矩形波导中场结构模拟实验

一、实验背景与目的随着微波技术、通信技术和雷达技术的发展，波导作为一种重要的微波传输线，其设计优化对于提高微波系统的性能具有重要意义。

本实验旨在通过电磁场仿真软件HFSS，对矩形波导进行仿真设计，分析其传输特性，并对其进行优化，以达到提高传输效率和降低损耗的目的。

二、实验内容与方法1. 实验内容本实验主要包括以下内容：（1）建立矩形波导的几何模型；（2）设置仿真参数，包括介质材料、边界条件等；（3）进行仿真计算，得到波导的传输特性；（4）分析仿真结果，优化波导设计。

2. 实验方法（1）使用HFSS软件建立矩形波导的几何模型；（2）设置仿真参数，包括介质材料、边界条件等；（3）选择合适的仿真求解器，进行仿真计算；（4）分析仿真结果，包括传输线特性、损耗、阻抗匹配等；（5）根据仿真结果，对波导设计进行优化。

三、实验步骤1. 建立矩形波导的几何模型使用HFSS软件，根据设计要求，建立矩形波导的几何模型。

首先，设置波导的尺寸参数，包括内径、外径、高度等。

然后，定义波导的介质材料，如空气、介质板等。

2. 设置仿真参数设置仿真参数，包括介质材料、边界条件等。

例如，设置波导的介质材料为空气，边界条件为完美电导体（PEC）。

3. 进行仿真计算选择合适的仿真求解器，进行仿真计算。

本实验采用时域求解器，设置仿真频率范围为1GHz～20GHz。

4. 分析仿真结果分析仿真结果，包括传输线特性、损耗、阻抗匹配等。

通过分析仿真结果，了解波导的传输特性，并对波导设计进行优化。

5. 优化波导设计根据仿真结果，对波导设计进行优化。

例如，调整波导的尺寸参数、介质材料等，以降低损耗、提高传输效率。

四、实验结果与分析1. 传输特性仿真结果表明，矩形波导在1GHz～20GHz的频率范围内具有良好的传输特性。

在频率较低时，波导的传输损耗较小；在频率较高时，波导的传输损耗较大。

2. 损耗通过分析仿真结果，发现波导的损耗主要由介质损耗和辐射损耗组成。

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()(2222z t byn 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 byn 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-=--=--==-=--=22)()(2b na m c +=λgcg λπβλλλλ2)(12=-=d=input('采样精度'); %采样精度Hm=input('幅值'); %Hz的幅值，可以为任意值f=input('工作频率'); %矩形波导的工作频率t=input('波传播时刻'); % 波传播t时刻的场结构图lc=2*((m/a)^2+(n/b)^2)^0.5; %TEMmn截止波长l=3*10^8/f; %波的工作波长lg=l/((1-(l/lc)^2)^0.5); %波导的波长c=lg; %传输方向，取波导传播的方向B=2*pi/lg; %相位常数的计算β=2*pi/λgw=B/(3*10^8); %角频率的计算u=4*pi*10^(-7);%内环最内层的电流值if(l>lc)return;%若工作波长大于截止波长，波不沿波导传播，则返回;elsex=0:a/d:a; %x轴方向的常分量，精度为a/dy=0:b/d:b; %y轴方向的常分量，精度为b/dz=0:c/d:c; %z轴方向的常分量，其精度为c/d[x1,y1,z1]=meshgrid(x,y,z); %三维空间图形绘制采样点函数Hx=-B.*a.*Hm.*sin(m*pi./a.*x1).*cos(n*pi*y1./b).*sin(w*t-B.*z1)./pi;%磁场在x轴上的分布函数Hy=-B.*a.*Hm.*cos(m*pi*x1./a).*sin(n*pi*y1./b).*sin(w*t-B.*z1);%磁场在y轴上的分布函数Hz=Hm.*cos(m*pi*x1./a).*cos(n*pi*y1./b).*cos(w*t-B*z1);%磁场在z轴上的分布函数%figure;quiver3(z1,x1,y1,Hz,Hx,Hy,'b');%绘制三维图以及线的颜色为深蓝色xlabel('传输方向');ylabel('波导宽边a');zlabel('波导窄边b');hold on;%继续x2=x1-0.001;%画x2图的与x1的间隔为0.001y2=y1-0.001;z2=z1-0.001;Ex=-w.*u.*a.*Hm.*cos(m*pi./a.*x2).*sin(n*pi./b.*y2).*sin(w*t-B.*z2)./pi;%电场在y轴上的分布函数Ey=w.*u.*a.*Hm.*sin(m*pi./a.*x2).*cos(n*pi./b.*y2).*sin(w*t-B.*z2)./pi;%电场在y轴上的分布函数Ez=zeros(size(z2));%电场在z轴上的函数，产生以0开始的矩阵，Ez=0%figure;quiver3(z2,x2,y2,Ez,Ex,Ey,'r');%画三维图形电场的分布图颜色为红色xlabel('传输方向');ylabel('波导宽边a');zlabel('波导窄边b');hold off;%结束endTEM10模矩形波导块结构仿真图：TEM02模矩形波导块结构仿真图：。

