5.3 圆波导

波导-微带转换电路设计

波导-微带转换电路设计 姓名：学号： 一、技术指标 1)工作频率：26.5~40GHz 2)输入/输出驻波比：<1.2 3)插入损耗：<1.0dB 二、理论分析 随着微波毫米波技术的飞速发展，微波集成电路在各个方面得到了广泛应用。在毫米波频段，主要的传输线有波导和平面传输线两种。随着平面传输媒介的研究发展，混合集成电路、单片集成电路应用的日趋广泛，微带电路已在越来越多的场合取代金属空波导，成为微波、毫米波电路的重要传输线。然而，目前许多毫米波测试系统和器件仍采用金属空波导。因此，如何实现低损耗的波导与微带线的转换就成了微波毫米波技术研究的重要内容。 目前常用的微带－波导探针过渡的方式有两种，都是将微带探针从波导宽边的中心插入，一种是介质面垂直与波导传输方向，称为H面探针，如图1所示，另一种介质面平行于波导传输方向，称为E面探针，如图2所示。 图1 H面探针图2 E面探针 微带探针转换是目前应用最为广泛的波导一微带过渡形式并且它有明显的优点。它的插人损耗低,回波损耗小,具有较大频宽,且其结构紧凑,加工方便,装卸容易。本文采用H面微带探针转换的结构。探针从波导宽面插入，并且探针平面与波导窄面垂直。微带过渡段我们采用渐变结构。通过优化探针插入深度d，微带变换器的长度1 s s，波导的微带插入处到波L，探针和微带变换器各自宽度,1 导短路处的距离L，得到满足指标的结果。

一、 设计过程： （1） 利用ADS 软件里的微带计算工具得出中心频率为33.5GHz 处的微带的宽 度0.77Sx mm =，如图3所示。 图3 50欧姆微带线宽 （2） 在HFSS 中建立仿真模型如图4所示，包括微带金属条，微带基板，以及 包围空气腔三部分。利用对称性以YZ 面为对称面切掉一半可以减少计算时间。 图4 仿真模型 （3） 设置三部分的材料属性，其中微带金属条为PEC ，微带基板为 Duriod5880（厚度0.254mm =，相对介电常数 2.2=）。包围空气

波导定义

波导 波导，本意指一种在微波或可见光波段中传输电磁波的装置，用于无线电通讯、雷达、导航等无线电领域；宁波波导股份有限公司是专业从事移动通讯产品开发、制造和销售的高科技上市公司，主要产品有“波导”牌移动电话、掌上电脑、系统设备等；另有宁波波导萨基姆电子有限公司、宁波萨基姆波导研发有限公司。 1电磁波导 定义 波导（WAVEGUIDE），用来定向引导电磁波的结构。常见的波导结构主要有平行双 导线、同轴线、平行平板波导、矩形波导、圆波导、微带线、平板介质光波导和光纤。从引导电 Waveguide 磁波的角度看，它们都可分为内部区 域和外部区域，电磁波被限制在内部区域传 播（要求在波导横截面内满足横向谐振原 理）。[1] 通常，波导专指各种形状的空心金属 波导管和表面波波导，前者将被传输的电磁 波完全限制在金属管内，又称封闭波导；后 者将引导的电磁波约束在波导结构的周围， 又称开波导。当无线电波频率提高到3000 兆赫至300吉赫的厘米波波段和毫米波波 段时，同轴线的使用受到限制而采用金属波 导管或其他导波装置。波导管的优点是导体 损耗和介质损耗小；功率容量大；没有辐射 损耗；结构简单，易于制造。波导管内的电 磁场可由麦克斯韦方程组结合波导的边界 条件求解，与普通传输线不同，波导管里不 能传输TEM模，电磁波在传播中存在严重 的色散现象，色散现象说明电磁波的传播速 度与频率有关。表面波波导的特征是在边界 外有电磁场存在。其传播模式为表面波。在 毫米波与亚毫米波波段，因金属波导管的尺 寸太小而使损耗加大和制造困难。这时使用 表面波波导，除具有良好传输性外，主要优 点是结构简单，制作容易，可具有集成电路 需要的平面结构。表面波波导的主要形式有： 介质线、介质镜像线、H-波导和镜像凹波导。 基本特征 电磁波在波导中的传播受到波导内壁 的限制和反射。波导管壁的导电率很高（一 般用铜、铝等金属制成，有时内壁镀有银或 金），通常可假定波导壁是理想导体，波导

