试验二矩形波导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、 导波原理。2、 矩形波导 TE10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,E 0(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222222222222222220TcEEEEk Ek ExyzEEEk ExyEk E式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k 为自由空间中同频率的电磁波的波数。00( , )( , )jzjzEEx y eHHx y e式 1220Ek E22222222TcEEExykk其中式3222cxykkk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） kc 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。...