实验指导书--介质填充波导本征模研究..docxVIP

上机实验二:介质填充波导的本征模研究一、实验目的微波在某个特定的导波结构中是以模式的形式存在的。模式是麦克斯韦方程组在相应波导结构截面中的本征解，所以也叫本征模。另外，矩形波导因其加工方便，且具有损耗小和双极化特性，常用于要求双极化模的天线的馈线中，也广泛用作各种谐振腔、波长计，是一种较常用的规则金属波导。本次实验利用HFSS/CST平台实现介质填充的矩形波导的设计与仿真，通过改变矩形波导内部介质的形状、填充位置、介电常数及磁导率，观察其本征模的相位常数，截止波长以及横截面上的电场矢量分布的变化，并进行横向比较，总结规律。二、实验原理现阶段，能够容易得到波导内部各参量解析解的矩形波导模型（如图1）大致为一无限长矩形截面直波导管，管的轴线与z轴方向一致，它的内壁坐标分别为x=0，x=a，y=0，y=b，假设波导管材料为理想导体，内部填充参量为ε和μ的理想介质。已知矩形波导内部TE波和TM波的场分量表达式及相关特性。图1 矩形波导结构矩形波导内的TE模⑴．场分量表达式其中 ⑵．TE模的主要参数截止频率 截止波长相位常数 导波波长 矩形波导内的TM模⑴．场分量表达式⑵．TM模的主要参数TM模的主要参数均与上述TE模的计算公式相同。矩形波导内的TE模、TM模有无穷多个解，每一组m、n值对应一种场结构。实际应用中一般选取波导尺寸ab，所以通常情况下，TE10模具有最低的截止频率和最长的截止波长，TE10模称为主模，其他模通称为高次模。而TM模的m和n都不能为零，所以，TM模的最低次模为TM11.三、实验步骤及仿真实例已知一个矩形金属波导，波导的轴线与z轴一致，长度为22.86mm，宽10.16mm。1、空气填充的矩形波导的仿真实例1）基于CST的矩形波导的仿真① 启动软件后，看到如下窗口，双击选择第一项CST微波工作室（microwave studio）。② 在弹出的界面中选择仿真模版注意：即使选择了模板，也要检查单位和背景材料设置是否正确。③ 单位设置在主菜单栏中选择【Solve】→【Units】命令，打开单位设置对话框。④ 建立模型在主菜单栏中选择【Objects】→【Basic Shapes】→【Brick】命令或单击工具栏上的按钮，按esc键弹出如下输入矩形波导尺寸的窗口。按照上图输入矩形波导尺寸，设长为a，宽为b，髙为h。单击ok后逐次定义变量a、b、h。令a=22.86，b=10.16，h=100，在依次弹出的窗口中输入对应的初始值。其中，a为矩形波导的截面长，b为截面宽，h为任意设定的波导高度，而矩形波导内的本征模的各项参数仅与波导矩形横截面的长和宽有关，因此h变量对于本次实验的结果没有影响。建模完成后，缩小图形比例，即上推鼠标滚轮，得到矩形波导如下。⑤ 边界条件设置此处选用电边界，即切向电场为零。在主菜单栏中选择【Solve】→【Boundary Conditions】命令，保持默认不变，单击确定。⑥ 频率设置在主菜单栏中选择【Solve】→【Frequency】命令，在未知本征模截止频率的前提下，暂按下图设置。⑦ 端口设置按f键或在主菜单栏中选择【Objects】→【Pick】→【Pick Face】命令，双击矩形波导的上表面。选中面后，单击鼠标右键选择【Waveguide Ports】或在主菜单栏中选择【Solve】→【Waveguide Ports】命令，设置激励端口。为观察波导中前五个本征模，在模数一栏中输入‘5’，然后单击ok，完成端口1的设置。按住Ctrl键旋转视角，并选中矩形波导的下底面，按照端口1的设置方式设置端口2。⑧ 监视器设置在主菜单栏中选择【Solve】→【Field Monitors】命令，按如下图设置后单击ok。其中，矩形波导内电磁波的工作频率为10GHz。⑨ 保存在主菜单栏中选择【File】→【Save As】命令，根据个人喜好另存工程文件。⑩ 设置求解器并开始计算在主菜单栏中选择【Solve】→【Transient Solver】命令，保持默认不变，单击Start开始计算。? 查看仿真结果及分析在左侧导航树中选择【2D/3D Results】→【Port Modes】→【Port 1】→【e1】，得到矩形波导中的主模TE10的相关参数。其中，截止频率（Fcutoff）为6.54661 GHz，相位常数（Beta）为158.43 rad/m，工作频率10 GHz，相应的截止波长及导波波长可以算出。相位常数截止频率 再选择下方【E-Field】中的第一项【1(1)】观察波导内的电场矢量分布。再分别单击【e2】、【e3】、【e4】、【e5】，得到各自对应的TE20、TE01、TE11、TM11模的相关参数。观察到，以上四种模式的截止波长均大于10 GHz，即在工作频率为10 GHz的情况下，