矩形波导天线的HFSS仿真

1 天线的主要参数

时变的电流和被加速的电荷都可以产生辐射，辐射产生的电磁能量能够在空间中传播。天线能够定向辐射和接收电磁波能量。天线按照工作性质可以分为发射天线和接收天线；按照用途可以分为通信天线、雷达天线、广播天线和电视天线等；按照波段可以分为长波天线、中波天线和短波天线等。一般常见的天线结构为线天线、环天线、面天线、喇叭天线、介质天线、微带天线和裂缝天线等。为了实现特定的工程任务，天线经常也组成天线阵列。

1.1 方向图

天线的空间辐射在不同方向是不同的，可以用方向性函数(,)f θ?来描述。根据方向性函数绘制的天线辐射（或接收）场强-振幅-方向三维特性的图形简称为方向图。工程也常采用两个互相正交主平面上的剖面图来描述天线的方向性，一般为俯视图和水平面方向图。

绘制某一平面的方向图时，可以采用极坐标方式。方向图一般呈花瓣状，所以也称为波瓣图，其中最大的波瓣称为主瓣，其余的称为副瓣或旁瓣。

方向图主瓣上两个半功率电平点之间的夹角称为主瓣宽度或半功率波束宽度。电场最大值Emax 所在的波瓣称为主瓣。在Emax 的两边，

电场下降到最大值2时，对应功率为最大方向的一半，这两个辐射方向之间的夹角即为主瓣宽度。

1.2 方向性系数

发射天线的方向性系数表征天线辐射的能量在空间分布的集中能力，定义为相同辐射情况下，天线在给定方向的辐射强度与平均辐射强度之比：

220

(,)(,)E D E θ?θ?= （1-1） 式中，(),E θ?是该天线在(),θ?方向下某点的场强，0E 是全方向点源天线在同一点产生的场强。

一般情况下关心的均为最大辐射方向的方向系数。

接收天线的方向性系数表征天线从空间接收电磁能量的能力，即在相同来波场强的能量下，天线在某方向接收时向负载输出功率与点源天线在同方向接收是向负载输出功率之比。发射天线的方向性系数和接收天线的方向性系数虽然在定

义上不同，但数值上是一样的。

增益：如果将式（1-1）定义的方向性系数中的辐射功率改为天线的输入功率，即考虑天线本身的能量转换效率，则该定义为增益。

1.3 输入阻抗

天线的输入阻抗定义为输入端电压和电流之比。接到发射机和接收机的天线，其输入阻抗等效为发射机或接收机的负载。因此，输入抗阻值的大小表征了天线与发射机或接收机的匹配情况，体现了导行波和辐射波之间能量转换的好坏。

一般情况下，天线的输入阻抗具有电阻和电抗两个部分。电阻主要包括辐射电阻和损耗电阻，辐射电阻的大小表示天线辐射和接收能力的强弱；损耗电阻表示天线自身对于微波能量的损耗。

1.4 极化

天线的极化，就是指天线辐射时形成的电场强度方向。

当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波。由于电波的特性，决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减，而垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。因此，在移动通信系统中，一般均采用垂直极化的传播方式。另外，随着新技术的发展，现在大量采用双极化天线。就其设计思路而言，一般分为垂直与水平极化和±45°极化两种方式，性能上一般后者优于前者，因此目前大部分采用的是±45°极化方式。双极化天线组合了+45°和-45°两副极化方向相互正交的天线，并同时工作在收发双工模式下，大大节省了每个小区的天线数量；同时由于±45°为正交极化，有效保证了分集接收的良好效果。（其极化分集增益约为5dB，比单极化天线提高约2dB。）

1.5 带宽

每个天线都有其中心工作频率，在偏离中心工作频率，天线的某些电性能将会下降，电性能下降到容许值的频率范围，就称为天线的带宽。这里所关心的电性能可以是输入阻抗，也可以是增益等。

天线带宽的表示方法有两种：一种是绝对带宽，是指天线实际工作的频率范

围，另一种是相对带宽，是绝对带宽与中心频率之比。

2 惠更斯元的辐射及矩形同相平面口径的辐射

2.1 惠更斯元的辐射

图2-1 口径面的辐射

如图2-1所示面天线通常由金属面S1和初级辐射源组成。设包围天线的封闭曲面由金属面的外表面S1以及金属面的口径面S2共同组成，由于S1为导体的外表面，其上的场为零，于是面天线的辐射问题就转化为口径面S2的辐射。由于口径面上存在着口径场E S和H S，根据惠更斯原理(Huygen's Principle)，将口径面S2分割成许多面元，这些面元称为惠更斯元或二次辐射源。

由所有惠更斯元的辐射之和即得到整个口径面的辐射场。为方便计算，口径面S2通常取为平面。当由口径场求解辐射场时，每一个面元的次级辐射可用等效电流元与等效磁流元来代替，口径场的辐射场就是由所有等效电流元（等效电基本振子）和等效磁流元（等效磁基本振子）所共同产生的。这就是电磁场理论中的等效原理(Field Equivalence Theorem)。

