HFSS报告电子1405戴金航U201413750

1、电磁场与电磁波课程仿真实验报告学号 U201413750姓名 戴金航专业 电子科学与技术1405班 院（系）光学与电子信息学院2016年11月20 日1. 实验目的1） 理解均匀波导中电磁波的分析方法，TEM/TE/TM 模式的传输特性；2） 了解HFSS 仿真的基本原理、操作步骤；3） 会用HFSS 对金属波导的导波特性进行仿真；4） 画出波导主模的电磁场分布；5） 理解波导中的模式、单模传输、色散与截止频率等概念。2. 实验原理2.1导波原理如图1，z轴与金属波导管的轴线重合。假设：1） 波导管内填充的介质是均匀、线性、各向同性的；2） 波导管内无自由电荷和传导电流；3） 波导管内的场是时

2、谐场。图1 矩形波导以电场为例子，将上式代入亥姆霍兹方程Ñ2E+k2E=0，并在直角坐标内展开，即有：Ñ2E+k2E=2Ex2+2Ey2+2Ez2+k2E=2Ex2+2Ey2-2E+k2E=ÑT2E+kc2E=0其中 ÑT2E=2Ex2+2Ey2kc2=k2-2kc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kc2=kx2+ky2对波导中传播的电磁波进行分析可知：1） 场的横向分量可由纵向分量表示；2） 既满足亥姆霍兹方程有满足边界条件的解很多，每个解对应一个波形（或称之为模式）3） kc是在特定边界条件下的特征值，当相移常数=0

3、 时，意味着波导系统不在传播，此时kc=k，kc称为截止波数。2.2 矩形波导中传输模式的纵向传输特性波导中的电磁波在传输方向的波数由下式给出：2=k2-kc2=2-2c式中k为自由空间中同频率的电磁波的波数。要使波导中存在导波，则必须为实数，即k2kc2或c(ffc)如上式不满足，则电磁波不能在波导内传输，即截止。矩形波导中TE10模的截止波长最长，故称它为最低模式，其余模式均称为高次模。由于TE10模的截止波长最长且等于2a，用它来传输可以保证单模传输。当波导尺寸给定且有a2b时，则要求电磁波的工作波长满足a2a 2b当工作波长给定时，则波导尺寸必须满足2a b23实验内容在HFSS中完成

4、圆波导的设计与仿真，要求画出电场分布，获得色散曲线。模型半径为：（班号加学号后两位）mm1） 探讨圆波导的横截面尺寸发生变化时，主模（TE11模）的场分布和传播特性如何变化；2） 探讨圆波导的填充介质发生变化时，主模（TE11模）的场分布和传播特性如何变化；3） 比较圆波导中前两个模式的差别（提示：TE11模和TM01模式，两者的截止波长分别为3.41a，2.62a）4.仿真实验步骤 1）理论计算（给出截止频率计算过程及结果）； cTE11=2R11=3.41R=71.61mm f=CcTE11=4.19Ghz 2）模型参数（半径，高等参数）；半径：21mm 高：60mm4） 仿真模型（附图说

5、明，给出仿真参数设置，比如求解频率设置和扫频频率设置等等）。扫频频率:2Ghz10Ghz求解频率:13Ghz(初设)计算步数:85.实验结果及分析5.1 电场分布图和磁场分布图半径：21mm 高：60mm1）画出主模（TE11模）的径向电磁场分布；图1 主模（TE11模）的径向电场分布图2 主模（TE11模）的径向电场分布2）画出主模（TE11模）的纵向电磁场分布图3 主模（TE11模）的纵向电场分布图4 主模（TE11模）的纵向磁场分布3）画出色散特性曲线（相位常数-频率曲线）。图5 色散特性曲线5.2 圆波导的横截面尺寸变化对场分布和传播特性的影响（TE11）5.2.1 横截面半径为10m

6、m图6 10mm时主模（TE11模）的纵向电场分布图7 10mm时主模（TE11模）的纵向磁场分布图8 10mm时的传输特性曲线5.2.2 横截面半径为21mm图9 21mm时主模（TE11模）的纵向电场分布图10 21mm时主模（TE11模）的纵向磁场分布图11 21mm时的传输特性曲线5.2.2 横截面半径为30mm图13 30mm时主模（TE11模）的纵向磁场分布图14 30mm时的传输特性曲线5.3 圆波导的填充介质变化对场分布和传播特性的影响（TE11）5.3.1 介质为空气时的场分布及传播特性曲线场分布见图1、2、3、4图15 介质为空气时的传输特性曲线5.3.2 介质为Al2O3

7、（约9.8）时的场分布及传播特性曲线图16 介质为Al2O3时主模（TE11模）的径向电场分布图17 介质为Al2O3时主模（TE11模）的径向磁场分布图18介质为Al2O3时主模（TE11模）的纵向电场分布图19 介质为Al2O3时主模（TE11模）的纵向磁场分布图20介质为Al2O3时的传播特性曲线5.4 圆波导TE11模和TM01模差别图21 TE11模的电场分布图22 TM11模的电场分布图23 TE11模的磁场分布图24 TM11模的磁场分布6.实验总结 在本次仿真实验的过程中，我初步掌握了HFSS这一电磁场仿真软件的使用方法，基本完成了本次实验要求完成的任务。在实验过程中遇到了很多问题：首先是不清楚定义TE11模和TM11模的方法，通过询问助教解决；其次是在仿真过程中遇到仿真时间过长的问题（基础图形的半径是21mm，高是60mm），将高度改小解决；最后是在仿真介质为Al2O3时的传播特性曲线（图20）以及半径为30mm时的传输特性曲线（图14）时图像上出现很多尖峰和毛刺。在询问助教后得