微波技术与天线实验2利用HFSS仿真分析矩形波导

一、 实验原理

矩形波导的结构（如图1），尺寸a×b, a>b，在矩形波导内传播的电磁波可分为TE模和TM模。

图1 矩形波导

1）

TE模，Ez 0。

m xn y z

Hz Hmncoscose

ab

Ex

j n m xn y z Hcossinemnkcbab

j m m xn y z

Hsincosemn2

kcaab

Hmnsin

m xn y z

coseab

Ey Hx

m

kc2a

Hy

n

kc2b

Hmncos

m xn y z

sineab

其中，k

cHmn是与激励源有关的待定常数。

2）

TM模

HZ=0，由EZ的边界条件同样可得无穷多个TM模。注意：对于TMmn和TEmn

模，m, n不能同时为零，否则全部的场分量为零。

TMmn和TEmn模具有相同的截止波数计算公式，即

kc（TMmn）=kc（TEmn）

所以，它们的截止波长 c和截止频率fc的计算公式也是一样的，即

2

c（TM c（TEmn）=mn）=

2 m n

a b

2

fc（TMmn）=fc（TEmn）

对于给定的工作频率或波长，只有满足传播条件（f>fc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fc， 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

fc

12

mn

()2 ()2，可以计算fcT10，fcTE20 13.04GHz，E 6.52GHzab

fcTE01 15GHz，所以波导单模工作的频率范围为6.562-13.123GHz。

二、实验步骤

1、工程设置

打开HFSS，出现新的工程窗口（如图1）。

图1 HFSS工程窗口

（1） 设置求解类型Driven Modal（模式激励）。

在菜单中点击HFSS>Solution Type，出现Solution Type窗口，选择Driven

Modal（如图2），点击OK。

图2设置求解类型Solution Type窗口

（2） 设置模型单位毫米

在菜单栏中点击Modeler>Units，出现Set ModelUnits窗口，选择mm，点击OK（如图3）。

图3 设置模型单位Set Model Units窗口

（3） 保存工程命名为waveguide 点击工具栏中的2、画波导

点击工具栏中的

（Draw box）画矩形波导的长方体模型，在屏幕右，将工程名字设为waveguide。

下角出现长方体顶点信息，输入顶点坐标（0，0，0），按回车键；屏幕右下角出现长方体尺寸信息，输入（23，10，50）（如图4），按回车键结束画图过程。

图4画长方体顶点坐标与尺寸设置

在屏幕中间模型列表中的Box1为画出的长方体（如图5），双击Box1，出现Propoties:Project1窗口，将Name一栏的value由Box1改为waveguide（如图6）。

图5

图6

3、设置边界条件

（1）选择波导的四个纵向面。

通过Edit>select>faces,将鼠标设置为选择面的状态（如图7）。

图7 select faces界面

通过按钮（旋转功能）以及ctrl键实现选择多个面，或者通过edit>select>by name（如图8），结合ctrl键选中face10、11、12、9（如图9）。

图8 select by name界面

图9 select face界面

（2）将这四个面设置为理想导体边界。

可以通过点击HFSS>Boundaries>Assign> Perfect E实现，或者点击鼠标右键>Assign Boundary> Perfect E（如图10）。

图10 设置Perfect E边界条件

4、设置激励源wave port

（1）选中波导的一个端口面（垂直于z轴的平面）。

（2）点击HFSS>Excitations>Assign>Wave port，或者点击鼠标右键>assign excitation>wave port（如图11）。

（3）另外一个端口面执行同样的操作。

图11 设置wave port界面

5、设置求解频率

（1）在菜单栏中点击HFSS>Analysis Setup>Add Solution Setup

（2）在求解设置窗口中，设置Solution Frequency：13GHz，其它设为默认值

6、计算及后处理

在菜单栏中点击HFSS>Analyze all

在菜单栏中点击HFSS>Fields>Plot Fields>E，画出电场强度的幅度分布（如图12）。

在Project Manager窗口中，选择dipole>HFSSDesign1>Field Overlays，点击鼠标右键>Animate>OK，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。

图12 波导中电场强度幅度分布

点击HFSS>Results>Solution Data（如图13），在Matrix Data项中可以查看S参数以及传播常数Gamma等参数（如图14）。

图13 查看solution data界面

图14 S参数及Gamma