底壁表面中部只有軸向的傳導(dǎo)電流。六、思考題1、 在任何均勻?qū)Рㄑb置中傳播的波都可以分為那三種模式？答：橫電波，橫磁波，橫電磁波。2、 TE10模式下矩形波導(dǎo)的截至波長是多少，它的場分布如何？答：=2a.場分布：電力線垂直于理想導(dǎo)體表面，不能與之平行； 電力線可以環(huán)繞交變磁場形成閉合曲線，電力線之間不能相互交叉

10、； 磁力線總是環(huán)繞交變電場形成閉合曲線，磁力線之間不能相互交叉； 電力線和磁力線總是相互正交，且依從坡印亭矢量的關(guān)系。3、 如何利用TE10模式下矩形波導(dǎo)，作為測量線？作為波導(dǎo)縫隙天線時，開槽又如何選??？ 答：計算得出矩形波導(dǎo)的折射率，通過測量計算所求的電磁波波長等因素。若作為波導(dǎo)天線，開槽應(yīng)該選擇波導(dǎo)的中間位置。7、 實驗體會通過本實驗，使我進一步的加深了對于微波技術(shù)與天線這門課程的理解，掌握了對于HFSS仿真軟件的使用，同時也學(xué)會了如何設(shè)計矩形波導(dǎo)，并將激勵設(shè)在不同的端口，通過觀察所形成的場分布圖的動態(tài)顯示，更有助于的理解平時所學(xué)內(nèi)容中的抽象的模型。在做的過程中，遇到問題通過同學(xué)間的討論以

11、及老師的指導(dǎo)，從而更好地完成了課設(shè)的要求，提高了動手的能力同時也增強了同學(xué)間的合作能力。實驗二、魔T的設(shè)計與仿真一、實驗?zāi)康?.學(xué)習(xí)設(shè)計波導(dǎo)分支器的方法；2.掌握魔T的設(shè)計方法及其S參數(shù)及場分布圖的分析。 3.掌握HFSS軟件，加強對相關(guān)知識的理解，提高在射頻領(lǐng)域的應(yīng)用能力。二、實驗內(nèi)容1.基于微波元器件的理論基礎(chǔ)，設(shè)計一個魔T2.查看魔放入S參數(shù)并分析場分布圖。 3、 實驗原理魔T的散射矩陣：魔T的主要特性：.任何端口都與外接傳輸線相匹配；3、4匹配之后，1、2自動匹配；.3、4臂相互隔離；1、2臂相互隔離； .3輸入：1、2等幅、反相輸出，4無輸出；.4輸入：1、2等幅、同相輸出，3無輸出

12、；.1、2均有輸入：3輸出差信號，4輸出和信號；4、 實驗步驟1.建立工程文件：在菜單欄 Tool Options HFSS Options 中將Duplicate Boundaries with geometry 復(fù)選框選中，這樣使得在復(fù)制模型時，所設(shè)置的邊界一起復(fù)制。2.設(shè)置模型單位：從主菜單選擇命令 Modeler Units 。將 Set Model Units 對話框打開，選擇 (mm) 單位。3.設(shè)置模型的默認材料：在工具欄中設(shè)置模型的默認材料為真空。4.創(chuàng)建魔T模型：利用菜單欄 Draw Box 創(chuàng)建魔T的臂arm_1 。設(shè)置激勵端口：在菜單中點擊Edit Select Face

13、s 選擇 arm_1的上表面，HFSS Excitations Assign Wave Port 。利用旋轉(zhuǎn)的方式創(chuàng)建其它臂arm_2，arm_3，arm_4 將所有的arm組合成為一個模型，即魔T創(chuàng)建完成。5. 設(shè)置求解頻率即掃頻范圍：設(shè)置求解頻率。解設(shè)置窗口中做以下設(shè)置：Solution Frequency: 4GHz； Maximun Number of Passes: 5；Maximun Delta S per Pass: 0.02。 設(shè)置掃頻。在掃頻窗口中做以下設(shè)置： Sweep Type: Fast； Frequency Setup Type: Linear Count； Star

14、t: 3.4GHz；Stop: 4GHz；Count: 1001； 然后將Save Field 復(fù)選框選中6. 設(shè)計檢查和運行仿真計算完成模型的創(chuàng)建及求解設(shè)置后，再從主菜單中選擇 HFSS-Validation Check，或者點擊 3D toolbar 中的圖標，來檢查設(shè)計的完整性和正確性。7. HFSS的數(shù)據(jù)后處理操作S參數(shù)（反射系數(shù)） 在仿真計算結(jié)束后，查看魔T的S參數(shù)，包括S11、S12、S13和S14。點擊菜單欄HFSSResultCreate Report。選擇：Report Type: Modal S Parameters ；Display Type: Rectangle。Tra

15、ce窗口：Solution：Setup1: Sweep1；Domain: Sweep 點擊Y標簽，選擇：Category: S parameter；Quantity: S(p1，p1)，S(p1,p2)，S(p1,p3)，S(p1,p4)；Function: dB，然后點擊Add Trace按鈕。最后點擊Done按鈕完成操作。場方向圖 在菜單欄點擊HFSS Field Plot Field Mag_E。在創(chuàng)建場圖的窗口做以下設(shè)置：Solution: Setup1: LastAdptive；Quantity: Mag_E: In Volume: All。 修改場點的顯示特性，選擇 E Field。便可將魔T中的電場幅度以云圖的形式繪制出來。 5、 實驗結(jié)果分析和總結(jié)1. 建模2. 場分布圖圖1，場動態(tài)分布圖3.S參數(shù)曲線分析： (1)端口作為激勵端口，端口和端口有等幅反向波輸出。如S參數(shù)圖中S(p1,p2)與S(p1,p4)所示，符合鄰口3dB耦合。（2）端口為隔離口，在-12dB左右。如S參數(shù)圖中S(p1,p3)所示。（3）由S參數(shù)圖可以看出，S(p1,p1)為魔T的反射系數(shù)。在3.40GHz時在-58dB左右，之后隨著頻率的增大有所上升，符合對口隔離。七、實驗體會通過這次實驗，