基于AWG的平面光波导技术

基于ＡＷＧ的平面光波导技术 采用平面光波導(Planar Lightwave Circuit,PLC)技术制作的阵列波导光栅(Arrayed Wave-guide Grating, AWG)是应用于光网络中的支撑技术波分复用(Wave Division Multiplexing, WDM)的重要器件。本文介绍了国内外AWG的应用现状和发展前景。 标签：平面光波导阵列波导光栅波分复用 1 平面光波导(Planar Light Circuit,PLC)技术的市场分析 伴随着光通信的发展,在金融危机影响下的亚太地区正成为全球光通信市场中最活跃的一部分,目前所面临的问题主要有:①运营商投资重心从SONET/SDH 转移到WDM的趋势将会持续高涨;②3G网络正式商用化带动了移动与固网宽带市场新旧技术的转换;③受市场驱动和政策面的影响,光纤到户(Fiber to the Home, FTTH)更加深入市场;④系统设备商们将持续兼并收购,以实现技术优势和资源整合。 基于PLC技术开发的光器件在光网络的组网中占据重要地位。波分复用(Waveguide Division Multiplexing, WDM)系统是当前最常见的光层组网技术,它通过复用/解复用器实现多路信号传输。早期的WDM系统并没有实现真正意义上的光层组网,难以满足业务网络IP化和分组化的要求,这种情况直到可重构光分插复用器(Reconfigurable Optical Add Drop Multiplexer, ROADM)的出现才得以改善。平面光波导ROADM是近年来广泛采用的ROADM子系统之一。PLC的ROADM上下路通道是彩色光,这意味着只有预定义的彩色波长可以在每个端口上下,也可以配合可调滤波器和可调激光器使用。由于PLC的集成特性,使其成为低成本的ROADM解决方案之一。目前的光波导,一般都是以玻璃、LiNbO3、GaAs 单晶等做衬底,再用扩散或外延技术制成的。PLC可以集成多种器件,例如:韩国的Byung Sup Rho等人用PLC研制的WDM双向模块[1],我国的浙江大学也研制出一种利用PLC的高集成化的PMD补偿器[2][3]。 2 AWG的结构及其工艺简介 阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Grating, AWG)是第一个将PLC技术商品化的元器件。它是基于干涉原理形成的波分复用器件,通过集成的AWG可以实现波长复用和解复用,这种技术已被用于WDM系统中。目前平面波导型WDM器件有多种实现方案,其做法为在硅晶圆上沉积二氧化硅膜层,再利用光刻工艺(Photolithography)及反应式离子蚀刻法(RIE)制作出AWG。该类器件通路数大、紧凑、易于批量生产,但带内频响尚不够平坦。由于AWG采用与一般半导体相同的制作过程,多通道数与低通道数的制作成本相差不多,但更适合生产,而且整合度较高,因此应用在DWDM上具有相当的潜力。北美市场在2008年初呈现活跃状态,比如:美国加州的PLC设备供应商ANDevices在一月份签订协议,提供价值$13.5百万的产品给FTTH发展商Enablence Technologies Inc[4]。在我国,以PLC

实验二矩形波导TE10的仿真设计与电磁场分析解读

] 实验二、矩形波导TE10的仿真设计与电磁场分析 一、实验目的： 1、熟悉HFSS软件的使用； 2、掌握导波场分析和求解方法，矩形波导TE10基本设计方法； 3、利用HFSS 软件进行电磁场分析，掌握导模场结构和管壁电流结构规律和特点。 二、预习要求 1、《 2、导波原理。 3、矩形波导TE10模式基本结构，及其基本电磁场分析和理论。 4、HFSS软件基本使用方法。 三、实验原理与参考电路 导波原理 3.1.1. 规则金属管内电磁波 对由均匀填充介质的金属波导管建立如图1 所示坐标系, 设z轴与波导的轴线相重合。由于波导的边界和尺寸沿轴向不变, 故称为规则金属波导。为了简化起见, 我们作如下假设： \ ①波导管内填充的介质是均匀、线性、各向同性的； ②波导管内无自由电荷和传导电流的存在； ③波导管内的场是时谐场。 图1 矩形波导结构 本节采用直角坐标系来分析,并假设波导是无限长的,且波是沿着z方向无衰减地传输,由电磁场理论, 对无源自由空间电场E和磁场H满足以下矢量亥姆霍茨方程: ` 式中β为波导轴向的波数,E0(x,y)和H0(x,y)分别为电场和磁场的复振幅,它仅是坐标x和y的函数。 以电场为例子，将上式代入亥姆霍兹方程 ,并在直角坐标内展开,即有 (,) (,) j z j z E E x y e H H x y e β β - - ?= ? ? = ?? 式1 220 E k E ?+=

