矩形波导的设计讲解

图4.1HFSS软件求解流程图自适应网格剖分是在误差大的区域内对网格多次迭代细化的求解过程，利用网格剖分结果来计算在求解频率激励下存在于结构内部的电磁场。初始网格是基于单频波长进行的粗剖分，然后进行自适应分析，利用粗剖分对象计算的有限元解来估计在问题域中的哪些区域其精确解会有很大的误差（收敛性判断），再对这些区域的四面体网格进行细化（进一步迭代），并产生新的解，重新计算误差，重复迭代过程（求解一误差分析（收敛性判断）一自适应细化网格）直到满足收敛标准或达到最大迭代步数。如果正在进行扫频，则对其他频点求解问题不再进一步细化网格。自适应网格如图4.2所示：相移,rad图©电场等值线的用尊忐罹曲线HFSS仿真实现在历史窗口内点中Circlel节点，选中所画矩形实面体，右键点击工程树【Fieldoverlays】一【PlotFields】一【E】一【VectorE】，矩形实面体上便会显示出仿真计算后的电场矢量图，同样的方法也可以绘制矩形实面体上的电场矢量图。如图4.3(a)所示。।।图4.3(a)仿真后的电场矢量图(纵剖面)由于波端口设置了10个模式，所以可以通过更改相关参数得到其他模式的仿真结果。具体步骤为：右键点击工程树【Fieldoverlays】f【EditSources】，弹出如图4.4所示对话框。图4.4设置波端口激励对话框更改ScalingFactor参数，ScalingFactor参数为1的模式变可以观察到此模式的

仿真结果。注意ScalingFactor参数中只有一个模式设为1,其他模式均为0。通过更改参数，便可以得到是个模式的仿真结果，画出前十个模式的电场矢量图如图4.5所示。图4.5(b)TE纵剖面电场矢量图11图4.5(d)TE极化简并模纵剖面电场矢量图11图4.5(f)TM纵剖面电场矢量图01图4.5(h)TE纵剖面电场矢量图21图4.5(j)TE极化简并模纵剖面电场矢量图21图4.5(1)TE纵剖面电场矢量图

