微波技術(shù)與天線(xiàn)實(shí)驗(yàn)3利用HFSS仿真分析矩形波導(dǎo)

1、£鳥(niǎo)衣好微波技術(shù)與天線(xiàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：實(shí)驗(yàn)3:利用HFSS仿真分析矩形波導(dǎo)學(xué)生班級(jí):學(xué)生姓名:學(xué)生學(xué)號(hào):實(shí)驗(yàn)日期：2011年月日1實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶W(xué)會(huì)HFSS仿真波導(dǎo)的步驟，畫(huà)出波導(dǎo)內(nèi)場(chǎng)分布隨時(shí)間變化圖，理解波的傳播與截止概念；計(jì)算傳播常數(shù)并與理論值比較。二、實(shí)驗(yàn)原理矩形波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)如圖1波導(dǎo)內(nèi)傳播的電磁波可分為T(mén)E模和TM模。1)圖1矩形波導(dǎo)TE模,=0mncoscoskcmncossinkcmnsincosj-z九muk； aH mn sincose-zbH mn cos si n a 2 2其中，kc二m +（四而Hmn是與激勵(lì)源有關(guān)的待定常數(shù)。 Yl a丿Ib丿2） TM 模Hz=0

2、,由Ez的邊界條件同樣可得無(wú)窮多個(gè) TM模。注意：對(duì)于TM mn和TEmn模，m, n不能同時(shí)為零，否則全部的場(chǎng)分量為零。TM mn和TEmn模具有相同的截止波數(shù)計(jì)算公式，即kc（ TMmn）=kc（ TEmn）彳普仔2所以，它們的截止波長(zhǎng)c和截止頻率fc的計(jì)算公式也是一樣的，即(TEmn)2.m2 n2對(duì)于給定的工作頻率或波長(zhǎng)，只有滿(mǎn)足傳播條件（f > fc或c ）的模式才能在波導(dǎo)中傳播。由公式可以看出矩形波導(dǎo)的fc, 'c不僅與波導(dǎo)的尺寸a, b有關(guān)，還和模指數(shù)m, n有關(guān)。當(dāng)a, b 一定時(shí)，隨著f的改變，矩形波導(dǎo)可以多 模傳播，也可以單模傳播，甚至也可以處于截止?fàn)顟B(tài)。以a

3、=23mm， b=10mm的空心矩形波導(dǎo)為例，由截止頻率的計(jì)算公式fc 二 1J（m）2 （n）2，可以計(jì)算 fc T1E = 6.52G H z fcTE20 -13.04GHz ,2 宀，a b20fcTE01 =15GHz，所以波導(dǎo)單模工作的頻率范圍為 6.562-13.123GHZ。三、實(shí)驗(yàn)步驟1、工程設(shè)置打開(kāi)HFSS,出現(xiàn)新的工程窗口（如圖2）圖2 HFSS工程窗口（1）設(shè)置求解類(lèi)型Driven Modal （模式激勵(lì)）。在菜單中點(diǎn)擊 HFSS>Solution Type，出現(xiàn) Solution Type窗口，選擇 Driven Modal （如圖3），點(diǎn)擊OK。圖3設(shè)置求解類(lèi)

4、型Solution Type窗口（2）設(shè)置模型單位毫米在菜單欄中點(diǎn)擊 Modeler>Units，出現(xiàn)Set ModelUnits窗口，選擇 mm，點(diǎn) 擊OK （如圖4）。Set Model UnitsSelect units:| I arwi«« MmatRescale to new unitsOKCancel圖4設(shè)置模型單位Set Model Units窗口（3）保存工程命名為waveguide點(diǎn)擊工具欄中的將工程名字設(shè)為waveguide2、畫(huà)長(zhǎng)方體，材料為真空，名字為 wavguide（1）畫(huà)長(zhǎng)方體點(diǎn)擊工具欄中的（Draw box）畫(huà)矩形波導(dǎo)的長(zhǎng)方體模型，在屏