2222 2 2222222222220 T c E E E E k E k E x y z E E E k E x y E k E β????+=+++?????=+-+??=?+=式2 k c 表示电磁波在与传播方向相垂直的平面上的波数,如果导波沿z 方向传播,则 k 为自由空间中同频率的电磁波的波数。 由麦克斯韦方程组的两个旋度式,很易找到场的横向分量和纵向分量的关系式。具体过程从略,这里仅给出结果： 《 从以上分析可得以下结论: ^ （1）场的横向分量即可由纵向分量； （2） 既满足上述方程又满足边界条件的解有许多, 每一个解对应一个波型也称之为模式,不同的模式具有不同的传输特性; （3）k c 是在特定边界条件下的特征值, 它是一个与导波系统横截面形状、 尺寸及传输模式有关的参量。 由于当相移常数β=0时, 意味着波导系统不再传播, 亦称为截止, 此时k c =k, 故将k c 称为截止波数。 对于横电模(Ez=0)和横磁模(Hz=0)上式分别可以简化为 TE 模或H 模 ~ TM 模或E 模 3.1.2 矩形波导中传输模式及其场分布 由于矩形波导的四壁都是导体,根据边界条件波导中不可能传输TEM 模,只能传输TE 或TM 模。 % 这里只分析TE 模(Ez=0) 对于TE 模只要解Hz 的波动方程。即 2222()() 4 ()()z z x c z z y c z z x c z z y c H E j E k y x H E j E k x y H E j H k x y H E j H k y x ωμβωμββωεβωε???=-+???? ???=-? ???????=-+???? ???=-+????式2222,,z z x y c c z z x y c c H H E j E j k y k x H H H j H j k y k y ωμωμωμωμ???=-=????? ???=-=???? 式522222 222T c E E E x y k k β????=+???? ?=-?其中 式3 222 c x y k k k =+2222,,z z x y c c z z x y c c E E H j H j k y k x E E E j E j k y k y ωεωεβωμ??? ==-???? ????=-=-???? 式622200 0220z z c z H H k H x y ??++=??式7

阵列波导光栅(AWG)原理及国内外研发状况

21世纪，随着通信技术及其业务的飞速发展，尤其是因特网的迅速崛起，人们对数据的需求也急剧增加，对通信网的宽带提出了更高的要求，传统的通信技术已经很难满足不断增加的通信容量的需求。光纤通信技术凭借其巨大的潜在宽带资源，成为支撑通信业务量增长的重要通信技术之一。 波分复用（WDM wavelength division Multiplexing）技术是允许在一根光纤上面传输多路相互独立的波长带，这样便可提供多路通道和高的多的通信容量，使得通信容量随可复用波长的数目成倍的增长。在光纤通信中，波分复用系统中经历着从点到点系统到透明光网络的转变，经历着从以往的电光转换到全光交换的装变，密集波分复用（DWDM，dense wavelength division multiplexing）已成为当今光纤通信的首选技术，尤其在长距离、骨干网中已获得广泛的应用。 阵列波导光栅（AWG，arrayed waveguide grating）器件是一种角色散型无源器件，它基于平面光回路技术（PLC，planar light-wave circuit）。与其它波分复用器件相比，AWG器件具有设计灵活、插入损耗低、滤波性能好、长期稳定、易与光纤耦合等优点。此外，AWG还比较容易与光放大器、半导体激光器等有源器件结合，实现单片集成，因此AWG成为DWDM光网络中最理想的器件，是当今研究热点。 中国市场的光通信芯片主要依赖外国供应商。在PON核心芯片方面，基本没有国内厂商。EPON芯片商主要有四家，包括Cortina、PMC- Sierra、Teknovus （被Broadcom收购）以及中国厂商Opulan，但Opulan已于2010年7月被Atheros 收购。GPON芯片提供商则相对较为分散，包括Broadlight、PMC-Sierra、Broadcom、Marvel、Cortina、Infineon、Ikanos等近十家厂商。在光通信收发芯片领域，主要有Phyworks、Mindspeed、Vitesse等供应商。Phyworks，全球最大的无源光网络用户端光模块的芯片供应商，在中国每月各类芯片出货量在200万片左右。基于平面光波导技术的PLC芯片同样主要来自进口，包括NTT Electronics、Hitachi Cable、Neo Photonics、JDS Uniphase、Teem、Wooriro等公司。在光有源器件芯片方面，2.5Gb/s及以下速率的LD芯片、APD芯片大部分依赖进口。 阵列波导光栅（AWG）波分复用器是光通信密集波分复用系统的关键器件，在功能上它可以用作波分复用解复用、光路分插复用、光交叉连接、波长路由及波长检测；在性能上具有波长间隔小，信道数多、输出平坦、插入损耗小、串扰

普通圆形波导数据

普通圆形波导数据型号名称 1531EC-BH18 C18 1.76～ 2.42 3.86～ 5.32 1.53 2.00 2.54 3.19 5.84 114.58 0.11 0.001 3.30 121.20 0.13 1.841 0.00906BY22

