微波技术与天线实验报告-利用HFSS仿真分析波导膜片2

1. 实验原理

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

图1 矩形波导

1）

TE模，Ez0。

mxnyzHzHmncoscose

abExjnmxnyz Hcossinemn2kcbabjmmxnyz

Hsincosemn2kcaabHmnsinmxnyz

coseabEyHxmkc2aHynkc2b2Hmncos2mxnyz

sineab其中，kc=mn而Hmn是与激励源有关的待定常数。

ab2）

TM模

HZ=0，由EZ的边界条件同样可得无穷多个TM模。注意：对于TMmn和TEmn模，m, n不能同时为零，否则全部的场分量为零。

TMmn和TEmn模具有相同的截止波数计算公式，即

kc（TMmn）=kc（TEmn）=mn ab22所以，它们的截止波长c和截止频率fc的计算公式也是一样的，即

2c（TMmn）=c（TEmn）=

2mnab2

fc（TMmn）=fc（TEmn）=12mn ab22对于给定的工作频率或波长，只有满足传播条件（f>fc或<c）的模式才能在波导中传播。由公式可以看出矩形波导的fc，c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

fc12mn()2()2，可以计算fcTE106.52GHz，fcTE2013.04GHz，abfcTE0115GHz，所以波导单模工作的频率范围为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。

a b b ' Y=jBY0Y0

图9（a） 容性膜片 图9（b） 等效电路

aa' b Y=jB

图10（a） 感性膜片 图10（b） 等效电路

对称结构的容性膜片的归一化电纳近似计算公式为

BB4bb'ln(csc) Y0g2b式中，Y0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

BgBa'cot2() Y0a2aS参数为

y2yS22y22y y2y其中yjB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

图5 设置Perfect E边界条件

5）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）；

（2）点击HFSS>Excitations>Assign>Wave port，或者点击鼠标右键>assign excitation>wave port（如图6）。

（3）另外一个端口面执行同样的操作。

图6 设置wave port界面

6）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。 7）保存工程

在菜单栏中点击File>Save as 8）求解该工程

在菜单栏中点击HFSS>Analyze all 9）画场分布图

在菜单栏中点击HFSS>Fields>Plot Fields>E，电场幅度分布（如图7）。

图7 波导中电场强度幅度分布

10）观察数据结果

点击HFSS>Results>Solution Data（如图8），在Matrix Data项中可以查看S参数以及Gamma等参数。

图8 查看solution data界面

HFSS仿真波导容性膜片

画波导：box类型，定点坐标（0,0,0），尺寸（23mm,10mm,50mm） 画膜片1 （b’=0.5b）

（1）在菜单栏中点击Draw>Rectangle （2）在右下角的坐标栏中输入长方体的起始点位置坐标X=23，Y=0，Z=10。 （3）输入长方体X,Y,Z三个方向尺寸，dX:-23，dY:2.5。 （4）名字改为iris1。 画膜片2

