22 矩形波导
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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。
第1篇一、矩形波导的模式分类矩形波导中的电磁波模式主要分为TE(横电磁波)模式和TM(纵电磁波)模式。
1. TE模式TE模式是指电场只在波导的横向(垂直于传播方向)分量存在,而磁场则在纵向(沿传播方向)分量存在。
根据电场和磁场在波导横截面上的分布,TE模式又可以分为TE10、TE20、TE01等模式。
(1)TE10模式:TE10模式是矩形波导中最基本、最常用的模式。
其电场分布呈矩形,磁场分布呈椭圆。
TE10模式的截止频率最高,适用于高频传输。
(2)TE20模式:TE20模式的电场分布呈矩形,磁场分布呈圆形。
其截止频率低于TE10模式,适用于中频传输。
(3)TE01模式:TE01模式的电场分布呈矩形,磁场分布呈椭圆。
其截止频率最低,适用于低频传输。
2. TM模式TM模式是指磁场只在波导的横向分量存在,而电场则在纵向分量存在。
根据电场和磁场在波导横截面上的分布,TM模式又可以分为TM01、TM11、TM21等模式。
(1)TM01模式:TM01模式的电场分布呈矩形,磁场分布呈圆形。
其截止频率最高,适用于高频传输。
(2)TM11模式:TM11模式的电场分布呈矩形,磁场分布呈椭圆。
其截止频率低于TM01模式,适用于中频传输。
(3)TM21模式:TM21模式的电场分布呈矩形,磁场分布呈圆形。
其截止频率最低,适用于低频传输。
二、矩形波导的模式特性1. 截止频率截止频率是矩形波导中一个重要的参数,它决定了电磁波在波导中能否有效传输。
不同模式的截止频率不同,其中TE10模式的截止频率最高,适用于高频传输。
2. 相速度相速度是指电磁波在波导中传播的速度。
不同模式的相速度不同,TE模式的相速度比TM模式快。
3. 模式损耗模式损耗是指电磁波在波导中传播时,由于波导壁的吸收和辐射等原因,能量逐渐衰减的现象。
不同模式的损耗不同,TE模式的损耗比TM模式小。
4. 传输特性矩形波导中不同模式的传输特性不同,如TE模式的传输特性较好,适用于高频传输;TM模式的传输特性较差,适用于低频传输。
电动力学复习题一.填空1.a 、k 及0E 为常矢量,则)]sin([0r k E ⋅⋅∇= , )]sin([0r k E ⋅⨯∇= 。
2.真空中一点电荷电量)sin(0t q q ω=,它在空间激发的电磁标势ϕ为 。
3. 电磁场能流密度的意义是 ,其表达式为 。
4.波矢量αβ i k +=,其中相位常数是 ,衰减常数是 。
5.电容率ε'=ε+i ωσ,其中实数部分ε代表 电流的贡献,它不能引起电磁波功率的耗散,而虚数部分是______电流的贡献,它引起能量耗散。
6. 矩形波导中,能够传播的电磁波的截止频率22,,⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛=b n a m n m c μεπω,当电磁波的频率ω满足 时,该波不能在其中传播。
若b >a ,则最低截止频率为 。
7.频率为91030⨯Hz 的微波,在0.7cm ⨯0.4cm 的矩形波导管中,能以 波模传播。
8.爱因斯坦质能关系为 。
如果两事件只能用大于光速的信号进行联系,则这两事件 (填:一定不存在/一定存在/可能存在)因果关系,原因是 是一切相互作用传播的极限速度。
9.电荷守恒定律的微分形式为 ,其物理意义为 ;积分形式为 ,其物理意义为 。
10.a 为常矢量,则=⋅∇)(r a , r a )(∇⋅= 。
12. 磁偶极子的矢势)1(A 等于 ;标势)1(ϕ等于 。
13.B =▽⨯A ,若B 确定,则A ____(填确定或不确定),A 的物理意义是 。
14. 变化电磁场的场量E 和B 与势),(ϕA 的关系是E = ,B = 。
