电磁场与微波技术实验2矩形波导仿真与分析

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。

信息与通信工程学院电磁场与微波技术实验报告班级：姓名：学号序号：日期：1实验二：分支线匹配器一、实验目的掌握支节匹配器的工作原理；掌握微带线的基本概念和元件模型；掌握微带线分支线匹配器的设计和仿真。

二、实验原理支节匹配器支节匹配器是在主传输线上并联适当的电纳（或者串联适当的电抗），用附加的反射来抵消主传输线上原来的反射波，以达到匹配的目的。

单支节匹配器：调谐时，主要有两个可调参量：距离d 和分支线的长度l。

匹配的基本思想是选择d，使其在距离负载d 处向主线看去的导纳Y 是Y0 + jB 形式，即Y = Y0 +jB ，其中Y0 = 1/Z0。

并联开路或短路分支线的作用是抵消Y 的电纳部分，使总电纳为Y0，实现匹配，因此，并联开路或短路分支线提供的电纳为−jB ，根据该电纳值确定并联开路或短路分支线的长度l，这样就达到匹配条件。

双支节匹配器：通过增加一支节，改进了单支节匹配器需要调节支节位置的不足，只需调节两个分支线长度，就能够达到匹配（注意双支节匹配不是对任意负载阻抗都能匹配的，即存在一个不能得到匹配的禁区）。

微带线微带线是有介质εr(εr > 1) 和空气混合填充，基片上方是空气，导体带条和接地板之间是介质εr，可以近似等效为均匀介质填充的传输线，等效介质电常数为εe ，介于1 和εr 之间，依赖于基片厚度H 和导体宽度W。

而微带线的特性阻抗与其等效介质电常数为εe 、基片厚度H 和导体宽度W 有关。

三、实验内容已知：输入阻抗Z in = 75 Ω 负载阻抗Z L = (64 + j35) Ω特性阻抗Z0 = 75 Ω介质基片εr = 2.55，H = 1mm，导体厚度T 远小于介质基片厚度H。

2假定负载在2GHz 时实现匹配，利用图解法设计微带线单支节和双支节匹配网络，假设双支节网络分支线与负载的距离d1 = λ/4 ，两分支线之间的距离为d2 = λ/8。

画出几种可能的电路图并且比较输入端反射系数幅度从1.8GHz 至2.2GHz 的变化。

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=z E 。

coscos zz mn m x n y H H e a bγππ-= 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 bγωμπππ-=-2sincos z x mn c m m x n y H H e k aa bγλπππ-=2cossin z y mn c n m x n y H H e k ba bγλπππ-=其中，c k 22m 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mnTE 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。