C22 2.07～ 2.83 4.52～ 6.22 1.79 2.34 2.98 3.74 6.84 97.87 0.10 0.001 3.30 10 4.5 0.11 2.154 0.0115BY25 C25 2.42～ 3.31

7.28 2.10 2.74 3.49 4.37 8.01 83.62 0.08 0.001 3.30 90.20 0.11 2.521 0.0140BY30 C30 2.83～ 3.88 6.19～ 8.53 2.46

4.08 5.12 9.37 71.42 0.07 0.001 3.30 78.03 0.095 2.952 0.0184BY35 C35 3.31～ 4.54 7.25～ 9.98 2.88 3.76 4.77 5.99

61.04 0.06 0.001 3.30 67.64 0.095 3.455 0.0233BY40 C40 3.89～ 5.33 8.51～11.7 3.38 4.41 5.61 7.03 12.9 51.99 0.05

2.54 57.07 0.095 4.056 0.0297BY48 C48 4.54～ 6.23 9.95～13.7 3.95 5.16 6.56 8.23 15.1 44.45 0.044 0.001 2.54 49.53

矩形波导模式和场结构分析毕业设计论文

毕业设计（论文）题目：矩形波导模式和场结构分析

目录 第一章绪论 (1) 1.1 选题背景及意义 (3) 1.2 国内外研究概况及发展趋势 (3) 1.3 本课题研究目标及主要内容 (4) 1.4 本章小结 (6) 第二章矩形波导的基本原理 (7) 2.1 导波的一般分析 (7) 2.1.1规则矩形波导内的电磁波 (7) 2.1.2波导传输的一般特性 (8) 2.2 矩形波导的分析 (8) 2.2.1矩形波导电磁场解 (8) 2.2.2矩形波导中的波型及截止波长 (11) 2.3 本章小结 (12) 第三章矩形波导的设计 (13) 3.1 创建矩形波导模型 (13) 3.2 求解设置 (20) 3.3 设计检查和运行仿真 (22) 3.3.1设计检查 (22) 3.3.2运行仿真分析 (23) 3.4 本章小结 (24) 第四章HFSS仿真结果及其分析 (25) 4.1 HFSS软件仿真原理 .............................. 错误！未定义书签。 4.2 HFSS仿真实现 (26) 4.3 仿真结果分析 (32) 4.4 本章小结....................................... 错误！未定义书签。第五章小结与展望 .. (33) 5.1 工作总结 (33) 5.2 工作展望 (33) 参考文献 (33) 致谢 (35) 附录 A 常用贝塞尔函数公式错误！未定义书签。

矩形波导模式和场结构分析 第一章 绪论 1.1选题背景及意义 矩形波导(circular waveguide)简称为矩波导，是截面形状为矩形的长方形的金属管。若将同轴线的内导线抽走，则在一定条件下，由外导体所包围的矩形空间也能传输电磁能量，这就是矩形波导。矩波导加工方便，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。 矩波导有两类传输模式,即TM 模和TE 模。其中主要有三种常用模式，分别是主模TE 11模、矩对称TM 01模、低损耗的TE 01模。在不同工作模式下，截止波长、传输特性以及场分布不尽相同，同时，各种工作模式的用途也不相同。导模的场描述了电磁波在波导中的传输状态，可以通过电力线的疏密来表示场得强与弱。 本毕业课题是分析矩形波导中存在的模式、各种模式的场结构和传播特性，着重讨论11TE 、01TE 和01TM 三个常用模式，并利用MATLAB 和三维高频电磁仿真软件HFSS 可视化波导中11TE 、01TE 和01TM 三种模式电场和磁场波结构。 1.2国内外研究概况及发展趋势 由于电磁场是以场的形态存在的物质，具有独特的研究方法，采取重叠的研究方法是其重要的特点，即只有理论分析、测量、计算机模拟的结果相互佐证，才可以认为是获得了正确可信的结论。时域有限差分法就是实现直接对电磁工程问题进行计算机模拟的基本方法。在近年的研究电磁问题中，许多学者对时域脉冲源的传播和响应进行了大量的研究，主要是描述物体在瞬态电磁源作用下的理论。另外，对于物体的电特性，理论上具有几乎所有的频率成分，但实际上，只有有限的频带内的频率成分在区主要作用。 英国物理学家汤姆逊(电子的发现者) 在1893 年发表了一本论述麦克斯韦电磁理论的书,肯定了矩金属壁管子(即矩波导) 传输电磁波的可实现性, 预言波长可与矩柱直径相比拟, 这就是微波。他预言的矩波导传输, 直到1936 年才实现。汤姆逊成为历史上第一位预言波导的科学家。这证明科学预言可以大大早于技术的发展, 同时也表明了应用数学的威力。英国物理学家瑞利在1897 年发表了论文, 讨论矩形截面和矩形截面“空柱”中的电磁振动, 它们对应后来的矩形波导和矩波导, 并引进了截止波长的概念。瑞利得到了矩形波导中主模的场方程组,这是雷达中最常用的模式,

