微波技术与天线实验3利用HFSS仿真分析波导膜片

HFSS仿真分析波导膜片

1.实验原理

矩形波导的结构（如图1），尺寸a×b, a>b，在矩形波导传播的电磁波可分为TE模和TM模。

图1 矩形波导

1）TE模，0

=

z

E。

cos cos z

z mn

m x n y

H H e

a b

γ

ππ

-

=

2

cos sin

x mn

c

z

n m x n y

E H

b a b

j

k

eγ

πππ

ωμ-

=

2

sin cos z

y mn

c

j m m x n y

E H e

k a a b

γ

ωμπππ

-

=-

2

sin cos z

x mn

c

m m x n y

H H e

k a a b

γ

λπππ

-

=

2

cos sin z

y mn

c

n m x n y

H H e

k b a b

γ

λπππ

-

=

其中，

c

k22

m n

a b

ππ

⎛⎫⎛⎫

⎪ ⎪

⎝⎭⎝⎭

+mn

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 m

c 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

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)()(21

b

n a 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围为6.562-13.123GHz 。

波导容性膜片的仿真分析

矩形波导中的金属膜片分为两类，一类为容性膜片（如图9（a ）），这种结构的膜片能储存净电磁能，具有电容的性质,其等效电路（如图9（b ））。一类为感性膜片（如图10（a ）），其等效电路（10（b ））。容性膜片是设置在矩形波导宽壁上的金属薄片；感性膜片是设置在矩形波导窄壁上的金属薄片。

图9（a ） 容性膜片 图9（b ） 等效电路

图10（b ） 等效电路 0B g =式中，0Y 为矩形波导的导纳；a 、b 为矩形波导横截面尺寸；a'、b'为膜片间距。

对称结构的感性膜片的归一化电纳近似计算公式为

)2'(cot 20a

a a Y B B g πλ-== S 参数为

[]⎥⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎢⎣⎡+-+++-=Y Y Y

Y Y Y S 222222 其中B j Y =是膜片的归一化导纳。 2．实验步骤

HFSS 仿真分析矩形波导

HFSS 软件分析单模传播模式的具体步骤如下：

建立新的工程

1）设置求解类型

在菜单中点击HFSS>Solution Type ，在弹出的Solution Type 窗口中选择Driven Modal,点击OK

2）设置模型单位

在菜单栏中点击Modeler>Units,设置模型单位，选择mm

3）画波导

（1）在菜单栏中点击Draw>box

（2）在右下角的坐标栏中输入长方体的起始点位置坐标X=0 ，Y=0 ,Z=0 （3）输入长方体X,Y,Z三个方向尺寸，dX:23，dY:10，dZ:50

（4）在属性窗口中选择Attribute标签，该长方体的名字修改为waveguide 4）设置边界条件

（1）选择波导的四个纵向面。

通过Edit>select>faces,将鼠标设置为选择面的状态（如图2）；

通过按钮（旋转功能）以及ctrl键实现选择多个面，或者通过edit>select>by name（如图3），结合ctrl键选中face10、11、12、9（如图4）。

（2）将这四个面设置为理想导体边界。

可以通过点击HFSS>Boundaries>Assign> Perfect E实现，或者点击鼠标右键>Assign Boundary> Perfect E（如图5）。

图2 select faces界面

图3 select by name界面

图4 select face界面