（1）在菜单栏中点击Draw>Rectangle

（2）在右下角的坐标栏中输入长方体的起始点位置坐标X=23 ，Y=10 ,Z=10

（3）输入长方体X,Y,Z三个方向尺寸，dX:-23，dY:-2.5 （4）名字改为iris2。 设置颜色透明度的方法

以waveguide为例，双击waveguide，点击Transparent右侧的栏目，通过拖动比例值调整颜色的透明度（如图9）。

图9 调整颜色的透明度

画完的波导膜片如图10。 设置边界条件

（1）选中波导的四个长侧面设置为理想导体perfect E。

（2）选中iris1，设置为理想导体（点击HFSS>Boundaries>Assign> Perfect E）。

（3）选中iris2， 设置为理想导体。 设置激励源

（1） 选择波导的上面端口设置为wave port （1）选择波导的下面端口设置为wave port 设置求解条件

HFSS>analysis setup中，将频率设置为13GHz。点击

进行计算。

图10 波导膜片

画膜片上的电流矢量图

(1) 先将waveguide隐藏只显示两个膜片。 点击

工具，将visibility下的一列waveguide的√除掉（如图11）。

图11 隐藏waveguide

(2) 画场分布图

同时选中iris1与iris2，点击鼠标右键>Plot Fields>J>Vector_Jsurf，出现如图12界面，点击Done，电流矢量图如图13。

图12 画电流矢量

图13 电流矢量分布图

(3) 演示场分布动态图

右键点击Field Overlays>Animate（如图13），其它项为缺省值。

图13 选择animate

通过HFSS>Results>Solution Data记录仿真的S参数。并与式（1）中计算的理论值进行比较（如表1）。从表中可见，仿真值与理论值基本一致，仿真方法正确。

表1 容性膜片的S参数理论值与仿真值（b’=0.5b）

f S 理论值 仿真值 |S11| 0.252 0.227 |S21| 0.968 0.945 |S12| 0.968 0.945 |S22| 0.252 0.227 13GHz

设置变量

利用HFSS的变量功能，可以将波导的尺寸设置为变量a和b，膜片之间的距离设置为变量b’，以便调整尺寸大小。具体步骤如下： （1） 设置变量a和变量b。

双击waveguide下的CreatBox（如图14），在Xsize栏输入“$a”（代表全局变量a），变量值赋为23mm（如图15）。在Ysize栏输入“$b”，变量值赋为10mm（如图16）。

图14 waveguide下的CreatBox

图15 输入变量a

图16 输入变量b

（2） 设置膜片的变量。

将iris1的position赋为(0mm,0mm,10mm)，Xsize为$a，Ysize赋为($b-$bp)/2，变量$bp的值赋为0.5*$b（如图17）。同样方法将iris2的position赋为(0mm,$b,10mm)，Xsize为$a，Ysize赋为-($b-$bp)/2（如图18）。

图17 iris1的变量

图18 iris2的变量

（3） 调整变量参数。

点击Poject>Project Variables（如图19），点击Values一列的栏目可以更改各变量的值或者计算公式（如图20）

图19 Project Variables

图20 各变量及变量值

3、实验要求

以a=23mm，b=10mm的波导为例，仿真波导容性膜片（b’=0.6b），要求 （1） 简要概括仿真步骤（比如波导的顶点与尺寸，膜片的顶点与尺寸，边

界条件设置步骤，源的设置）；

（2） 给出膜片上的电流矢量分布图；

（3） 将软件计算的S参数与理论值进行比较填入表中。

（实验报告从以下封面开始，将上面文字全部删除，实验报告可以双面打印）

微波技术与天线实验报告

实验名称： 实验3：利用HFSS仿真分析波导膜片 学生班级：

学生姓名：

学生学号：

实验日期： 2011年 月 日（填写实际实验日期）

1. 仿真步骤

（1） 画图

画波导。长方体，顶点为。。。。。，尺寸为。。。。。。。，命名为。。。。。 画膜片1。XY面上的矩形，顶点为。。。。。，尺寸为。。。。。。。，命名为。。。。。 画膜片2。XY面上的矩形，顶点为。。。。。，尺寸为。。。。。。。，命名为。。。。。 （2） 设置边界条件。

（3） 设置激励源。

（4） 设置求解条件

2. 仿真结果

（1）膜片上的电流矢量如图1。

图1膜片上的电流矢量分布

（2）膜片的S参数理论值与仿真值比较如表1。

表1 波导感性膜片的S参数理论值与仿真值（b’=0.6b）

频率 理论值 6 passes 13GHz 仿真值 10 passes 12 passes 15 passes

|S11| 0.1569 |S12| 0.9876 |S21| 0.9876 |S22| 0.1569 实验要求

以a=23mm，b=10mm的波导为例，仿真波导容性膜片（b’=0.6b），要求 （1） 简要概括仿真步骤（比如波导的顶点与尺寸，膜片的顶点与尺寸，边

界条件设置步骤，源的设置）；

（2） 给出膜片上的电流矢量分布图；

（3） 将软件计算的S参数与理论值进行比较填入表中。

（实验报告从以下封面开始，将上面文字全部删除，实验报告可以双面打印）