图2-2 惠更斯辐射元及其坐标

惠更斯元的辐射为相互正交放置的等效电基本振子和等效磁基本振子的辐射场之和。

在研究天线的方向性时，通常更关注两个主平面的情况，所以下面也只讨论面元在两个主平面的辐射。

E 平面（yOz 平面）如下图所示，在此平面内，

图2-3 E 平面的场分布

电基本振子产生的辐射场为：

60()sin e jkr x a H dx dy

dE j e e r παλ-= (2-1)

磁基本振子产生的辐射场为：

()2y m jkr

a E dy dx dE j e e r λ-=- (2-2)

于是，惠更斯元在E 平面上的辐射场为：

1

(1cos )2jkr E y dE j E e dse r θθλ-=+ (2-3) H 平面（xOz 平面）如下图所示，在此平面内：

图2-4 H 平面的场分布

根据上述同样的分析，电基本振子产生的辐射场为：

1

2jkr

e y dE j E e dse r ?λ-= (2-4)

磁基本振子产生的辐射场为：

1

cos 2jkr m y dE j E e dse r ?θλ-= (2-5)

于是，惠更斯元在H 平面上的辐射场为：

1(1cos )2jkr H y dE j E e dse r

?θλ-=+ (2-6) 由上可看出，两主平面的归一化方向函数均为：

1()()(1cos )2

E H

F F θθθ==+ (2-7) 惠更斯元归一化方向图

图2-5 惠更斯元归一化方向图

2.2 矩形同相平面口径的辐射

设矩形口径(Rectangular Aperture)的尺寸为a ×b ，如下图所示

图2-6 矩形平面口径坐标系

对于E 平面（yOz 平面）：

/2/2

sin /2/21(1cos )(,)2s a b jky jkr E s y s s s a b E E j e dx E x y e dy r θ

θθλ---==+?? (2-8)

对于H 平面（xOz 平面）：

/2/2

sin /2/21(1cos )(,)2s b a jkx jkr H s y s s s

b a E E j e dy E x y e dx r θ?θλ---==+?? (2-9)

当口径场Ey 为均匀分布时，Ey=E0，如果引入：

121

sin 21sin 2kb ka ψθ

ψθ== (2-10) 则两主平面的方向函数为

221

1sin 2)cos 1(sin 2)cos 1(ψψθψψθ?+=?+=H E F F (2-11)

3 卫星通信中面天线的应用

3.1 抛物面天线

抛物面天线是一种单反射面型天线，利用轴对称的旋转抛物面作为主反射面，将馈源置于抛物面的焦点F 上，馈源通常采用喇叭天线或喇叭天线阵列，如图1所示。发射时信号从馈源向抛物面辐射，经抛物面反射后向空中辐射。由于馈源位于抛物面的焦点上，电波经抛物面反射后，沿抛物面法向平行辐射。接收时，经反射面反射后，电波汇聚到馈源，馈源可接收到最大信号能量。

图3-1 抛物面天线

抛物面天线的优点是结构简单，较双反射面天线便于装配。缺点是天线噪声温度较高；由于采用前馈，会对信号造成一定的遮挡；使用大功率功放时，功放重量带来的结构不稳定性必须被考虑。

3.2 卡塞格伦天线

卡塞格伦天线是一种双反射面天线，它由两个发射面和一个馈源组成，如图2所示。主反射面是一个旋转抛物面，副反射面为旋转双曲面，馈源置于旋转双曲面的实焦点F1上，抛物面的焦点与旋转双曲面的焦点重合，即都位于F2点。从馈源辐射出来的电磁波被副反射面反射向主反射面，在主反射面上再次被反射。由于主反射面的焦点与副反射面的焦点重合，经主副反射面的两次反射后，电波平行于抛物面法向方向定向辐射。对经典的卡塞格伦天线来说，副反射面的存在遮挡了一部分能量，使得天线的效率降低，能量分布不均匀，必须进行修正。修正型卡塞格伦天线通过天线面修正后，天线效率可提高到0.7—0.75，而且能量分布均匀。目前，大多数地球站采用的都是修正型卡塞格伦天线。

卡塞格伦天线的优点是天线的效率高，噪声温度低，馈源和低噪声放大器可以安装在天线后方的射频箱里，这样可以减小馈线损耗带来的不利影响。缺点是副反射面极其支干会造成一定的遮挡。

图3-2 卡塞格伦天线

3.3 格里高利天线

格里高利天线也是一种双反射面天线，也由主反射面、副反射面及馈源组成，如图3.3所示。与卡塞格伦天线不同的是，它的副反射面是一个椭球面。馈源置于椭球面的一个焦点F1上，椭球面的另一个焦点F2与主反射面的焦点重合。格里高利天线的许多特性都与卡塞格伦天线相似，不同的是椭球面的焦点是一个实焦点，所有波束都汇聚于这一点。

图3-3 格里高利天线

3.4 环焦天线

对卫星通信天线的总要求是在宽频带内有较低的旁瓣、较高的口面效率及较高的G/T值（地面站性能指数），当天线的口面较小时，使用环焦天线能较好地同时满足这些要求。因此，环焦天线特别适用于VSAT地球站。