矩形波导仿真实例研究报告矩形波导仿真实例研究报告一、引言矩形波导是微波和毫米波传输中常用的传输线结构。

在信号传输过程中，可以通过对矩形波导的仿真研究来优化波导的设计和参数，从而提高传输效率和性能。

二、研究目的本文旨在通过对矩形波导进行仿真研究，探究波导内部的场分布和传输特性，验证矩形波导的稳定性和可靠性，为矩形波导的设计和应用提供理论依据。

三、仿真模型本次研究采用了商业仿真软件CST Studio Suite进行矩形波导的建模和仿真。

我们选择了典型的矩形波导结构，包括长方形金属管、金属矩形圈和相邻的支撑杆。

四、仿真结果与分析4.1 电场分布通过仿真，我们得到了矩形波导内部的电场分布情况。

可以观察到，在TE10模式下，电场分布呈现出纵向和横向的分布特征，电场强度最大值集中在波导的四个角落。

4.2 传输特性在仿真中，我们对矩形波导进行了传输特性的仿真分析。

通过改变波导的尺寸和材料参数，我们发现波导的传输特性会受到影响。

当波导尺寸和材料参数适当选择时，可以实现较低的传输损耗和较高的传输效率。

4.3 稳定性验证为验证矩形波导的稳定性，我们进行了温度变化下的仿真模拟。

结果表明，矩形波导在一定温度范围内仍能保持较好的传输性能。

然而，当温度超出波导所能承受的范围时，波导的稳定性会受到明显影响。

五、应用展望本文对矩形波导的仿真研究为矩形波导在微波和毫米波传输中的应用提供了理论依据和指导。

矩形波导具有传输损耗低、传输效率高和抗干扰能力强等优点，在航空航天、通信、雷达等领域具有广泛应用前景。

六、结论通过对矩形波导进行仿真研究，我们得出了以下结论：首先，矩形波导的电场分布呈现出明显的纵向和横向分布特征。

其次，在适当的尺寸和材料参数下，矩形波导具有较低的传输损耗和较高的传输效率。

最后，矩形波导在一定范围内具有较好的稳定性，但在高温或低温环境下可能会失去传输特性。

七、致谢感谢CST Studio Suite提供了优秀的仿真软件和技术支持，使本次研究取得圆满成功。

矩形波导实验一．实验目的：1.了解HFSS基本操作，会利用HFSS对波导特性进行仿真。

2.画出电磁场内模式的电磁场分布图。

3.理解并会计算波导中的模式，单模传输，截至频率。

二．实验原理：矩形波导的结构，尺寸a=23mm，b=10mm，内部为真空条件下，在矩形波导内传播的电磁波为TE模。

由截止频率的计算公式由=c/f得，f=c/对于给定的工作频率或波长，只有满足传播条件f>fc的模式才能在波导中传播。

由公式可以看出矩形波导的fc，不仅与波导的尺寸a, b有关，还和模指数m, n 有关。

当a, b一定时，随着f的改变，矩形波导可以处于截止状态。

波导尺寸满足/2<a<2b</2 fc=c/TE10：=2a =46mm fc=6.52GHZTE20=a =23mm fc=13.04GHZTE01=2b=20mm fc=15GHZ波导单模工作频率为a<<2a 2b<工作频率范围为6.52-13GHZ三．实验步骤：1工程设置打开HFSS，出现新的工程窗口（1）设置求解类型Driven Modal（模式激励）（2）设置模型单位毫米（3）保存工程并命名2画波导在屏幕中间模型列表中的Box1为画出的长方体3、设置边界条件（1）选择波导的四个纵向面。

选择多个面（2）将这四个面设置为理想导体边界。

4、设置激励源wave port（1）选中波导的一个端口面（垂直于z轴的平面）建立激励。

5、设置求解频率（1）在菜单栏中点击HFSS>Analysis Setup>Add Solution Setup（2）在求解设置窗口中，设置Solution Frequency：13GHz，其它设为默认值6、计算及后处理在菜单栏中点击HFSS>Analyze all在菜单栏中点击HFSS>Fields>Plot Fields>E，画出电场强度的幅度分布。

在project manager窗口中可以演示电场强度幅度随时间变化情况。

微波技术与天线实验报告实验名称：实验3：利用HFSS仿真分析矩形波导学生班级：学生姓名：学生学号：实验日期：2011年月日一、 实验目的学会HFSS 仿真波导的步骤，画出波导内场分布随时间变化图，理解波的传播与截止概念；计算传播常数并与理论值比较。