实验二矩形波导TE10的仿真设计与电磁场分析解读

实验二、矩形波导TE 10的仿真设计与电磁场分析 一、实验目的： 1、 熟悉HFSS 软件的使用； 2、 掌握导波场分析和求解方法，矩形波导TE 10基本设计方法； 3、 利用HFSS 软件进行电磁场分析，掌握导模场结构和管壁电流结构规律和特点。 二、预习要求 1、 导波原理。 2、 矩形波导TE 10模式基本结构，及其基本电磁场分析和理论。 3、 HFSS 软件基本使用方法。 三、实验原理与参考电路 导波原理 3.1.1. 规则金属管内电磁波 对由均匀填充介质的金属波导管建立如图1 所示坐标系, 设z 轴与波导的轴线相重合。由于波导的边界和尺寸沿轴向不变, 故称为规则金属波导。为了简化起见, 我们作如下假设： ① 波导管内填充的介质是均匀、 线性、 各向同性的； ② 波导管内无自由电荷和传导电流的存在； ③ 波导管内的场是时谐场。 图1 矩形波导结构 本节采用直角坐标系来分析,并假设波导是无限长的,且波是沿着z 方向无衰减地传输,由电磁场理论, 对无源自由空间电场E 和磁场H 满足以下矢量亥姆霍茨方程: 式中β为波导轴向的波数,E 0(x,y)和H 0(x,y)分别为电场和磁场的复振幅,它仅是坐标x 和y 的函数。 以电场为例子，将上式代入亥姆霍兹方程 ,并在直角坐标内展开,即有 22222 2222222222220T c E E E E k E k E x y z E E E k E x y E k E β????+=+++?????=+-+??=?+=式2 k c 表示电磁波在与传播方向相垂直的平面上的波数,如果导波沿z 方向传播,则 k 为自由空间中同频率的电磁波的波数。 00(,)(,)j z j z E E x y e H H x y e ββ--?=??=?? 式1220E k E ?+=22222222T c E E E x y k k β????=+?????=-?其中式3 222c x y k k k =+

圆波导公式

由于圆柱形波导是单导体波导，其中不能传播TEM 波，只能传播TM 波和TE 波。求解圆柱形波导内TM 波和TE 波的场量分布方法与求矩形波导内场量分布的方法类似，不同的是应采用圆柱坐标系。下面仅对TM0m 波简单介绍。 对于TM 波，z H =0，z E 满足的方程和边界条件为 0k z 2z 2=+?E E （1） 0z ==a E ρ （2） 在圆柱坐标系下，以上方程应为 0112222222z 2=+??+??+??+??z z z z E k z E E E E φρρρρ （3） 考虑z z e E z E γφρφρ-=),(),,(，则式（3）变为 01122222z 2=+??+??+??z c z z E k E E E φ ρρρρ （4） 式中 222k k c +=γ （5） 应用分离变量法解得 ???=) sin()cos()(),(φφρφρm m k J E E c m m z （6） 式中m J 为m 阶第一类贝塞尔函数，m E 由激励源强度决定。 考虑到βγj =，可得圆柱形波导中TM 波的场分量为

???=） φφρφρm m k J E E c m m z sin()cos()(),( （7a ） ???=)sin()cos()()(-'φφρρφρρm m k J E k j E c m m c ），（ （7b ） ???-=)cos()sin()()( ),(2φφρρβφρφm m k J E k m j E c m m c （7c ） φρβεE w H -= （7d ） ρφβεE w H = （7e ） 0=z H （7f ） 由边界条件0==a z E ρ可得截止波数 a p k mn mn c =）（ （8） 式中mn p 为m 阶贝塞尔函数的第n 个零点。将上式代人式（7a ）-（7f ），则得圆柱形波导中得TMmn 模场分布。表1给出了mn p 的前几个值。 表1 圆波导TM 模的nm p 值 01p 02p 03p 04p 2.405 5.520 8.654 11.792