环焦天线由主反射面、副反射面和馈源喇叭三部分组成，结构如图4所示。主反射面为部分旋转抛物面，副反射面由椭圆弧CB绕主反射面轴线OC旋转一

周构成，馈源喇叭位于旋转椭球面的一个焦点M上。由馈源辐射的电波经副反射面反射后汇聚于椭球面的另一焦点M’，M’是抛物面OD的焦点。因此，经主反射面反射后的电波平行射出。由于天线是绕机械轴的旋转体，因此焦点M’构成一个垂直于天线轴的圆环，故称此天线为环焦天线。环焦天线的设计可消除副反射面对对电波的阻挡，也可基本消除副反射面对馈源喇叭的回射，馈源喇叭和副反射面可设计得很近，这样有利于在宽频带内降低天线的旁瓣和驻波比，提高天线效率。缺点是主反射面地利用率低，如图4.4所示，AA’间的区域没有作用。

图3-4 环焦天线

3.5 偏馈型天线

无论是抛物面天线，还是卡塞格伦天线，都有一个缺点，总有一部分电波能量被副反射面阻挡，造成天线增益下降，旁瓣增益增高。可以使用天线偏馈技术解决这个问题。所谓偏馈天线，就是将馈源和副反射面移出天线主反射面的辐射区，这样就不会遮挡主波束，从而提高天线效率，降低旁瓣电平。偏馈型天线广泛应用于口径较小的地球站。这类天线的几何结构比轴对称天线的结构要复杂得多，特别是双反射面偏馈型天线，其馈源、焦距的调整要复杂得多。

图3-5 偏馈天线

3.6 双频段天线

如果使用频率选择表面（FSS）作副反射面，就可以构成双频段天线。FSS 是一种空间滤波器，通过在空间放置周期性的金属贴片或金属缝隙构成，它在某些频率可让电磁波无衰减的通过，而在另外一些频率将电磁波完全反射。其结构及电磁特性如图3.6所示，在频率f1电磁波被完全反射，在频率f2电磁波完全通过。如果我们使用这样的FSS作副反射面，并使馈源1工作在f1，馈源2工作在f2，则两个馈源可无干扰地工作在同一副天线上，如图3.7所示。利用相同地原理，可制成多频段天线，这种技术已在卫星上得到应用。这种天线地优点是可有效利用反射面，降低天线重量。

图3-6 FSS的结构及电磁特性

图3-7 双频段天线

4 喇叭天线的仿真

4.1 仿真喇叭天线的参数

目地是分析一例11.3KMHZ的喇叭天线。通过计算，模型结构参数为

图4-1 喇叭天线模型的尺寸

4.2 仿真步骤

（1）打开软件

插入设计。设置项目参数设置，设置单位为英寸，设置材料类型。

（2）绘制接地平面

按照参数绘制喇叭天线的模型，

选择长方体和漏斗。然后三维模具制作布尔运算联合起来。

图4-3 喇叭天线

绘制三维喇叭天线,

图4-4 喇叭天线与空气盒子

绘制一个长方体，材质为空气。

（4）指定边界和激励

设置模型的底端为激励平面，空气矩形为边界。

图4-5 设置激励平面

4.3 仿真结果

单击鼠标右键分析,然后添加解决方案的设置。设定解决方案。运行仿真，运行验证检验仿真结果。

图4-6 窗口痕迹

仿真结果为一个在11.30MHZ前后的谐振频率。

图4-7 S-parameter(数据库)和频率(千兆赫)

创建一个三维远场分布图，选择创建报告，并设置报告类型为远场。显示类型选择三维远场图，点击添加痕迹，产生三维远场图如图4-8。

图4-8 远场喇叭天线辐射模式

参考文献

[1] 傅文斌，微波技术与天线，机械工业出版社，2007

[2] 董金明，林萍实，微波技术，机械工业出版社，2003

[3] 陈振国，微波技术基础与应用，北京邮电大学出版社，2004

[4] 郭辉萍，刘学观，电磁场与电磁波，西安电子科技大学出版社，2007

[5] 曹善勇，ansoft HFSS 磁场分析与应用实例。中国水利水电出版社，2010

实验二矩形波导TE10的仿真设计与电磁场分析解读

] 实验二、矩形波导TE10的仿真设计与电磁场分析 一、实验目的： 1、熟悉HFSS软件的使用； 2、掌握导波场分析和求解方法，矩形波导TE10基本设计方法； 3、利用HFSS 软件进行电磁场分析，掌握导模场结构和管壁电流结构规律和特点。 二、预习要求 1、《 2、导波原理。 3、矩形波导TE10模式基本结构，及其基本电磁场分析和理论。 4、HFSS软件基本使用方法。 三、实验原理与参考电路 导波原理 3.1.1. 规则金属管内电磁波 对由均匀填充介质的金属波导管建立如图1 所示坐标系, 设z轴与波导的轴线相重合。由于波导的边界和尺寸沿轴向不变, 故称为规则金属波导。为了简化起见, 我们作如下假设： \ 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的存在； ③波导管内的场是时谐场。 图1 矩形波导结构 本节采用直角坐标系来分析,并假设波导是无限长的,且波是沿着z方向无衰减地传输,由电磁场理论, 对无源自由空间电场E和磁场H满足以下矢量亥姆霍茨方程: ` 式中β为波导轴向的波数,E0(x,y)和H0(x,y)分别为电场和磁场的复振幅,它仅是坐标x和y的函数。 以电场为例子，将上式代入亥姆霍兹方程 ,并在直角坐标内展开,即有 (,) (,) j z j z E E x y e H H x y e β β - - ?= ? ? = ?? 式1 220 E k E ?+=