5、幕右下角出現(xiàn)長(zhǎng)方體頂點(diǎn)信息，輸入頂點(diǎn)坐標(biāo)如圖5,按回車(chē)鍵；屏幕右下角出現(xiàn)長(zhǎng) 方體尺寸信息，輸入如圖6,按回車(chē)鍵結(jié)束畫(huà)圖過(guò)程。X:|o |Y: |o |z：0| Abso' Cartes | mm圖5長(zhǎng)方體頂點(diǎn)坐標(biāo)dX：因廠|dZ： 50 血1 臣"Icart戻"mm圖6長(zhǎng)方體尺寸設(shè)置在屏幕右側(cè)窗口顯示畫(huà)出的長(zhǎng)方體；點(diǎn)擊工具，將長(zhǎng)方體全部顯示在窗口中（如圖7）。（2）設(shè)置長(zhǎng)方體屬性在屏幕中間模型列表中的 Box1為畫(huà)出的長(zhǎng)方體（如圖），雙擊Box1，出現(xiàn)Propoties:Project1 窗口，將 Name 欄的 value 由 Box1 改為 waveguideS

6、'Ansoft HESS Project! IIFSSLes ign 1 3D Modeler Frojectl - IIFSSDesi. _ L |5 X二 Eile Edit View Ercijzl: firaw fiodeler HFSS Tools Windew Help- K口 電 ® S X £1|T| ' EQ B * ；B £3S3© -if 0060® 賦1iff I © H |srp 冏 Zl Iv*I%* 7。弋 I& 率戀"鞭 | 口 oo口占 11 a 0 do 1岡點(diǎn)|P

7、roled:曲fiisgerE 百1 Pr&j<ed*世甜 KF頸林if?I Qrivodid)* + I D vflJIL i L-3UX-夕 Suli-is-M Coordinate Systcirs 也 Global+ W Planis+ 獰 LiatsFirnj.ui: |Proper !>«A.t'LrL'bnat* |Properties: Frojectl - UFSSDesignl - Modeler3、設(shè)置邊界條件（1）選擇波導(dǎo)的四個(gè)縱向面。通過(guò)Edit>select>faces將鼠標(biāo)設(shè)置為選擇面的狀態(tài)（如圖 2）。i

8、T>通過(guò)按鈕匕（旋轉(zhuǎn)功能）以及ctrl鍵實(shí)現(xiàn)選擇多個(gè) 面，或者通過(guò) edit>select>by name （如圖 3），結(jié)合 ctrl 鍵選中 facelO、11、12、9 （如圖 4）。（2）將這四個(gè)面設(shè)置為理想導(dǎo)體邊界?？梢酝ㄟ^(guò)點(diǎn)擊HFSS>Boundaries>Assign> Perfect E實(shí)現(xiàn)，或者點(diǎn)擊鼠標(biāo)右 鍵>Assign Boundary> Perfect E （如圖 5）。5.Eilc Edit Jticw Ercjei：t Draw Hodclex EJFSS Loals Binclcw Help )2 EICtrl+VR

9、mameCopy IroagrB MClobal Messag.es©T I : s|vacufux " TtodelSelect All Visible Ctrl+ASelect AllSelect、和 lect Mertaq g 5Qb jed sEacesEdges 里 crti <es Mui t iLeft-alt + shift Is curTentIjf i 出 lansuiaEe. It Is also used in sc will ch nay cause the inuut 1 angi_Ey Name. a By Variable.Sele*c

10、t Conjrie-ctedl Vertices5 X ed V onnee t cu ! e bsSe 1 ecl Conne'C t ed Ka£,ss#圖 2 select faces界面EditViei Ero ject Rraw fflodeler HFSS Tools Hindoo Helpfl ；口0。0 宀 i © B ®#QSi gasteCtrl+VX QclcteDele!eRenameF2£ppyI Deletss Start PointI Delete End PointSelect All Visible Ctrl+A

11、Select Al1SelectY* Select by krea Filter.Deselect All Ctr1+ShifH-A ArrangeDupli eat eI Scale|vacuuA I (jAodel_rJ 1回9 4® 口 E 電side E| 1Objects0tacesFEdsesEVerticesVH.ul t i All Object Faces ii All Qbjcct Edges C All Face Edsc-s7#-1 <傅 By Name.t 亠jloba.L - Nes sagesLeftalt + sliift is currentl

