微波专业技术与天线实验3利用HFSS仿真分析矩形波导Word下载.docx
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实验日期:
2011年月日
一、实验目的
学会HFSS仿真波导的步骤,画出波导内场分布随时间变化图,理解波的传播与截止概念;
计算传播常数并与理论值比较。
二、实验原理
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。
图1矩形波导
1)TE模,
。
其中,
=
而
是与激励源有关的待定常数。
2)TM模
=0,由
的边界条件同样可得无穷多个TM模。
注意:
对于
和
模,m,n不能同时为零,否则全部的场分量为零。
模具有相同的截止波数计算公式,即
(
)=
)=
所以,它们的截止波长
和截止频率
的计算公式也是一样的,即
对于给定的工作频率或波长,只有满足传播条件(
>
或
<
)的模式才能在波导中传播。
由公式可以看出矩形波导的
,
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
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
,可以计算
所以波导单模工作的频率范围为6.562-13.123GHz。
三、实验步骤
1、工程设置
打开HFSS,出现新的工程窗口(如图2)。
图2HFSS工程窗口
(1)设置求解类型DrivenModal(模式激励)。
在菜单中点击HFSS>SolutionType,出现Solution Type窗口,选择DrivenModal(如图3),点击OK。
图3设置求解类型SolutionType窗口
(2)设置模型单位毫米
在菜单栏中点击Modeler>Units,出现SetModelUnits窗口,选择mm,点击OK(如图4)。
图4设置模型单位SetModel Units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、画长方体,材料为真空,名字为wavguide
(1)画长方体
(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。
图5长方体顶点坐标
图 6长方体尺寸设置
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),双击Box1,出现Propoties:
Project1窗口,将Name一栏的value由Box1改为waveguide。
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2)。
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>byname(如图3),结合ctrl键选中face10、11、12、9(如图4)。
(2)将这四个面设置为理想导体边界。
可以通过点击HFSS>
Boundaries>
Assign>
PerfectE实现,或者点击鼠标右键>AssignBoundary>
Perfect E(如图5)。
图2 selectfaces界面
图3 select byname界面
图4selectface界面
图5设置PerfectE边界条件
4、设置激励源waveport
(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>
Waveport,或者点击鼠标右键>
assignexcitation>waveport(如图6)。
(3)另外一个端口面执行同样的操作。
图6设置waveport界面
5、设置求解频率
(1)在菜单栏中点击HFSS>
AnalysisSetup>
AddSolutionSetup
(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>Analyzeall
9)画场分布图
在菜单栏中点击HFSS>
Fields>
PlotFields>
E,画出电场强度的幅度分布(如图7)。
在ProjectManager窗口中,选择dipole>HFSSDesign1>
FieldOverlays,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7波导中电场强度幅度分布
10)观察数据结果
点击HFSS>
Results>
SolutionData(如图8),在MatrixData项中可以查看S参数以及传播常数Gamma等参数(如图9)。
图8查看solutiondata界面
图9 S参数及Gamma