2222 2 2222222222220 T c E E E E k E k E x y z E E E k E x y E k E β????+=+++?????=+-+??=?+=式2 k c 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 k 为自由空间中同频率的电磁波的波数。 由麦克斯韦方程组的两个旋度式,很易找到场的横向分量和纵向分量的关系式。具体过程从略,这里仅给出结果： 《 从以上分析可得以下结论: ^ （1）场的横向分量即可由纵向分量； （2） 既满足上述方程又满足边界条件的解有许多, 每一个解对应一个波型也称之为模式,不同的模式具有不同的传输特性; （3）k c 是在特定边界条件下的特征值, 它是一个与导波系统横截面形状、 尺寸及传输模式有关的参量。 由于当相移常数β=0时, 意味着波导系统不再传播, 亦称为截止, 此时k c =k, 故将k c 称为截止波数。 对于横电模(Ez=0)和横磁模(Hz=0)上式分别可以简化为 TE 模或H 模 ~ TM 模或E 模 3.1.2 矩形波导中传输模式及其场分布 由于矩形波导的四壁都是导体,根据边界条件波导中不可能传输TEM 模,只能传输TE 或TM 模。 % 这里只分析TE 模(Ez=0) 对于TE 模只要解Hz 的波动方程。即 2222()() 4 ()()z z x c z z y c z z x c z z y c H E j E k y x H E j E k x y H E j H k x y H E j H k y x ωμβωμββωεβωε???=-+???? ???=-? ???????=-+???? ???=-+????式2222,,z z x y c c z z x y c c H H E j E j k y k x H H H j H j k y k y ωμωμωμωμ???=-=????? ???=-=???? 式522222 222T c E E E x y k k β????=+???? ?=-?其中 式3 222 c x y k k k =+2222,,z z x y c c z z x y c c E E H j H j k y k x E E E j E j k y k y ωεωεβωμ??? ==-???? ????=-=-???? 式622200 0220z z c z H H k H x y ??++=??式7

矩形波导中场结构模拟实验

实验 矩形波导中场结构模拟实验 一、实验目的要求： 1．通过实验编程及图像动态演示，形象具体的了解电磁波在波导中传播特性。 2．通过编写Matlab 程序，加深矩形波导中电磁波公式推导以及单模电磁波在矩形波导中的传播理解。 二、实验内容： 电磁场本身比较复杂和抽象，是涉及空间和时间的多维矢量场，需要具有较强的空间想象能力来理解它。 1．实验原理： 矩形波导是截面形状为矩形的金属波导管，如图一所示。 波导内壁面位置坐标设为：x=0和x=a ；y=0和y=b 。波导中填充介电常数为ε、磁导率为μ、电导率为σ的媒质，通常波导内填充理想介质（σ=0）。由于波导内没有自由电荷和传导电流，所以传播的电磁波是正弦电磁波。理想导电壁矩形波导中不可能传输TEM 模，只能传输TE 模或TM 模。对于矩形波导中TE MN 模的电场强度E 、磁场强度H 场分量表达式为： (02cos sin j t z x c j n m n E H x y e k b a b )ωβωμπππ???????=???????????? （1） (02sin cos j t z y c j m m n E H x y e k a a b )ωβωμπππ???????=???????????? （2） （3） 0z E =

(02sin cos j t z x c j m m n H H x y e k a a b )ωββ πππ???????=???????????? （4） (02cos sin j t z y c j n m n H H x y e k b a b )ωββπππ???????=???????????? （5） (0cos cos j t z z m n H H x y e a b )ωβππ?????=???????? （6） 其中：ω为微波角频率；m 和n 值可以取0或正整数，代表不同的TE 波场结构模式，称为TE 模，波导中可有无穷多个TE 模式；k c 为临界波束，k c 2=（m π/2）2+(n π/b ）2；β为相 位常数，β= 。 波导中的一个重要参数为截止频率f c ，有 c f = （7） 当工作频率低于截止频率f c 时，电磁场衰减很快，不可能传播很远，所以波导呈现高通滤波器的特性，只有工作频率高于截止频率f c 时电磁波才能通过。具有最低截止频率的模式，成为最低模式，也称为主模，其他模式都成为高次模式。在矩形波导内传输 的所有模型中，TE 10模为主模。 2． 实验步骤： 设置矩形波导宽边a =22.86mm ，窄边b =10.16mm ，波导内媒质为空气，当工作频率f 为9.84GHz 时，波导中只能传输TE 10模。 利用Matlab 显示矩形波导TE10模的电磁场分布的程序设计过程： （1）根据已知参数m ，n ，a ，b 和f 编程计算kc ，β和ω角频率等参数。 Matlab 中代码实现： a=22.86*1e-3; b=10.16*1e-3; f=9.84*1e9; m=1; n=0; miu=4*pi*1e-7; eps=8.854*1e-12; %E=2.71828; kc=((m*pi/a)^2+(n*pi/b)^2)^0.5; w=2*pi*f; beta=(miu*eps*w^2-kc^2)^0.5; （2）根据式1-6定义的各场强变量，以电场强度、磁场强度各分量为因变量，以时间t 为自变量。 Matlab 中代码实现： ngrid=20; x=[0:a/ngrid:a];y=[0:b/2:b]; z=[0:0.04/ngrid:0.04];%定义x ，y ，z 坐标空间矩阵 %公式表示 for p=0:ngrid%执行循环p 赋初值0，循环步长为1，总步长ngrid for q=0:2 for r=0:ngrid%三层循环，赋值ex 、ey 、ez 、hx 、hy 、hz 空间上的数值 ex(p,q,r)=j*(w*miu/kc^2)*(n*pi/b)*cos((m*pi/a)*x(p))*sin((n*pi/b)*y(q))*exp(j*(