15.库仑规范的条件是 ,在此规范下,真空中变化电磁场的标势ϕ满足的微分方程是 。
16.静电场方程的微分形式为 、 _。
电四极矩有 个独立分量。
17. 半径为0R 、电容率为ε的介质球置于均匀外电场中,则球内外电势1ϕ和2ϕ在介质球面上的边界条件可以表示为 和 。
18.金属内电磁波的能量主要是 能量19.良导体条件为 ;它是由 和 两方面决定的。
仿真分析矩形波导(无探针激励)1.建立三维模型坐标轴 外截面(单位mm)内截面(单位mm)X 轴(a)25.4 22.86 Y 轴(b)12.7 10.16Z 轴 502.设置材料:copper3.设置激励:在Z=0和Z=50mm 的矩形面上设置波端口一、设置频率:fmin 9GHz fmax 11GHz 中心频率10GHz仿真结果与分析理论计算: 工作波长:m m m GHzs mf c 3003.01010100.398==⨯⨯==λ mm mm a cTE 3072.4586.222210>=⨯==λmm mm a cTE 3086.2220<==λmm mm b cTE 3032.2016.102201<=⨯==λ因此,可以判断在工作频率为10GHz 时,只能传输10TE 模。
10TE 模的相位常数m rad a 05.1582122=⎪⎭⎫⎝⎛-=λλπβ 波导波长mm m a g 75.3903975.02122==⎪⎭⎫⎝⎛-==λλβπλ 10TE 模的相速sm a p 8210975.321⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛-==λυβωυ10TE 模的波阻抗Ω=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=58.49921120210a Z TE λπ图1.1电场矢量分布图图1.2电场幅度沿Y方向分布图图1.3磁场矢量分布图图1.4磁场幅度沿X方向分布图图1.5磁场幅度沿Z方向分布图S参数图1.6波导仿真11S参数图1.7波导仿真12图1.8回波损耗分析:(1)由图1.1和图1.3可知,电场和磁场沿Z 轴每隔半个波长反向。
电场只有Y 分量,磁场只有X 、Z 分量,且磁场线闭合。
(2)由图1.2、图1.4和图1.5可知,电场幅值Y 分量在宽壁中间最大,磁场幅值X 分量在宽壁中间最大,而磁场幅值Z 分量在宽壁两边最大。
(3)由图 1.1可知,在50mm 的波导中存在大约 1.25个波长,即mm g 4025.150'==λ,在误差允许的范围内,'g g λλ=。
矩形波导尺寸
矩形波导的尺寸通常由宽度(a)和高度(b)来定义。
这两个尺寸的比例对于波导的模式和特性具有重要影响。
它们的单位可以是米(m)或毫米(mm),具体尺寸取决于所设计的应用和频率范围。
对于一个标准的矩形波导,例如WR90(矩形波导90),其宽度为22.86毫米(0.9英寸),高度为10.16毫米(0.4英寸)。
其他常见的矩形波导尺寸包括:
- WR62:宽度15.88毫米(0.625英寸),高度7.87毫米(0.31英寸);
- WR42:宽度10.16毫米(0.4英寸),高度4.06毫米(0.16英寸);
- WR28:宽度7.11毫米(0.28英寸),高度3.56毫米(0.14英寸)。
需要注意的是,这些尺寸只是一些常见的矩形波导尺寸,并且在实际应用中可能会有其他非标准尺寸的波导。
此外,波导的尺寸还会根据不同的设计要求和频率范围而有所变化。
第八章 矩形波导1. 波导中的传播条件:f>fc 或λ<λc2. 矩形波导能传输TM 波和TE 波,不能传输TEM 波。
3. 矩形波导中:TEmn 模:m 和n 皆可取0,但又不能同时为0 TMmn 模。
显然,m,n 皆不可能为0,故最低阶模为TM11其中:m 表示电磁场沿波导宽边a 分布的半波数的个数,n 表示电磁场沿波导窄边b 分布的半波数的个数。