二、 实验原理矩形波导的结构如图1，波导内传播的电磁波可分为TE 模和TM 模。

x yz图 1矩形波导1） TE 模，0=z E 。

coscos z z mn m x n y H H e a b γππ-= 2cos sin x mn c z n m x n y E H b a bj k e γπππωμ-= 2sin cos z y mn c j m m x n y E H e k a a b γωμπππ-=-2sin cos z x mn c m m x n y H H e k a a bγλπππ-= 2cos sin z y mn c n m x n y H H e k ba b γλπππ-= 其中，c kmn H 是与激励源有关的待定常数。

2） TM 模Z H =0，由Z E 的边界条件同样可得无穷多个TM 模。

注意：对于mn TM 和mn TE 模，m, n 不能同时为零，否则全部的场分量为零。

mn TM 和mn TE 模具有相同的截止波数计算公式，即c k （mn TM ）=c k （mn TE ）所以，它们的截止波长c λ和截止频率c f 的计算公式也是一样的，即c λ（mn TM ）=c λ（mn TE ）=222⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛b n a mc f （mn TM ）=c f （mn TE ）对于给定的工作频率或波长，只有满足传播条件（f >c f 或λ<c λ）的模式才能在波导中传播。

由公式可以看出矩形波导的c f ，c λ不仅与波导的尺寸a, b 有关，还和模指数m, n 有关。

当a, b 一定时，随着f 的改变，矩形波导可以多模传播，也可以单模传播，甚至也可以处于截止状态。

矩形波导仿真实验报告一、实验目的本实验旨在通过仿真矩形波导的传输特性，掌握矩形波导的基本原理和设计方法，深入了解电磁场在波导中的传输规律。

二、实验原理1. 矩形波导的基本结构和参数矩形波导是一种常用的微波传输线，其基本结构为由四个金属板构成的空心矩形管道。

其中，上下两个板为宽度为b，高度为h的金属板，左右两个板为长度为L，高度为h的金属板。

其参数包括截止频率fc、特征阻抗Zc等。

2. 矩形波导中电磁场的传输规律在矩形波导中，电磁场沿着z轴方向传播，在x和y方向上则呈驻波分布。

当工作频率小于截止频率fc时，在波导内只能传播TM模式；当工作频率大于截止频率fc时，则只能传播TE模式。

3. 矩形波导仿真软件——HFSSHFSS是一款常用于微波电路仿真分析软件，可以对各种微波元器件进行建模和仿真分析。

在本次实验中，我们将使用HFSS对矩形波导进行仿真分析。

三、实验内容1. 建立矩形波导模型首先，在HFSS软件中建立矩形波导模型。

具体步骤如下：（1）新建工程，选择3D Layout Design。

（2）在布局窗口中绘制矩形波导的截面图。

（3）设置边界条件和材料属性等参数。

2. 分析矩形波导的传输特性接下来，通过对矩形波导进行仿真分析，得到其传输特性曲线。

具体步骤如下：（1）在HFSS软件中选择“Insert”->“Sweep”->“Frequency”，设置频率范围和步进值。

（2）运行仿真分析，并得到S参数曲线。

（3）根据S参数曲线，计算出截止频率fc和特征阻抗Zc等重要参数。

3. 优化矩形波导的设计最后，根据分析结果对矩形波导的设计进行优化。

可以通过改变材料属性、尺寸等参数来调整其传输特性。

四、实验结果与分析通过上述步骤，我们得到了一组典型的仿真结果。

如图所示：从图中可以看出，在截止频率以下，矩形波导的传输特性较好，可以实现较低的插入损耗和反射损耗。

随着频率的增加，传输特性逐渐变差。

因此，在实际应用中，需要根据具体要求进行优化设计。

微波技术与天线实验2利用HFSS仿真分析矩形波导实验3：利用HFSS仿真分析矩形波导一、实验原理矩形波导的结构（如图1），尺寸a×b, a>b，在矩形波导内传播的电磁波可分为TE模和TM模。

图1 矩形波导1）TE模，0=zE。

cos cos zz mnm x n yH H ea bγππ-=2cos sinx mnczn m x n yE Hb a bjkeγπππωμ-=2sin cos zy mncj m m x n yE H ek a a bγωμπππ-=-2sin cos zx mncm m x n yH H ek a a bγλπππ-=2cos sin zy mncn m x n yH H ek b a bγλπππ-=其中，ck22m na bππ⎛⎫⎛⎫⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭+mnH是与激励源有关的待定常数。