矩形波导的设计讲解

矩形波导模式和场结构分析 第一章 绪论 1.1选题背景及意义 矩形波导(circular waveguide)简称为矩波导，是截面形状为矩形的长方形的金属管。若将同轴线的内导线抽走，则在一定条件下，由外导体所包围的矩形空间也能传输电磁能量，这就是矩形波导。矩波导加工方便，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。 矩波导有两类传输模式,即TM 模和TE 模。其中主要有三种常用模式，分别是主模TE 11模、矩对称TM 01模、低损耗的TE 01模。在不同工作模式下，截止波长、传输特性以及场分布不尽相同，同时，各种工作模式的用途也不相同。导模的场描述了电磁波在波导中的传输状态，可以通过电力线的疏密来表示场得强与弱。 本毕业课题是分析矩形波导中存在的模式、各种模式的场结构和传播特性，着重讨论11TE 、01TE 和01TM 三个常用模式，并利用MATLAB 和三维高频电磁仿真软件HFSS 可视化波导中11TE 、01TE 和01TM 三种模式电场和磁场波结构。 1.2国内外研究概况及发展趋势 由于电磁场是以场的形态存在的物质，具有独特的研究方法，采取重叠的研究方法是其重要的特点，即只有理论分析、测量、计算机模拟的结果相互佐证，才可以认为是获得了正确可信的结论。时域有限差分法就是实现直接对电磁工程问题进行计算机模拟的基本方法。在近年的研究电磁问题中，许多学者对时域脉冲源的传播和响应进行了大量的研究，主要是描述物体在瞬态电磁源作用下的理论。另外，对于物体的电特性，理论上具有几乎所有的频率成分，但实际上，只有有限的频带内的频率成分在区主要作用。 英国物理学家汤姆逊(电子的发现者) 在1893 年发表了一本论述麦克斯韦电磁理论的书,肯定了矩金属壁管子(即矩波导) 传输电磁波的可实现性, 预言波长可与矩柱直径相比拟, 这就是微波。他预言的矩波导传输, 直到1936 年才实现。汤姆逊成为历史上第一位预言波导的科学家。这证明科学预言可以大大早于技术的发展, 同时也表明了应用数学的威力。英国物理学家瑞利在1897 年发表了论文, 讨论矩形截面和矩形截面“空柱”中的电磁振动, 它们对应后来的矩形波导和矩波导, 并引进了

弯曲波导结构设计

实验三：弯曲波导结构设计 一、实验目的： 1、掌握弯曲波导的结构、工作原理 2、了解弯曲波导的分析方法及其仿真技术 二、实验原理： 在以玻璃为代表的透明介质衬底的表面上，附着上折射率比衬底略高、厚度可以与光波长相比较的薄膜，光就会被封闭于这种高折射率的薄膜层内构成波导。在二维光波导的情况下，只有沿厚度方向对光是封闭的，因此波导中的光可以沿表面自由传播。这么一来光就有可能因为衍射而被全部散失掉。但是，实际上利用光波导组成光调制器和光开关的时候，光沿表面方向也必须是封闭的，光波的分路、弯曲、耦合等也必须都能够控制，这就是三维光波导。 作为变换光路用的三维光波导器件，弯曲波导占据重要地位。其中，弯曲半径R 越小，传输距离越短，越容易产生光路变换。但是弯曲波导的损耗随着弯曲半径R 的减小而增加。图1表示弯曲部分的导模场分布。在弯曲波导中，为了使光波在传输过程中，其波面不被破坏，弯曲部分外侧波导光的相速度必须大于内侧波导光的相速度。因此，在弯曲外侧所看到的光波中，在c r r ≥部分的相速度会超过光速。这就意味着在c r r ≥部分的光波在半径方向上存在着辐射损耗。当设计弯曲波导时，正确评估这部分辐射损耗至关重要。假定在弯曲部分伴随着辐射而造成的波导光衰减常数为a ，在1<

再者，由图1可知，弯曲部分导模场分布偏向拐弯的外侧，该现象被称之为边缘模，这种场分布现象与波导的直线部分的场分布是不同的。由此而产生了弯曲部分入口处的场分布不匹配，入射光的部分功率辐射进衬底，这种损耗叫做模变换损耗，它与辐射损耗一起构成了决定弯曲波导损耗的主要原因。 三、实验内容： 利用OptiBPM6.0设计一个弯曲波导并观察并分析相关结果。 四、实验方法： 1、创建材料库： 材料库参数： Materials－Dielectric1： Name: cladding 2D Isotropic Refractive ：1.442 3D Isotropic Refractive ：1.442 Name: guide 2D Isotropic Refractive ：1.45 3D Isotropic Refractive ：1.45 Profiles－Channel： Name: channel 2D Profile definition material: guide

有效折射率法求矩形波导色散曲线(附Matlab程序)知识讲解

有效折射率法求矩形波导色散曲线(附 M a t l a b程序)

光波导理论与技术第二次作业 题目：条形波导设计 姓名：王燕 学号： 201321010126 指导老师：陈开鑫 完成日期： 2014 年 03 月 19 日

一、题目 根据条形光波导折射率数据，条形波导结构如图1所示，分别针对宽高比d a :为1:1与1:2两种情形，设计： （1）满足单模与双模传输的波导尺寸范围；（需要给出色散曲线） （2）针对两种情况，选取你认为最佳的波导尺寸，计算对应的模折射率。（计算时假设上、下包层均很厚） 图1 条形波导横截面示意图 二、步骤 依题意知，条形波导参数为：5370.11=TE n ，5100.12=TE n ，444.13=TE n ； 5360.11=TM n ，5095.12=TM n ，444.13=TM n 。其中321n n n 、、分别代表芯心、 上包层、下包层相对于nm 1550=λ光波的折射率。 本设计采用有效折射率法作条形波导的归一化色散曲线，条形波导的横截面区域分割情况如图2所示：