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。

微波实验报告波导波长测量电磁场与微波测量实验报告实验二波导波长的测量一、实验内容波导波长的测量按上图连接测量系统，可变电抗可以采用短路片当矩形波导终端短路时，将形成驻波状态波导内部电场强度表达式为：E ＝EY ＝E0 sin sin?ZYZ?I?C?sin2?d?g??n、作出测量线探针在不同位置下的读数分布曲线北京邮电大学电磁场与微波测量实验报告实验二波导波长的测量一、实验内容波导波长的测量按上图连接测量系统，可变电抗可以采用短路片，在测量线中入射波与反射波的叠加为接近纯驻波图形，只要测得驻波相邻节点得位置L1、L2，由公式即可求得波导波长两点法确定波节点位置将测量线终端短路后，波导内形成驻波状态调探针位置旋钮至电压波节点处，选频放大器电流表表头指示值为零，测得两个相邻的电压波节点位置，就可求得波导波长为：’?g ＝ 2 Tmin－ Tmin响后面的测量校准晶体二极管检波器的检波特性将探针沿测量线由左向右移动，按测量放大器指示每改变最大值刻度的10%，记录一次探针位置，给出u沿线的分布图形设计表格，用驻波测量线校准晶体的检波特性作出晶体检波器校准曲线图令d作为测量点与波节点的距离；do是波节点的实际位置，d0+d 就是测量点的实际位置：再移动探针到驻波的波腹点，记录数据，分别找到波腹点相邻两边指示电表读数为波腹点50%对应的值，记录此刻探针位置d1和d2，根据公式n=()g求得晶体检波率n，和所得的数值进行比较三、实验结果分析数据分析：由于此时波导中存在的是驻波，并且测量的位置是从波腹到相邻的波节，所以画出来的波形应该是正弦曲线的四分之一，由上图可以看出，实验结果基本符合，误差在允许上图为对数坐标，横轴表示logE，纵轴表示logU分析：根据理论分析，上图应该是一条斜率为n的直线，而实际描出的点连成的线不是一条很直的直线，笔者决定采用理论拟合法拟合出一条直线拟合后直线的斜率为，所以晶体检波率为第二种定标法??=(λg==a.两点法测量波导波长+= 22+136T’min ＝? T1 ? T2 ?==22Tmin ＝? T1 ? T2 ?=‘?g ＝ 2 Tmin－ Tmin=b.间接法测量波导波长北京邮电大学电磁场与电磁波测量实验实验报告实验一微波测量系统的使用和信号源波长功率的测量一、实验目的(1) 学习微波的基本知识；(2) 了解微波在波导中传播的特点，掌握微波基本测量技术； (3) 学习用微波作为观测手段来研究物理现象二、实验仪器1.微波信号源微波信号源由振荡器、可变衰减器、调制器、驱动电路、及电源电路组成该信号源可在等幅波、窄带扫频、内方波调制方式下工作，并具有外调制功能在教学方式下，可实时显示体效应管的工作电压和电流的关系仪器输出功率不大，以数字形式直接显示工作频率，性能稳定可靠2.隔离器位于磁场中的某些铁氧化体材料对于来自不同方向的电磁波有着不同吸收，经过适当调节，可使其对微波具有单方向传播的特性，隔离器常用于振荡器与负载之间，起隔离和单向传输的作用3.衰减器把一片能吸微波能量的吸收片垂直于矩形波导的宽边，纵向插入波导管即成，用以部分衰减传输功率，沿着宽边移动吸收片可改变衰减量的大小衰减器起调节系统中微波功率从以及去耦合的作用 4.波长计电磁波通过耦合孔从波导进入频率计的空腔中，当频率计的腔体失谐时，腔里的电磁场极为微弱，此时，它基本不影响波导中波的传输当电磁波的频率计满足空腔的谐振条件时，发生谐振，反映到波导中的阻抗发生剧烈变化，相应地，通过波导中的电磁波信号强度将减弱，输出幅度将出现明显的跌落，从刻度套筒可读出输入微波谐振时的刻度，通过查表可得知输入微波谐振频率图1 实验原理框图表1 信号源波长测量表按上图连接测量系统，可变电抗可以采用短路片当矩形波导终端短路时，将形成驻波状态波导内部电场强度表达式为：E ＝ EY ＝ E0 sin sin?Z在波导宽面中线沿轴线方向开缝的剖面上，电场强度的幅度分布如图三所示将探针由缝中插入波导并沿轴向移动，即可检测电场强度的幅度沿轴线方向的分布状态微波测量线应用实验报告一、实验目的1、了解一般微波测试线的组成及其主要元、器件的作用，初步掌握它们的调整方法2、掌握波导中波导波长和驻波比的测量方法3、掌握调配器调配的方法及其对传输线驻波比的影响二、实验内容1、测量波导传输线中的横向场分布； 2、测量波导传输线中的波导波长；3、测量波导传输线中的驻波比；4、应用三螺调配器降低波导传输线中的驻波比三、微波测量线组成及测量原理常用的一般微波测试线组成如图1所示信号源能较稳定地工作可变衰减器也是由一小段波导构成的，其中放有一表面涂有损耗性材料，并与波导窄壁平行放置的薄介质片介质片越靠近波导中心处，衰减越大，反之，衰减越小利用可变衰减器可以连续地改变信号源传向负载方向功率的大小；另外，如同隔离器一样，可变衰减器也具有一定的隔离作用纵向场分布测量线是一段在其宽壁中心线开有一窄缝隙的矩形波导，电场探针从缝隙插入波导中，耦合出一定功率的微波信号，通过微波范围内用的晶体二极管检波器后变成为1kHz的低频信号，该信号测量放大器放大后，其幅度通过表头显示当电场探针沿着波导纵向移动时，测量放大器表头显示的数值变化就对应着波导中纵向电场幅度的分布横向场分布测量线是一段在其宽壁横向开有一窄缝隙的矩形波导，电场探针从缝隙插入波导中，耦合出一定功率的微波信号，通过微波范围内用的晶体二极管检波器后变成为1kHz的低频信号，该信号测量放大器放大后，其幅度通过表头显示当电场探针沿着波导横向移动时，测量放大器表头显示的数值变化就对应着波导中横向电场幅度的分布三螺调配器为波导传输线的终端负载，他由三根细圆柱金属棒分别在波导宽边中心线的不同纵向位置插入波导中，通过每一根金属棒伸进波导内部长度的变化改变反射波的幅度和相位，可以将传输线从终端短路状态调整到终端匹配状态四、实验方法与实验步骤1、首先按图1所示将测量系统安装好，然后接通电源和测量仪器的有关开关，观察微波信号源有无输出指示若有指示，当改变衰减量或移动测量线探针的位置时，测量放大器的表头指示会有起伏的变化，这说明系统已在工作了但这并不一定是最佳工作状态例如，若是反射式速调管信号源的话还应把它调到输出功率最大的振荡模式，并结合调节信号源处的短路活塞，以使能量更有效地传向负载若有必要，还可以调节测量线探头座内的短路活塞，以获得较高地灵敏度，或者调节测量线探针伸入波导的程度，以便较好地拾取信号的能量对于其它微波信号源也应根据说明书调到最佳状态有时信号源无输出，但测量放大器也有一定指示这可能是热噪声或其它杂散场的影响；若信号源有输出，但测量放大器的指示不稳定或者当测量线探针移动时，其指示不变，均属不正常情况，应检查原因，使之正常工作系统正常工作时，可调节测量放大器的有关旋钮或可变衰减器的衰减量，使测量放大器图3 终端短路状态下波导中纵向场幅度分布图3、测量波导传输线中的驻波比在上述条件下移动纵向场分布测量线中电场探针读取测量放大器读数的最大值和最小值，并记录五、实验报告内容1、画出一般微波测试线系统的装置简图，并说明各部分功能功能：微波源：提供信号隔离器：防止后级负载对信号源造成影响可变衰减器：防止信号太大使测量放大器超过量程纵向和横向场分布测量线：用于测量腔内的横向和纵向电场分布情况三螺调配器：用于接各种负载探针、检波器、测量放大器：用于测量和显示数据2、总结各实验项目的主要步骤，测试数据和计算结果 1）将负载短路片接上；找到峰值点，然后在峰值点两侧各找一点，使其幅度值相等，读取坐标位置；这两点中心点即为峰值点，测量两个峰值点的坐标，他们的差值即为半波长；半波长：波长为： 2）将负载接到终端找到波峰和波谷对应的幅度，作比值即可 Umax = 62 Umin = 30微波工作波长和波导波长测量一、实验原理：工作波长λ是微波源发射的电磁波在波导中传播的波长，它是连续的等幅波在自由空间或波导中传播工作波长是相同的这种波的发射机构是反射式速调管中的电子束经受速度调制后所发射的电磁波波导波长λg 则是工作电磁波在波导中两侧壁来回反射，形成电磁场场强沿波导传播方向的周期性分布，这种周期就对应于波导波长λg λ与λg可用下面公式计算：1 c?微波在波导两侧全反射沿Z方向传播 ?2?g?微波在波导中全反射使电磁场沿Z方向出现周期性分布，对应的长度称为波导波长λg二实验方法可用吸收谐振的方法测量微波发射频率，然后再计算工作波长λ圆柱形腔体经耦合孔与波导相通，改变腔体的固有频率，当与微波的频率相同时腔体就共振吸收微波能量，传播的微波能量就会减小，从而测到微波频率用驻波的方法测量波导波长在波导中形成驻波，用测量线测量驻波中的电场，可求得λg。

