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1、电磁场与电磁波课程仿真实验报告学号 *姓名 Crainax专业 光学与电子信息学院 院（系） * 2016 年 11月 27 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） 波导管内的场是时谐场。图1 矩形波导以
2、电场为例子，将上式代入亥姆霍兹方程2E+k2E=0，并在直角坐标内展开，即有：2E+k2E=2Ex2+2Ey2+2Ez2+k2E=2Ex2+2Ey2-2E+k2E=T2E+kc2E=0其中 T2E=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 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
3、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：4.2
4、0mm.1） 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）；圆波导中的TM波：容易得到TM模式下对应截至频率(c)TM01=（h）TM01/2 = 0.383a（HZ）即为TM模式下的极限频率。圆波导中的TE波容易得到TE模式下对应截至频率(c)TE11=（h）TE11/2 = 0.293a（HZ）即为TE
5、模式下的极限频率。可以看出圆波导的主模为TE11模。 2）模型参数（半径，高等参数）；圆波导的半径为4.20mm，高为10mm代入可以得到极限频率为20.8GHZ圆波导参数设置 3）仿真模型（附图说明，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）。求解频率设置扫频频率设置5.实验结果及分析5.1 电场分布图和磁场分布图1）画出主模（TE11模）的径向电磁场分布；径向电场分布径向磁场分布2）画出主模（TE11模）的纵向电磁场分布；纵向电场分布纵向磁场分布3）画出色散特性曲线（相位常数-频率曲线）。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）4.2mm半径的传播特性
6、4.8mm半径的传播特性可看出，随着波导半径的增大，极限频率会减小。即圆波导半径越大，传输的范围越大。4.2mm径向电场分布4.2mm径向磁场分布4.8mm径向磁场分布4.8mm径向磁场分布可看出，随着波导半径的增大，场分布并无太大变化.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）Air介质电场分布Air介质磁场分布Arlon 25FR (tm)介质电场分布Arlon 25FR (tm)介质磁场分布Air介质下和Arlon 25FR (tm)介质下的场分布有很大的不同，在后者中，波导可 “容纳”的相同的电磁场数量更多，由图可以看出，且当介质的介电常数增大时，极限频率会降低。
7、5.4 圆波导TE11模和TM01模差别TE11电场分布TM01电场分布TE11磁场分布TM01磁场分布TE11模式下和TM01模式下的场分布有很大的不同,由图可以看出.TE11模式下的极限频率为20.8GHZ，TM01模式下的极限频率为27.2GHZ，两种模式相比下，TE11模式为圆波导的主模。6.实验总结本次仿真实验，让我将书本中学到的理论知识，通过软件仿真建立模型，进而使我对电磁波有了更加深刻的认识，并收获了不少东西：首先就是对波导的认识更加深刻了，更加地理解传输模式，清楚地了解了HFSS的应用原理，还有圆波导的传输模式下的两种传输模式TM01和TE11模式的传播特性。这不但使我掌握了软件的使用方法，还让我对课堂上所学老师所讲的内容有了更加深刻的理解，为今后的学习做了良好的铺垫，实现了理论与实践相结合，提高了动手能力。