2）TM模ZH=0，由ZE的边界条件同样可得无穷多个TM模。

注意：对于mnTM和mn TE 模，m, n 不能同时为零，否则全部的场分量为零。

mn TM 和mn TE 模具有相同的截止波数计算公式，即c k （mn TM ）=c k （mn TE ）22m n a b ππ⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭+所以，它们的截止波长c λ和截止频率c f 的计算公式也是一样的，即c λ（mn TM ）=c λ（mn TE ）=222⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛b n a mc f （mn TM ）=c f （mn TE ）2με22m n a b ⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭+对于给定的工作频率或波长，只有满足传播条件（f >c f 或λ<c λ）的模式才能在波导中传播。

由公式可以看出矩形波导的c f ，c λ不仅与波导的尺寸a, b 有关，还和模指数m, n 有关。

当a, b 一定时，随着f 的改变，矩形波导可以多模传播，也可以单模传播，甚至也可以处于截止状态。

以a=23mm ，b=10mm 的空心矩形波导为例，由截止频率的计算公式22)()(21bna m f c +=με，可以计算GHz f cTE 52.610=，GHz f cTE 04.1320=，GHz f cTE 1501=，所以波导单模工作的频率范围为6.562-13.123GHz 。

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822222c 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。

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。

电子科技大学自动化工程学院标准实验报告（实验）课程名称微波技术与天线电子科技大学教务处制表电子科技大学实验报告学生姓名：学号：指导教师：实验地点：实验时间：一、实验室名称：C2-513二、实验项目名称：微波技术与天线CST仿真实验三、实验学时：6学时四、实验目的：1、矩形波导仿真（1）、熟悉CST仿真软件；（2）、能够使用CST仿真软件进行简单矩形波导的仿真、能够正确设置仿真参数，并学会查看结果和相关参数。

2、带销钉T接头优化（1）、增强CST仿真软件建模能力；（2）、学会使用CST对参数扫描和参数优化功能。

3、微带线仿真学习利用CST仿真微带线及微带器件。

4、设计如下指标的微带线高低阻抗低通滤波器截止频率：2GHz截止频率处衰减：小于1dB带外抑制：3.5GHz插入损耗大于20dB端口反射系数：<15dB端口阻抗：50欧姆。

五、实验内容：1、矩形波导仿真（1）、熟悉CST仿真软件的基本操作流程；（2）、能够对矩形波导建模、仿真，并使用CST的时域求解器求解波导场量；（3）、在仿真软件中查看电场、磁场，并能够求解相位常数、端口阻抗等基本参数。

2、带销钉T接头优化（1）、使用CST对带销钉T接头建模；（2）、使用CST参数优化功能对销钉的位置优化；（3）、通过S参数分析优化效果。

3、微带线仿真（1）、基本微带线的建模；（2）、学习微带线的端口及边界条件的设置。

4、微带低通滤波器设计（1）、根据参数要求计算滤波器的各项参数；（2）、学习微带滤波器的设计方法；（3）、利用CST软件设计出符合实验要求的微带低通滤波器。

六、实验器材（设备、元器件）：计算机、CST软件。

七、实验步骤：（简述各个实验的实验步骤）1、矩形波导仿真：①. 建模：建立矩形波导的模型（86.4mm*43.2mm*200mm）；②. 设置端口；③. 设置频率：将频率设置为2.17-3.3GHz，仿真高次模的时候将上限频率设置成6GHz；④. 仿真；⑤. 端口计算，场监视器：得到S11图以及场分布图；⑥. 计算β和Zwave参数2、带销钉T接头优化：①. 建模：建立带销钉T接头模型；②. 设置端口；③. 设置边界条件；④. 设置频率；④. 仿真；⑤. 扫参；⑥. 优化微带线仿真：①. 建模：建立微带线模型；②. 设置端口；③. 设置边界条件；④. 设置频率；④. 仿真；⑤. 扫参；⑥. 优化4、微带低通滤波器设计：①. 根据指标选择滤波器阶数；②. 确定原型电路；③. 确定基本结构；④. 在CST中，利用理想元件来验证；⑤. 利用CST时域仿真微带线的方法来得到特定阻抗的微带宽度，并通过微带线理论的公式计算特定阻抗的微带长度八、实验结果及分析：1、矩形波导仿真：矩形波导模型及端口图S11参数图f=3时的电场图f=3时的磁场图计算f=5.2时的电场图（高次模）f=5.2时的磁场图（高次模）高次计算2、带销钉T接头优化：带销钉T接头模型图及端口图扫参图参数优化图优化后反射系数图3、微带线仿真：模型图特性阻抗曲线图端口电场图端口磁场图4、微带低通滤波器设计：模型图优化前的S db图理想原件验证图优化后的S db图九、实验结论：1. 使用CST对矩形波导进行建模，并求解波导场量（如图1-3~图1-6），在仿真软件中查看电场、磁场，求解相位常数，端口阻抗（等基本参数。