01图4.5(n)TM纵剖面电场矢量图11图4.5(p)TM极化简并模纵剖面电场矢量图11图4.5(r)TE纵截面电场矢量图

31图4.5(t)TE极化简并模纵剖面电场矢量图31仿真结果分析上述绘制了矩形波导的前十个模式的电场矢量图,通过对式（2-2-7）分析,场的极化方向具有不确定性，使得波导在中方向有sin和cos两种可能的分布，且两者独立存在，相互正交，具有相同的截止波长。这种现象是由矩波导的轴对称性所决定的，称为极化简并。由于这种情况的出现，使得前十个模式中除TM01及TE01外都存在极化简并，所以得出的前十个模式分别为TE1l（包含两个极化简并模）、TM01、TE21（包含两个极化简并模）、T0i、TMii（包含两个极化简并模）、TE31（包含两个极化简并模）。根据得出的电场矢量图分析可得，仿真结果符合上述理论分析。本章小结本章节对使用HFSS平台对所设计矩形波导的仿真结果进行了分析和讨论，首先介绍了HFSS平台的仿真原理,给出了HFSS求解过程的流程图以及求解原理；并介绍了如何通过更改ScalingFactor参数观测其他模式的仿真结果，通过HFSS画出了前十个模式的电场矢量图，通过理论知识的分析，矩形波导存在极化简并现象，证明了仿真结果的正确性。第五章小结与展望工作总结矩波导是微波工程中最重要的微波仪器之一，金属矩波导中电磁场传播研究是非常有实际应用价值的课题．理论上，可对矩介质波导和光纤中电磁场传播特性的研究提供可借鉴经验；应用上，本文通过仿真给出电场矢量图，对矩波导中电磁场检测有一定指导意义，对其传输特性有待更深入的理解．本文研究内容对开发规则金属波导图形仿真计算器也具有一定实践意义。ANSOFTHFSS充分利用了如自动匹配网格产生及加密、切线矢量有限元、ALPS（AdaptiveanczoS^adeSweep和模式一节点转换Mode-nod等先进技术，从而可利用有限元法（FEM）对任意形状的三维无源结构进行电磁场仿真。HFSS自动计算多个自适应的解决方案，直到满足指定的收敛要求值。其基于MAXWELL方程的场求解方案能精确计算所有高频性能，如散射、模式转换、材料和辐射引起的损耗等。可产生生动逼真的场型动画图，包括矢量图、等高线图、阴影等高线图。通过一个学期的毕业设计，实践能力有了很大的提高，不但初步掌握了HFSS软件的操作和仿真原理，复习巩固了电磁场与电磁波，微波天线技术等基础知识，还了解了矩形波导的内部电磁场和传输特性。毕业设计非常好的锻炼了运用所学知识分析解决问题的能力。在这样的一个过程中，使理论知识得到了在实践运用，能力得到了提高。工作展望本次课题所研究的内容为矩形波导的设计和仿真，研究内容相对简单，但为自己以后的学习研究提供了一个基础，矩形波导是微波工程中重要的微波传输介质之一，对微波技术的发展有着极其重要的作用。现代微波通信中，为了尽量优化传输介质，需要结合多种传输介质结合使用，例如矩形波导和矩形波导的结合使用。一个较复杂的微波系统常遇到几种不同的波导，并由许多作用不同的元件组成。每种波导的主模都不同，每个元件都有一定的工作模式。因此，为了从一种波导元件过渡到另一种波导元件，或过渡到同种波导元件的另一种工作模式，就需要采用波型变换元件。目前金属波导在模式转换器上的研究较多，需要以后不断的研究，充分认知金属波导在微波通信的作用。参考文献.王国伟，杨能彪，刘浩.基于Mathematic的矩形波导电磁场的可视化J].微电子学与计算机，2006，23(11):51-53.郑伟，王永龙.半矩形波导中的电磁场J].大学物理，2007,26(9):60-63.王永龙，夏昌龙，刘朋.基于MATLAB编程给出矩形波导中能流密度分布图仿真J].临沂师范学院学报,2008,30(3):40-44.林为干，符果行，邬琳若，等.电磁场理论[M].北京：人民邮电出版社，1984:254-256.劳兰P,考森DR.电磁场与电磁波.陈成均译.北京：人民教育出版社，1982.郭硕鸿.电动力学[M].北京：高等教育出版社，1997:143-145.陆全康，赵惠芳.数学物理方法[M].北京：高等教育出版社，2004:354-369.梁昆淼.数学物理方法[M].北京：人民教育出版社，1978:293-295.彭芳麟.数学物理方程的MATLAB解法与可视化[M].北京：清华大学出版社，2005:80-92.周传明，刘国治，刘永贵.高功率微波源.北京：原子能出版社，2007，l—44.王文祥．微波工程技术北京：国防工业出版社，2009，385．396.赵姚同，等.微波技术与天线[M].南京:东南大学出版社，2003..吴万春.电磁场理论.北京:电子工业出版社,1985.林为干.电磁场理论.北京:人民邮电出版社,1984.毕德显.电磁场理论.北京:电子工业出版社,1985.哈林登RF.正弦电磁场.孟侃译.上海：上海科学技术出版社，1964.佘守宪.导波光学物理基础.北京:北方交通大学出版社,2002.黄宏嘉.微波原理.北京:科学出版社,1963.廖承恩.微波技术基础.北京:国防工业出版社,1984.吴明英,毛秀华.微波技术.西安:西北电讯工程学院出版社,1985.黄志洵,王晓金.微波传输线理论与实用技术.北京:科学出版社,1996.闫润卿,李英惠.微波技术基础.北京:北京理工大学出版社,1997.赵春晓,杨莘元.微波测量与实验教程.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2000.陈振国.微波技术基础与应用.北京:北京邮电大学出版社,1996.王明鉴,施社平.新编电信传输理论.北京:北京邮电大学出版社,1995.PozerDM.MicrowaveEngineering.Addision-WesleyPublishingCompany,1990.ElliottRS.AnIntroductiontoGuidedWaveandMicrowaveCircuits.Prentice-Hall,Inc.,1994.WesLawson，MelanyR．Arjona，BartEHogan．Thedesignofserpertine-modecnvertersforhigh-powermicrowaveapplications．IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques，2000，48(5)：809—814.C.L.Spillard,S.M.Spangenberg,G.J.R.Povey.ASerial-parallelFFTCorrelatorforPNCodeAcquisitionfromLEOSatellites.1998:1,456-474..D．V．V'mogradov,GGDenisov．Theconversionofwavesinabentwaveguidewithavariablecurvature．IzvestiyaVUZ．Radiofizika，1990，33(6)：726-731.GGDenisov,A．EGashturi，S．V．Mishakin．Calculationof3-DwaveguidestructureswithEFIE．15InternationalConferenceOHTHzElectronics．Cardiff,2007：779-780致谢四年紧张而充实的本科生生活对我而言是一段美丽而又珍贵的人生旅程。在期间有许多老师和朋友给予了我莫大的帮助和鼓励，在他们的关心和帮助下，我不但增长了专业知识，更重要的是学会了做人的道理。因此，在我完成毕业论文同时，心中充满了对他们深深的感谢。首先向我的导师徐新河博士致以崇高的敬意和衷心的感谢！本人为有幸成为导师的一名学生而深感荣幸。论文的工作是在导师的悉心指导和亲切关怀下完成的，从选题、论证直到论文撰写，自始自终都倾注了导师的心血。导师渊博的知识、严谨的治学作风、创新而又求实的学术精神以及高尚的人格都给作者留下