微波技术与天线实验3利用HFSS仿真分析波导膜片1

1、微波技术与天线实验3利用HFSS仿真分析波导膜片1 HFSS仿真分析波导膜片 1. 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 H ?H ?0 。 m?xa H zmn coscos n?yb m?xa e ?z n?yb ?z Ex? j?n?k 2c b mn cossin e E y ? j?m?kc 2 a H mn sin m?xa cos n?yb ?z e ?z H x ? ?m? kc 2 a H mn sin m?xa cos n?yb e H y ? ?

2、n? kc 2 b H mn cos m?xa sin n?yb e ?z 其中，k c2） Hmn是与激励源有关的待定常数。 TM模 1 H Z =0，由EZ的边界条件同样可得无穷多个TM模。注意：对于TM mn 和TE mn 模，m, n不能同时为零，否则全部的场分量为零。 TM mn 和TE mn 模具有相同的截止波数计算公式，即 ） kc（TM）=kc（TEmn mn 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 ?c（TM mn ）=?c（TE mn ）= ?m?a? 2 2 ?n?b? 2 fc（TM mn ）=fc（TE mn ） 1 f 对于给定的工作频率或波

3、长，只有满足传播条件（ >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 (ma) 2 ?( nb ) 2 ，可以计算 ? fcTE 10 ， fcTE 20 ， fcTE 01 ?15GHz ，所以波导单模工作的频率范围为。 波导容性膜片的仿真分析 矩形波导中的金属膜片分为两类，一类为容性膜片（如图9

4、（a），这种结构的膜片能储存净电磁能，具有电容的性质,其等效电路（如图9（b）。一类为感性膜片（如图10（a），其等效电路（10（b）。容性膜片是设置在矩形波导宽壁上的金属薄片；感性膜片是设置在矩形波导窄壁上的金属薄片。 2 Y=jB 图9（a） 容性膜片 图9（b） 等效电路 Y=jB 图10（a） 感性膜片 图10（b） 等效电路 对称结构的容性膜片的归一化电纳近似计算公式为 B?B Y0?4b?gln(csc?b'2b) 式中，Y0为矩形波导的导纳；a、b为矩形波导横截面尺寸；a'、b'为膜片间距。 对称结构的感性膜片的归一化电纳近似计算公

5、式为 B?B Y0?gacot2(?a'2a) S参数为 ?Y ?S?2?Y 2? ?2?Y?2?Y?Y?2?Y?2 其中Y?jB是膜片的归一化导纳。 2实验步骤 HFSS仿真分析矩形波导 HFSS软件分析单模传播模式的具体步骤如下： 建立新的工程 1）设置求解类型 在菜单中点击HFSS>Solution Type，在弹出的Solution Type窗口中选择 3 Driven Modal,点击OK 2）设置模型单位 在菜单栏中点击Modeler>Units,设置模型单位，选择mm 3）画波导 （1）在菜单栏中点击Draw>box （2

6、）在右下角的坐标栏中输入长方体的起始点位置坐标X=0 ，Y=0 ,Z=0 （3）输入长方体X,Y,Z三个方向尺寸，dX:23，dY:10，dZ:50 （4）在属性窗口中选择Attribute标签，该长方体的名字修改为waveguide 4）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>by name（如图3），结合ctrl键选中face10、11、12、9（如图4）。 （2）将这四

7、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5）。 图2 select faces界面 4 图3 select by name界面 图4 select face界面 5 图5 设置Perfect E边界条件 5）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&g

8、t;Wave port，或者点击鼠标右键>assign excitation>wave port（如图6）。 （3）另外一个端口面执行同样的操作。 图6 设置wave port界面 6 6）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。 7）保存工程 在菜单栏中点击File>Save as 8）求解该工程 在菜单栏中点击HFSS>Analyze all 9）画场分布图

9、在菜单栏中点击HFSS>Fields>Plot Fields>E，电场幅度分布（如图7）。 图7 波导中电场强度幅度分布 10）观察数据结果 点击HFSS>Results>Solution Data（如图8），在Matrix Data项中可以查看S参数以及Gamma等参数。 图8 查看solution data界面 7 HFSS仿真波导容性膜片 画波导：box类型，定点坐标（0,0,0），尺寸（23mm,10mm,50mm） 画膜片1 （1）在菜单栏中点击Draw>Rectangle （2）在右下角的坐标栏中输

