華中科技大學《電磁場與電磁波》課程仿真實驗報告

1、電磁場與電磁波課程仿真實驗報告學號 *姓名 Crainax專業(yè) 光學與電子信息學院 院（系） * 2016 年 11月 27 日1. 實驗目的1） 理解均勻波導中電磁波的分析方法，TEM/TE/TM 模式的傳輸特性；2） 了解HFSS 仿真的基本原理、操作步驟；3） 會用HFSS 對金屬波導的導波特性進行仿真；4） 畫出波導主模的電磁場分布；5） 理解波導中的模式、單模傳輸、色散與截止頻率等概念。2. 實驗原理2.1導波原理如圖1，z軸與金屬波導管的軸線重合。假設：1） 波導管內填充的介質是均勻、線性、各向同性的；2） 波導管內無自由電荷和傳導電流；3） 波導管內的場是時諧場。圖1 矩形波導以

2、電場為例子，將上式代入亥姆霍茲方程Ñ2E+k2E=0，并在直角坐標內展開，即有：Ñ2E+k2E=2Ex2+2Ey2+2Ez2+k2E=2Ex2+2Ey2-2E+k2E=ÑT2E+kc2E=0其中 ÑT2E=2Ex2+2Ey2kc2=k2-2kc表示電磁波在與傳播方向相垂直的平面上的波數。如果導波沿z方向傳播，則kc2=kx2+ky2對波導中傳播的電磁波進行分析可知：1） 場的橫向分量可由縱向分量表示；2） 既滿足亥姆霍茲方程有滿足邊界條件的解很多，每個解對應一個波形（或稱之為模式）3） kc是在特定邊界條件下的特征值，當相移常數=0 時，意味著波導系統(tǒng)不

3、在傳播，此時kc=k，kc稱為截止波數。2.2 矩形波導中傳輸模式的縱向傳輸特性波導中的電磁波在傳輸方向的波數由下式給出：2=k2-kc2=2-2c式中k為自由空間中同頻率的電磁波的波數。要使波導中存在導波，則必須為實數，即k2kc2或c(ffc)如上式不滿足，則電磁波不能在波導內傳輸，即截止。矩形波導中TE10模的截止波長最長，故稱它為最低模式，其余模式均稱為高次模。由于TE10模的截止波長最長且等于2a，用它來傳輸可以保證單模傳輸。當波導尺寸給定且有a2b時，則要求電磁波的工作波長滿足a2a 2b當工作波長給定時，則波導尺寸必須滿足2a b23實驗內容在HFSS中完成圓波導的設計與仿真，要

4、求畫出電場分布，獲得色散曲線。模型半徑為：4.20mm.1） 探討圓波導的橫截面尺寸發(fā)生變化時，主模（TE11模）的場分布和傳播特性如何變化；2） 探討圓波導的填充介質發(fā)生變化時，主模（TE11模）的場分布和傳播特性如何變化；3） 比較圓波導中前兩個模式的差別（提示：TE11模和TM01模式，兩者的截止波長分別為3.41a，2.62a）4.仿真實驗步驟 1）理論計算（給出截止頻率計算過程及結果）；圓波導中的TM波：容易得到TM模式下對應截至頻率(c)TM01=（h）TM01/2 = 0.383a（HZ）即為TM模式下的極限頻率。圓波導中的TE波容易得到TE模式下對應截至頻率(c)TE11=（h

5、）TE11/2 = 0.293a（HZ）即為TE模式下的極限頻率?？梢钥闯鰣A波導的主模為TE11模。 2）模型參數（半徑，高等參數）；圓波導的半徑為4.20mm，高為10mm代入可以得到極限頻率為20.8GHZ圓波導參數設置 3）仿真模型（附圖說明，給出仿真參數設置，比如求解頻率設置和掃頻頻率設置等等）。求解頻率設置掃頻頻率設置5.實驗結果及分析5.1 電場分布圖和磁場分布圖1）畫出主模（TE11模）的徑向電磁場分布；徑向電場分布徑向磁場分布2）畫出主模（TE11模）的縱向電磁場分布；縱向電場分布縱向磁場分布3）畫出色散特性曲線（相位常數-頻率曲線）。5.2 圓波導的橫截面尺寸變化對場分布和傳

6、播特性的影響（TE11）4.2mm半徑的傳播特性4.8mm半徑的傳播特性可看出，隨著波導半徑的增大，極限頻率會減小。即圓波導半徑越大，傳輸的范圍越大。4.2mm徑向電場分布4.2mm徑向磁場分布4.8mm徑向磁場分布4.8mm徑向磁場分布可看出，隨著波導半徑的增大，場分布并無太大變化.5.3 圓波導的填充介質變化對場分布和傳播特性的影響（TE11）"Air"介質電場分布"Air"介質磁場分布"Arlon 25FR (tm)"介質電場分布"Arlon 25FR (tm)"介質磁場分布"Air"介質

7、下和"Arlon 25FR (tm)"介質下的場分布有很大的不同，在后者中，波導可 “容納”的相同的電磁場數量更多，由圖可以看出，且當介質的介電常數增大時，極限頻率會降低。5.4 圓波導TE11模和TM01模差別TE11電場分布TM01電場分布TE11磁場分布TM01磁場分布TE11模式下和TM01模式下的場分布有很大的不同,由圖可以看出.TE11模式下的極限頻率為20.8GHZ，TM01模式下的極限頻率為27.2GHZ，兩種模式相比下，TE11模式為圓波導的主模。6.實驗總結本次仿真實驗，讓我將書本中學到的理論知識，通過軟件仿真建立模型，進而使我對電磁波有了更加深刻的認識，并收獲了不少東西：首先就是對波導的認識更加深刻了，更加地理解傳輸模式，清楚地了解了HFSS的應用原