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矩形波导计算matlab代码

利用Matlab实现矩形波导电磁场分布图的绘制（附源程序）通过Matlab 计算并绘出任意时刻金属矩形波导的主模TE10 模的电磁场分布图。波导尺寸、工作频率及时刻均由外部给定。 A.矩形波导中传输的主模为TE10模。设金属波导尺寸为a*b，TE10模的截止波长为 2*a。其电磁场分量可推导表示如下：?（1-1）上式中各参量如下，（1-2）B.用Matlab画电磁力线的步骤：1.由外部给定的波导尺寸、工作频率参照（1-2）式计算得到参量。2.由外部给定的绘图精度，分别确定电场和磁场的坐标点。按照公式（1-1）计算得到电场、磁场的分量。3.用quiver3函数，绘制磁场分布。允许图像叠加。4.用quiver3函数，绘制电场分布。不允许图像叠加。C.三维的电力磁力线分布效果图

图1 图2 C.附程序清单 rectwavestrct1(22.86,10.16,6,1,9.84*10^9,0.03); %main function rectwavestrct1(ao,bo,d,H0,f,t) %画矩形波导场结构所有计算单位为米输入为毫米 %f l0 工作频率/波长 %lg 波导波长%lc TE10模截止波长 %a b 波导尺寸%c 传输方向这里取为波导波长%d 采样精度%t t时刻的场结构图 a=ao/1000; b=bo/1000;

lc=2*a; %TE10截止频率 l0=3*10^8/f; u=4*pi*10^(-7); if(l0>lc) return; else clf; lg=l0/((1-(l0/lc)^2)^0.5); c=lg; B=2*pi/lg; w=B/(3*10^8); x=0:a/d:a; y=0:b/d:b; z=0:c/d:c; [x1,y1,z1]=meshgrid(x,y,z); %mesh(x1,y1,z1); hx=-B.*a.*H0.*sin(pi./a.*x1).*sin(w*t-B.*z1)./pi; hz=H0.*cos(pi./a.*x1).*cos(w*t-z1.*B); hy=zeros(size(y1)); quiver3(z1,x1,y1,hz,hx,hy,'b'); hold on; x2=x1-0.001; y2=y1-0.001; z2=z1-0.001; ex=zeros(size(x2)); ey=w.*u.*a.*H0.*sin(pi./a.*x2).*sin(w*t-B.*z2)./pi; ez=zeros(size(z2)); quiver3(z2,x2,y2,ez,ex,ey,'r'); xlabel('传输方向'); ylabel('波导宽边a'); zlabel('波导窄边b'); hold off; end %------------------------------------------------------------------End Code----------------------------------

矩形波导模式和场结构分析毕业设计论文

毕业设计（论文）题目：矩形波导模式和场结构分析

目录 第一章绪论 (1) 1.1 选题背景及意义 (3) 1.2 国内外研究概况及发展趋势 (3) 1.3 本课题研究目标及主要内容 (4) 1.4 本章小结 (6) 第二章矩形波导的基本原理 (7) 2.1 导波的一般分析 (7) 2.1.1规则矩形波导内的电磁波 (7) 2.1.2波导传输的一般特性 (8) 2.2 矩形波导的分析 (8) 2.2.1矩形波导电磁场解 (8) 2.2.2矩形波导中的波型及截止波长 (11) 2.3 本章小结 (12) 第三章矩形波导的设计 (13) 3.1 创建矩形波导模型 (13) 3.2 求解设置 (20) 3.3 设计检查和运行仿真 (22) 3.3.1设计检查 (22) 3.3.2运行仿真分析 (23) 3.4 本章小结 (24) 第四章HFSS仿真结果及其分析 (25) 4.1 HFSS软件仿真原理 .............................. 错误！未定义书签。 4.2 HFSS仿真实现 (26) 4.3 仿真结果分析 (32) 4.4 本章小结....................................... 错误！未定义书签。第五章小结与展望 .. (33) 5.1 工作总结 (33) 5.2 工作展望 (33) 参考文献 (33) 致谢 (35) 附录 A 常用贝塞尔函数公式错误！未定义书签。