10、入长方体的起始点位置坐标X=23，Y=0，Z=10。 （3）输入长方体X,Y,Z三个方向尺寸，dX:-23，。 （4）名字改为iris1。 画膜片2 （1）在菜单栏中点击Draw>Rectangle （2）在右下角的坐标栏中输入长方体的起始点位置坐标X=23 ，Y=10 ,Z=10 （3）输入长方体X,Y,Z三个方向尺寸，dX:-23，dY:-2.5 （4）名字改为iris2。 设置颜色透明度的方法 以waveguide为例，双击waveguide，点击Transparent 右侧的栏目，通过拖动比例值调整颜色的透明度（如图9）。 图9 调整颜色的透明度 画完的波导膜片如图10。

11、 设置边界条件 （1）选中波导的四个长侧面设置为理想导体perfect E。 （2）选中iris1，设置为理想导体（点击HFSS>Boundaries>Assign> Perfect E）。 （3）选中iris2， 设置为理想导体。 设置激励源 （1） 选择波导的上面端口设置为wave port （1）选择波导的下面端口设置为wave port 设置求解条件 8 HFSS>analysis setup中，将频率设置为13GHz。点击 进行计算。 图10 波导膜片 画膜片上的电流矢量图 (1) 先将waveguide隐藏只显示两个膜片。 点

12、击工具，将visibility下的一列waveguide的除掉（如图11）。 9 图11 隐藏waveguide (2) 画场分布图 同时选中iris1与iris2，点击鼠标右键>Plot Fields>J>Vector_Jsurf，出现如图12界面，点击Done，电流矢量图如图13。 10 图12 画电流矢量 图13 电流矢量分布图 (3) 演示场分布动态图 右键点击Field Overlays>Animate（如图13），其它项为缺省值。 11 图13 选择animate 通过HFSS>Results>So

13、lution Data记录仿真的S参数。并与式（1）中计算的理论值进行比较（如表1）。从表中可见，仿真值与理论值基本一致，仿真方法正确。 表1 容性膜片的S参数理论值与仿真值 12 3、实验要求 以a=23mm，b=10mm的波导为例，仿真波导容性膜片（b），要求 （1） 简要概括仿真步骤（比如波导的顶点与尺寸，膜片的顶点与尺寸，边 界条件设置步骤，源的设置）； （2） 给出膜片上的电流矢量分布图； （3） 将软件计算的S参数与理论值进行比较填入表中。 （实验报告从以下封面开始，将上面文字全部删除，实验报告可以双面打印） 13 设置变量 利用HFSS的变量功能，可以将波导的尺寸设置为变量a和b

14、，膜片之间的距离设置为变量b，以便调整尺寸大小。具体步骤如下： （1） 设置变量a和变量b。 双击waveguide下的CreatBox（如图14），在Xsize栏输入“$a”（代表全局变量a），变量值赋为23mm（如图15）。在Ysize栏输入“$b”，变量值赋为 10mm（如图16）。 图14 waveguide下的CreatBox 图15 输入变量a 图16 输入变量b （2） 设置膜片的变量。 将iris1的position赋为(0mm,0mm,10mm)，Xsize为$a，Ysize赋为($b-$bp)/2，变量$bp的值赋为0.5*$b（如图17）。同样方法将iris2的posit

15、ion赋为(0mm,$b,10mm)，Xsize为$a，Ysize赋为-($b-$bp)/2（如图18）。 图17 iris1的变量 图18 iris2的变量 （3） 调整变量参数。 点击Poject>Project Variables（如图19），点击Values一列的栏目可以更改各变量的值或者计算公式（如图20） 图19 Project Variables 图20 各变量及变量值 微波技术与天线实验报告 实验名称： 实验3：利用HFSS仿真分析波导膜片 学生班级： 电子二班 学生姓名： 学生学号： 实验日期： 1. 仿真步骤 （1） 画图 画波导。长方体，顶点为（0,0,0），尺寸为23,10,50，命名为waveguide 画膜片1。XY面上的矩形，顶点为23,0,10，尺寸为dX=-23，命名为iris1 画膜片2。XY面上的矩形，顶点为23,10,10，尺寸为dX=-23，命名为 iris2 （2） 设置边界条件。 （1）选中波导的四个长侧面设置为理想导体perfect E。 （2）选中iris1，设置为理想导体（点击HFSS>Boundaries>Assign&a