矩形波导的设计讲解矩形波导是一种常用的传输电磁波的结构，广泛应用于微波和毫米波技术领域。

它具有低损耗、宽带特性和良好的屏蔽效果等优点，因此在通信、雷达、天线等系统中得到了广泛的应用。

本文将从矩形波导的结构特点、电磁波传输特性以及设计步骤等方面对矩形波导的设计进行详细讲解。

首先，矩形波导的结构特点是由金属电磁波传输通道组成的。

其截面形状为矩形，通常由四个金属壁构成。

矩形波导的尺寸通常与工作频率密切相关，较低的频率需要较大的波导尺寸，而较高的频率则需要较小的波导尺寸。

此外，矩形波导的截面形状也可以是正方形或其他多边形，但矩形波导的使用最为广泛。

其次，矩形波导的电磁波传输特性主要取决于波导的尺寸和工作频率。

波导的尺寸会影响波导的模式，波导模式决定了波导中电磁波的传输方式。

常见的波导模式有TE模式和TM模式，其中TE模式是指电场垂直于截面平面，而TM模式是指磁场垂直于截面平面。

波导的工作频率会决定波导中传播的波长，从而影响波导中电磁波的传播特性。

1.确定工作频率：根据系统的要求和应用场景确定波导的工作频率范围。

2.计算波长和波导尺寸：根据工作频率，计算电磁波在波导中的波长，然后根据波导的模式和波导的截面形状，选择适当的波导尺寸。

3.确定材料和金属壁厚度：根据波导的工作频率和损耗要求，选择适当的材料和金属壁厚度。

常用的波导材料有铜、铝、不锈钢等。

4.设计耦合结构：根据系统的要求，设计波导的耦合结构，用于与其他系统的连接。

常见的耦合结构有同轴耦合和波导口耦合等。

5.进行电磁场仿真：利用电磁场仿真软件，对波导的特性进行仿真模拟，验证设计的合理性和性能。

常用的电磁场仿真软件有CST、HFSS等。

6.制作和测试样品：根据设计图纸，制作波导样品，并通过实验和测试对波导进行性能验证。

总结起来，矩形波导的设计主要包括确定工作频率、计算波长和波导尺寸、选择材料和金属壁厚度、设计耦合结构、进行电磁场仿真以及制作和测试样品等步骤。