矩形波导模式和场结构分析 第一章 绪论 1.1选题背景及意义 矩形波导(circular waveguide)简称为矩波导，是截面形状为矩形的长方形的金属管。若将同轴线的内导线抽走，则在一定条件下，由外导体所包围的矩形空间也能传输电磁能量，这就是矩形波导。矩波导加工方便，具有损耗小和双极化特性，常用于要求双极化模的天线的馈线中，也广泛用作各种谐振腔、波长计，是一种较常用的规则金属波导。 矩波导有两类传输模式,即TM 模和TE 模。其中主要有三种常用模式，分别是主模TE 11模、矩对称TM 01模、低损耗的TE 01模。在不同工作模式下，截止波长、传输特性以及场分布不尽相同，同时，各种工作模式的用途也不相同。导模的场描述了电磁波在波导中的传输状态，可以通过电力线的疏密来表示场得强与弱。 本毕业课题是分析矩形波导中存在的模式、各种模式的场结构和传播特性，着重讨论11TE 、01TE 和01TM 三个常用模式，并利用MATLAB 和三维高频电磁仿真软件HFSS 可视化波导中11TE 、01TE 和01TM 三种模式电场和磁场波结构。 1.2国内外研究概况及发展趋势 由于电磁场是以场的形态存在的物质，具有独特的研究方法，采取重叠的研究方法是其重要的特点，即只有理论分析、测量、计算机模拟的结果相互佐证，才可以认为是获得了正确可信的结论。时域有限差分法就是实现直接对电磁工程问题进行计算机模拟的基本方法。在近年的研究电磁问题中，许多学者对时域脉冲源的传播和响应进行了大量的研究，主要是描述物体在瞬态电磁源作用下的理论。另外，对于物体的电特性，理论上具有几乎所有的频率成分，但实际上，只有有限的频带内的频率成分在区主要作用。 英国物理学家汤姆逊(电子的发现者) 在1893 年发表了一本论述麦克斯韦电磁理论的书,肯定了矩金属壁管子(即矩波导) 传输电磁波的可实现性, 预言波长可与矩柱直径相比拟, 这就是微波。他预言的矩波导传输, 直到1936 年才实现。汤姆逊成为历史上第一位预言波导的科学家。这证明科学预言可以大大早于技术的发展, 同时也表明了应用数学的威力。英国物理学家瑞利在1897 年发表了论文, 讨论矩形截面和矩形截面“空柱”中的电磁振动, 它们对应后来的矩形波导和矩波导, 并引进了截止波长的概念。瑞利得到了矩形波导中主模的场方程组,这是雷达中最常用的模式,

电磁场与微波技术实验2矩形波导仿真与分析

实验二 矩形波导仿真与分析 一、实验目的： 1、 熟悉HFSS 软件的使用； 2、 掌握导波场分析和求解方法，矩形波导高次模的基本设计方法； 3、 利用HFSS 软件进行电磁场分析，掌握导模场结构和管壁电流结构规律和特点。 二、预习要求 1、 导波原理。 2、 矩形波导模式基本结构，及其基本电磁场分析和理论。 3、 HFSS 软件基本使用方法。 三、实验原理 由于矩形波导的四壁都是导体,根据边界条件波导中不可能传输TEM 模,只能传输TE 或TM 模。 这里只分析TE 模(Ez=0) 对于TE 模只要解Hz 的波动方程。即 采用分离变量，并带入边界条件解上式，得出TE 模的横向分量的复振幅分别为 （1）矩形波导中传输模式的纵向传输特性 ①截止特性 波导中波在传输方向的波数β由式9 给出 222000220z z c z H H k H x y ??++=??式7000220002200020002()cos()sin()()sin()cos()()sin()cos()()cos()sin()z x c c z y c c y x H c x y H c H n m n E j j H x y k y k b a b H m m n E j j H x y k x k a a b E m m n H j H x y Z k a a b E n m n H j H x y Z k b a b ωμωμπππωμωμπππβπππβπππ??==?????==-?????=-=???==??式8 22222c c k k ππβλλ=-=-式9

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β必须为实数,即 k 2＞k 2c 或λ＜λc(f ＞f c ) 式10 如果上式不满足,则电磁波不能在波导内传输,称为截止。故k c 称为截止波数。 矩形波导中TE 10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TE 10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a ＞2b 时,则要求电磁波的工作波长满足 当工作波长给定时,则波导尺寸必须满足 ②相速度v p 和相波长λp 导行波的相速度是指某种波型的电磁波的等相位面沿着轴向传播的速度。由等相位面方程很易求得相速度为 导行波的相波长是指某种波型的等相位面在一个周期内沿轴向传播的距离,又称为波导波长。其值为 四、实验步骤 4.1 工程设置 设计与实验一中一样的矩形波导 4.2改变波导内部介质后的仿真 将波导内部介质从air 改为glass 。对前后场分布和传输情况进行对比。 22a a b λλ<<>式1122a b λλλ<<<式12p v ωβ=式 1312p p v f ωπλβββ=====式14式15