当m 和n 取非零值时,TMmn 模和TEmn 模具有相同的截止参数,这种现象称为模式简并,相应的模式称为简并模式。
例如,TM21模和TE21模是简并模式。
4. 波长①工作波长λ:定义:微波振荡源所产生的电磁波的波长。
v f λ==若填充空气,则8310/v c m s ===⨯ 若填充r ε的介质,则v =②波导波长λg :在波导内,合成波沿的等相位面在一个周期内所走过的路程定义为波导波长λg 。
2g πλβ==③截止波长λc :电磁波处于能传输与不能传输的临介状态,此时对应的波长称为截止波长,对应的频率叫截止频率,fc.(或定义为:导行波不能在波导中传输时所对应的最低频率称为截止频率,该频率确定的波长称为截止波长。
)g λλ>c cvf λ==c c v f λ=5.传播速度若填充空气,则8310/v c m s ===⨯ ,若填充r ε的介质,则v =①相速度vp :定义p v ωβ== 或p g v fλ=p v v >②群速度vg :群速度(能速)就是电磁波所携带的能量沿波导纵轴方向(z 轴)的传播速度。
g v =2p g v v v = g v v <6.色散现象:传播速度与频率有关的现象时延失真:波导传输频带内各不同频率的信号传输时间不等,造成信号失真,这种失真称为时延失真。
7. 波阻抗:波导中某种波型的阻抗简称为波阻抗。
定义为波导横截面上该波型的电场强度与磁场强度的比值。
TM波的:x TM y EZ H ==TE 波: TE Z =无界空间中的波阻抗:μηε=空气中:120377ηηπ===Ω介质rε中:0rηηε=8.什么是模式简并?9. 场结构的定义:用电力线(实线)和磁力线(虚线)来表示场强空间变化规律的图形。
资料范本本资料为word版本,可以直接编辑和打印,感谢您的下载矩形波导中电磁波截止波长的计算(1)(1)地点:__________________时间:__________________说明:本资料适用于约定双方经过谈判,协商而共同承认,共同遵守的责任与义务,仅供参考,文档可直接下载或修改,不需要的部分可直接删除,使用时请详细阅读内容矩形波导中电磁波截止波长的计算周和伟物理与电子信息工程学院 07物理学 07234030[摘要]:本文从麦克斯韦方程组出发,从理论上推导了电磁场遵循的波动方程和时谐电磁波遵循的波动方程;根据边值关系从理论上求出了时谐电磁波在矩形波导中的解,并对矩形波导管中传播的电磁波波解进行了讨论;计算了不同尺寸的矩形波导管的截止波长,截止波长大多属于厘米量级,说明波导管只适用于传播微波。
[关键词]:矩形波导电磁波截止波长1 绪言波导是一种用来约束或引导电磁波传输的装置,矩形波导是指横截面是矩形的波导,一般是中空的金属管。
也有其他形式的波导装置,如介质棒或由导电材料和介质材料组成的混合构件[1]。
因此,在广义的定义下,波导不仅是指矩形中空金属管,同时也包括其他波导形式如矩形介质波导等,还包括双导线、同轴线、带状线、微带和镜像线、单根表面波传输线等。
根据波导横截面的形状不同还有其他形状波导,如圆波导等。
尽管已存在很多不同波导形式,且新的形式还不断出现,但直到目前,在实际应用中矩形波导是一种最主要的波导形式。
由于无线信号传输媒介,具有传输频带宽、传输损耗小、可靠性高、抗干扰能力强等特点,因此波导技术在电子技术领域运用非常广泛,主要用于铁氧体结环形器,窄壁缝隙天线阵[2],速调管矩形波导窗,高精度矩形弯铜波导管加工研究【3】等器件设备的制造生产,以及在地铁信号系统中的应用都很广泛。
为了加深对波导传输特性的理解,本文从麦克斯韦方程组出发,推导了电磁场遵循的波动方程和时谐电磁波遵循的波动方程;根据边值关系从理论上求出了时谐电磁波在矩形波导中的解,并对矩形波导管中传播的电磁波波解进行了讨论;计算了不同尺寸的矩形波导管的截止波长,发现其截止波长都在厘米量级,说明波导管只适用于传播微波。