图2 条形波导横截面分割图 对于x mn E 模式，x E 满足如下波动方程： [] 0),(2 2202 222=-+??+??eff x x n y x n k y E x E 由于导波模式在x 与y 方向上是非相干的，采用分离变量法后再引入)(220x N k 得到如下两个独立的波动方程： 0)()](),([) (22202 2=-+??y Y x N y x n k y y Y 0)(])([)(2 2202 2=-+??x X n x N k x x X eff 可以将条形波导等效成y 方向和x 方向受限的平板波导，先求y 方向受限平板波导的TE 模式，求得x N 后将其作为x 方向受限的平板波导的芯层折射率并求其TM 模式，得到的有效折射率eff n 就是整个条形波导的有效折射率。y 方向受限平板波导的TE 模式的色散方程为： 2 2124 222122222 1 0arctan arctan x x x x x N n n N N n n N n N n d k --+--+=-π （...2,1,0=n ） 其中1n 、2n 、4n 都是TE 模式的有效折射率从而x 方向受限平板波导的TM 模式的色散方程为： ??? ? ??--+???? ??--+=-2225 22522223 22 32 2 20arctan arctan eff x eff x eff x eff x eff x n N n n n N n N n n n N m n N a k π（...2,1,0=m ）

矩形波导地设计讲解

矩形波导模式和场结构分析 第一章 绪论 1.1选题背景及意义 矩形波导(circular waveguide)简称为矩波导，是截面形状为矩形的长方形的金属管。若将同轴线的导线抽走，则在一定条件下，由外导体所包围的矩形空间也能传输电磁能量，这就是矩形波导。矩波导加工方便，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。 矩波导有两类传输模式,即TM 模和TE 模。其中主要有三种常用模式，分别是主模TE 11模、矩对称TM 01模、低损耗的TE 01模。在不同工作模式下，截止波长、传输特性以及场分布不尽相同，同时，各种工作模式的用途也不相同。导模的场描述了电磁波在波导中的传输状态，可以通过电力线的疏密来表示场得强与弱。 本毕业课题是分析矩形波导中存在的模式、各种模式的场结构和传播特性，着重讨论11TE 、01TE 和01TM 三个常用模式，并利用MATLAB 和三维高频电磁仿真软件HFSS 可视化波导中11TE 、01TE 和01TM 三种模式电场和磁场波结构。 1.2国外研究概况及发展趋势 由于电磁场是以场的形态存在的物质，具有独特的研究方法，采取重叠的研究方法是其重要的特点，即只有理论分析、测量、计算机模拟的结果相互佐证，才可以认为是获得了正确可信的结论。时域有限差分法就是实现直接对电磁工程问题进行计算机模拟的基本方法。在近年的研究电磁问题中，许多学者对时域脉冲源的传播和响应进行了大量的研究，主要是描述物体在瞬态电磁源作用下的理论。另外，对于物体的电特性，理论上具有几乎所有的频率成分，但实际上，只有有限的频带的频率成分在区主要作用。 英国物理学家汤姆逊(电子的发现者) 在1893 年发表了一本论述麦克斯韦电磁理论的书,肯定了矩金属壁管子(即矩波导) 传输电磁波的可实现性, 预言波长可与矩柱直径相比拟, 这就是微波。他预言的矩波导传输, 直到1936 年才实现。汤姆逊成为历史上第一位预言波导的科学家。这证明科学预言可以大大早于技术的发展, 同时也表明了应用数学的威力。英国物理学家瑞利在1897 年发表了论文, 讨论矩形截面