矩形波导天线的HFSS仿真

1 天线的主要参数 时变的电流和被加速的电荷都可以产生辐射，辐射产生的电磁能量能够在空间中传播。天线能够定向辐射和接收电磁波能量。天线按照工作性质可以分为发射天线和接收天线；按照用途可以分为通信天线、雷达天线、广播天线和电视天线等；按照波段可以分为长波天线、中波天线和短波天线等。一般常见的天线结构为线天线、环天线、面天线、喇叭天线、介质天线、微带天线和裂缝天线等。为了实现特定的工程任务，天线经常也组成天线阵列。 1.1 方向图 天线的空间辐射在不同方向是不同的，可以用方向性函数(,)f θ?来描述。根据方向性函数绘制的天线辐射（或接收）场强-振幅-方向三维特性的图形简称为方向图。工程也常采用两个互相正交主平面上的剖面图来描述天线的方向性，一般为俯视图和水平面方向图。 绘制某一平面的方向图时，可以采用极坐标方式。方向图一般呈花瓣状，所以也称为波瓣图，其中最大的波瓣称为主瓣，其余的称为副瓣或旁瓣。 方向图主瓣上两个半功率电平点之间的夹角称为主瓣宽度或半功率波束宽度。电场最大值Emax 所在的波瓣称为主瓣。在Emax 的两边， 电场下降到最大值2时，对应功率为最大方向的一半，这两个辐射方向之间的夹角即为主瓣宽度。 1.2 方向性系数 发射天线的方向性系数表征天线辐射的能量在空间分布的集中能力，定义为相同辐射情况下，天线在给定方向的辐射强度与平均辐射强度之比： 220 (,)(,)E D E θ?θ?= （1-1） 式中，(),E θ?是该天线在(),θ?方向下某点的场强，0E 是全方向点源天线在同一点产生的场强。 一般情况下关心的均为最大辐射方向的方向系数。 接收天线的方向性系数表征天线从空间接收电磁能量的能力，即在相同来波场强的能量下，天线在某方向接收时向负载输出功率与点源天线在同方向接收是向负载输出功率之比。发射天线的方向性系数和接收天线的方向性系数虽然在定

矩形波导的设计讲解

矩形波导模式和场结构分析 第一章 绪论 1.1选题背景及意义 矩形波导(circular waveguide)简称为矩波导，是截面形状为矩形的长方形的金属管。若将同轴线的内导线抽走，则在一定条件下，由外导体所包围的矩形空间也能传输电磁能量，这就是矩形波导。矩波导加工方便，具有损耗小和双极化特性，常用于要求双极化模的天线的馈线中，也广泛用作各种谐振腔、波长计，是一种较常用的规则金属波导。 矩波导有两类传输模式,即TM 模和TE 模。其中主要有三种常用模式，分别是主模TE 11模、矩对称TM 01模、低损耗的TE 01模。在不同工作模式下，截止波长、传输特性以及场分布不尽相同，同时，各种工作模式的用途也不相同。导模的场描述了电磁波在波导中的传输状态，可以通过电力线的疏密来表示场得强与弱。 本毕业课题是分析矩形波导中存在的模式、各种模式的场结构和传播特性，着重讨论11TE 、01TE 和01TM 三个常用模式，并利用MATLAB 和三维高频电磁仿真软件HFSS 可视化波导中11TE 、01TE 和01TM 三种模式电场和磁场波结构。 1.2国内外研究概况及发展趋势 由于电磁场是以场的形态存在的物质，具有独特的研究方法，采取重叠的研究方法是其重要的特点，即只有理论分析、测量、计算机模拟的结果相互佐证，才可以认为是获得了正确可信的结论。时域有限差分法就是实现直接对电磁工程问题进行计算机模拟的基本方法。在近年的研究电磁问题中，许多学者对时域脉冲源的传播和响应进行了大量的研究，主要是描述物体在瞬态电磁源作用下的理论。另外，对于物体的电特性，理论上具有几乎所有的频率成分，但实际上，只有有限的频带内的频率成分在区主要作用。 英国物理学家汤姆逊(电子的发现者) 在1893 年发表了一本论述麦克斯韦电磁理论的书,肯定了矩金属壁管子(即矩波导) 传输电磁波的可实现性, 预言波长可与矩柱直径相比拟, 这就是微波。他预言的矩波导传输, 直到1936 年才实现。汤姆逊成为历史上第一位预言波导的科学家。这证明科学预言可以大大早于技术的发展, 同时也表明了应用数学的威力。英国物理学家瑞利在1897 年发表了论文, 讨论矩形截面和矩形截面“空柱”中的电磁振动, 它们对应后来的矩形波导和矩波导, 并引进了