12、y i 卜 Language. It 1 s also used In s< vhich nay cause the input扛呂*By Ifariable- a BO Select Connected Vejticies O Select Connected Ees Select Conn.ected Faes8 弘lx工 Edge Chain 01 Select Face Chai fl Select Sheet Edesnaroe圖 3 select by name界面#圖 4 select face界面血1吧£：十N亡xt BehindLi魏金.EscapeSelec

13、tSelectSelectSelectPan Jfodc QbjectsEacesEdes JferticesHultithe systen to toggle the incut i住能 of thi applicitix% zhange unexpectedly.EscAll Qbject FacesPerfect 兀Perfect Einite ConductivityB BImpedEsncE B tLayered Impedance,Radiati on.Syn砂tryHast er.Slave,Liwed RLCScreminig： InrpedmceFJIL Setup Wiza

14、rd. ,Assign BoundaryAssign Esellat ionAssign Mesh Uperation#圖5設(shè)置Perfect E邊界條件4、設(shè)置激勵(lì)源wave port（1）選中波導(dǎo)的一個(gè)端口面（垂直于 z軸的平面）。（2）點(diǎn)擊 HFSS>Excitations>Assign>Wave port,或者點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵 >assign excitationwave port （如圖 6）。（3）另外一個(gè)端口面執(zhí)行同樣的操作。n to toggle the input his appll亡右tic叫 eapectedly-SeIect Objects0y Se

15、iect FacesFSelect E迅呂巳弓ESelect JJerticesVSelset HultiMMeat Behind All Object Faces es On FlansBMeasure*SlewEdit*辰伽 Katcrial,.,Assign BoundaryAssign Excitation*Have PortMagnetic bias.Assign Besh OperationLuinped Port., rFloquet Pm 也Incident Wave lloltagc-. K Current.-na.圖6設(shè)置wave port界面5、設(shè)置求解頻率HFSS>

16、;A nalysis Setup>Add Solution Setup(1) 在菜單欄中點(diǎn)擊(2) 在求解設(shè)置窗口中，設(shè)置 Soluti on Freque ncy: 13Ghz，其它設(shè)為默認(rèn) 值6、計(jì)算及后處理在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS>Analyze all9)畫(huà)場(chǎng)分布圖在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS>Fields>Plot Fields>E，畫(huà)出電場(chǎng)強(qiáng)度的幅度分布(如 圖7)。在 Project Manager窗口中，選擇 dipole>HFSSDesign1>Field Overlays，點(diǎn) 擊鼠標(biāo)右鍵>Animate>OK，可以演示電場(chǎng)強(qiáng)度幅

17、度隨著時(shí)間變化情況，觀察理解 電磁波從端口 1向端口 2傳播的過(guò)程。9E Fi eldV_per_m2.7S3Se+0032,6B99e+0032.4359e+0032.2619+0032-0679e+0031,9139e+0©31.7399e+0031.565Ae+S031,39L9C+003i.217?e+0031.0439e+0S33.6995e+0025,9596e+0025.2197e+0023,47J8&+00Z1.7396+0020.000e+000圖7波導(dǎo)中電場(chǎng)強(qiáng)度幅度分布10）觀察數(shù)據(jù)結(jié)果點(diǎn)擊 HFSS>Results>Solution Data

18、 （如圖 8）,在 Matrix Data 項(xiàng)中可以查看 S 參數(shù)以及傳播常數(shù)Gamma等參數(shù)（如圖9）。HFSS 工口 ols Window HelpSgiliut I pn Tyr> 匕 + +:ElList* Validation CheckAnalyze AllEdit Notes. 鼻Create Modal Sclu+icn Data ReporGreatc Fields ReportDelete All RepcrtgReport Jemiplates3D FiTndel EditorSet Object Teniperatmre, s 電Design SettingSx B Qutput VariablesUpdate Al