矩形波导地设计讲解

矩形波导模式和场结构分析 第一章 绪论 1.1选题背景及意义 矩形波导(circular waveguide)简称为矩波导，是截面形状为矩形的长方形的金属管。若将同轴线的导线抽走，则在一定条件下，由外导体所包围的矩形空间也能传输电磁能量，这就是矩形波导。矩波导加工方便，具有损耗小和双极化特性，常用于要求双极化模的天线的馈线中，也广泛用作各种谐振腔、波长计，是一种较常用的规则金属波导。 矩波导有两类传输模式,即TM 模和TE 模。其中主要有三种常用模式，分别是主模TE 11模、矩对称TM 01模、低损耗的TE 01模。在不同工作模式下，截止波长、传输特性以及场分布不尽相同，同时，各种工作模式的用途也不相同。导模的场描述了电磁波在波导中的传输状态，可以通过电力线的疏密来表示场得强与弱。 本毕业课题是分析矩形波导中存在的模式、各种模式的场结构和传播特性，着重讨论11TE 、01TE 和01TM 三个常用模式，并利用MATLAB 和三维高频电磁仿真软件HFSS 可视化波导中11TE 、01TE 和01TM 三种模式电场和磁场波结构。 1.2国外研究概况及发展趋势 由于电磁场是以场的形态存在的物质，具有独特的研究方法，采取重叠的研究方法是其重要的特点，即只有理论分析、测量、计算机模拟的结果相互佐证，才可以认为是获得了正确可信的结论。时域有限差分法就是实现直接对电磁工程问题进行计算机模拟的基本方法。在近年的研究电磁问题中，许多学者对时域脉冲源的传播和响应进行了大量的研究，主要是描述物体在瞬态电磁源作用下的理论。另外，对于物体的电特性，理论上具有几乎所有的频率成分，但实际上，只有有限的频带的频率成分在区主要作用。 英国物理学家汤姆逊(电子的发现者) 在1893 年发表了一本论述麦克斯韦电磁理论的书,肯定了矩金属壁管子(即矩波导) 传输电磁波的可实现性, 预言波长可与矩柱直径相比拟, 这就是微波。他预言的矩波导传输, 直到1936 年才实现。汤姆逊成为历史上第一位预言波导的科学家。这证明科学预言可以大大早于技术的发展, 同时也表明了应用数学的威力。英国物理学家瑞利在1897 年发表了论文, 讨论矩形截面

矩形波导TE10的仿真设计与电磁场分析

实验一、 矩形波导TE10的仿真设计与电磁场分析 班级： 学号： 姓名： 报告日期：2012.6.29 一、 实验目的： 1. 熟悉HFSS 软件的使用； 2. 掌握导波场分析和求解方法，矩形波导TE 10基本设计方法； 3. 利用HFSS 软件进行电磁场分析，掌握导模场结构和管壁电流结构规律和特点。 二、 实验原理（略） 2.1基本导波理论 对由均匀填充介质的金属波导管建立如图1 所示坐标系, 设z 轴与波导的轴线相重合。由于波导的边界和尺寸沿轴向不变, 故称为规则金属波导。 图1 矩形波导结构 本节采用直角坐标系来分析,并假设波导是无限长的,且波是沿着z 方向无衰减地传输,由电磁场理论, 对无源自由空间电场E 和磁场H 满足以下矢量亥姆霍茨方程: 00(,)(,)j z j z E E x y e H H x y e ββ--?=??=?? 式1 式中β为波导轴向的波数,E 0(x,y)和H 0(x,y)分别为电场和磁场的复振幅,它仅是坐标x 和y 的函数。以电场为例子，将上式代入亥姆霍兹方程22 0E k E ?+= ,并在直角坐标内展开, 即有由麦克斯韦方程组的两个旋度式,可以得到场的横向分量和纵向分量的关系式： 2222()() 2 ()() z z x c z z y c z z x c z z y c H E j E k y x H E j E k x y H E j H k x y H E j H k y x ωμβωμββωεβωε???=- +? ??? ??? =-? ??? ???? =-+? ??? ???=-+????式 k c 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 222 c x y k k k =+；k 为自由空间中同频率的电磁波的波数。 根据两个纵向场分量Ez 和Hz 的存在与否，对波导中的电磁波进行分类。可将波导中的电磁波分成三类：

矩形波导场结构的仿真

矩形波导场结构的仿真 一、实验目的： 1.加深学生对矩形波导中电磁场分布的理解； 2.加深学生对矩形波导工作模式与相关参数的理解； 3.提高学生的软件仿真能力。 二、实验原理 设金属波导的尺寸为a ×b ，传输TE mn 波时电磁场分量为： 在截止波长 时，相关参数分别为 工作波长 波相位 三、实验内容及步骤 通过MATLAB 计算并绘制出任意时刻金属矩形波导内TEmn 模的电磁场分布图： 1.根据给定波导尺寸和工作频率计算出相关参数； 2.根据一定的绘图精度确定电磁场的坐标点，并计算电场、磁场分量； 3.分别绘制出电场和磁场场分量的分布图，将电场分布图叠加于磁场分布图上。 四、实验要求 波导尺寸、工作频率，工作模式及精度由输入确定。 五、实验报告 ? 1.按照要求完成相关仿真，给出流程图和程序； ? 2.对主要语句做中文注释； ? 3.给出仿真的场分布图。 程序清单如下： clear; a=input('尺寸宽边'); %矩形波导尺寸a b=input('尺寸窄边'); %矩形波导尺寸b m=input('m'); %TEMmn 模工作模式设定 n=input('n'); )cos()cos()cos() sin()sin()cos()()sin()cos()sin()(0 )sin()cos()sin()() sin()sin()cos()(222 2z t b y n a x m H H z t b y n a x m H b n k H z t b y n a x m H a m k H E z t b y n a x m H a m k E z t b y n a x m H b n k E m z m c y m c x z m c y m c x βωππβωπππββωπππββωπππωμβωπππωμ-=--=--==-=--=2 2)()(2b n a m c += λg c g λπβλλλ λ2)(12 =-=