矩形波导TE10的仿真设计与电磁场分析

实验一、 矩形波导TE10的仿真设计与电磁场分析 班级： 学号： 姓名： 报告日期：2012.6.29 一、 实验目的： 1. 熟悉HFSS 软件的使用； 2. 掌握导波场分析和求解方法，矩形波导TE 10基本设计方法； 3. 利用HFSS 软件进行电磁场分析，掌握导模场结构和管壁电流结构规律和特点。 二、 实验原理（略） 2.1基本导波理论 对由均匀填充介质的金属波导管建立如图1 所示坐标系, 设z 轴与波导的轴线相重合。由于波导的边界和尺寸沿轴向不变, 故称为规则金属波导。 图1 矩形波导结构 本节采用直角坐标系来分析,并假设波导是无限长的,且波是沿着z 方向无衰减地传输,由电磁场理论, 对无源自由空间电场E 和磁场H 满足以下矢量亥姆霍茨方程: 00(,)(,)j z j z E E x y e H H x y e ββ--?=??=?? 式1 式中β为波导轴向的波数,E 0(x,y)和H 0(x,y)分别为电场和磁场的复振幅,它仅是坐标x 和y 的函数。以电场为例子，将上式代入亥姆霍兹方程22 0E k E ?+= ,并在直角坐标内展开, 即有由麦克斯韦方程组的两个旋度式,可以得到场的横向分量和纵向分量的关系式： 2222()() 2 ()() z z x c z z y c z z x c z z y c H E j E k y x H E j E k x y H E j H k x y H E j H k y x ωμβωμββωεβωε???=- +? ??? ??? =-? ??? ???? =-+? ??? ???=-+????式 k c 表示电磁波在与传播方向相垂直的平面上的波数,如果导波沿z 方向传播,则 222 c x y k k k =+；k 为自由空间中同频率的电磁波的波数。 根据两个纵向场分量Ez 和Hz 的存在与否，对波导中的电磁波进行分类。可将波导中的电磁波分成三类：

电磁场与电磁波-- 规则金属波导

第4章 规则金属波导 微波传输线是用来传输微波信号和微波能量的传输线。微波传输线的种类很多，比较常用的有平行双线、矩形波导、圆波导、同轴线、带状线和微带线等。 导波系统中的电磁波按纵向场分量的有无，可分为以下三种波型(或模)： (1) 横磁波(TM 波)，又称电波(E 波)：0,0≠=z z E H (2) 横电波(TE 波)，又称磁波(H 波)：0,0≠=z z H E (3) 横电磁波(TEM 波)：0,0==z z H E 其中横电磁波只存在于多导体系统中，而横磁波和横电波一般存在于单导体系统中，它们是色散波。 4-1电磁场理论基础 一、导波概念: 1、思想 （1） 导波思想： （2） 广义传输线思想： （3）本征模思想

2、方法： 波导应该采用具体措施 （1）坐标匹配 （2）分离变量法 （3）边界确定常数 二、导行波的概念及一般传输特性 1、导行波的概念 1）导行系统：用以约束或引导电磁波能量定向传输的结构。 其主要功能有二： (1)无辐射损耗地引导电磁波沿其轴向行进而将能量从一处传输至另一处， 称这为馈线； (2)设计构成各种微波电路元件，如滤波器、阻抗变换器、定向耦合器等。导行系统分类：按其上的导行波分为三类： (1)TEM或准TEM传输线， (2)封闭金属波导， (3)表面波波导（或称开波导）。如书上图1.4-1 2）规则导行系统：无限长的笔直导行系统，其截面形状和尺寸，媒质分布情况，结构材料及边界条件沿轴向均不变化。

3）导行波的概念 能量的全部或绝大部分受导行系统的导体或介质的边界约束，在有限横截面内沿确定方向（一般为轴向）传输的电磁波。简单地说就是沿导行系统定向传输的电磁场波，简称为“导波”。由传输线所引导的，能沿一定方向传播的电磁波称为“导行波”。导行波的电场E 或磁场H 都是x 、y 、z 三个方向的函数。导行波可分成以下三种类型： （1）横电磁波（TEM 波）：（Transverse Electronic and magnetic Wave ） 各种传输线使电磁能量约束或限制在导体之间空间沿其轴向传播，其导行波是横电磁（TEM ）波或准TEM 波。 TEM 波的特征是：电场E 和磁场H 均无纵向分量，亦即：0 , 0==z z H E 。电场E 和磁场H ，都是纯横向的。TEM 波沿传输方向的分量为零。所以，这种波是无法在封闭金属波导中传播的, 只能在导体之间的空间沿其轴向传播。 （2） 横电（TE ）波和横磁（TM ）波 封闭金属波导使电磁能量完全限制在金属管内沿轴向传播，其导行波是横电（TE ）波和横磁（TM ）波。 （a ）横电波（TE 波）： TE 波即是横电波或称为“磁波”（H 波），其特征是0=z E ,而0≠z H 。亦即：电场E 是纯横向的，而磁场H 则具有纵向分量。 （b ）横磁波（TM 波）： TM 波即是横磁波或称为“电波”(E 波)，其特征是0=z H ，而0≠z E 。亦即：磁场H 是纯横向的，而电场E 则具有纵向分量。 （3）表面波 开波导使电磁波能量约束在波导结构的周围（波导内和波导表面附近）沿轴向传播，其导行波是表面波。 3）导模 导行波的模式，是能够沿导行系统独立存在的场型。 其特点是：① 在导行系统横截面上的电磁场呈驻波分布，且是完全确定的。这 一分布与频率无关，并与横截面在导行系统上的位置无关； ② 导模是离散的，具有离散谱；当工作频率一定时，每个导模具有唯一

习题答案第3章

第3章 规则波导和空腔谐振器 3.1什么是规则波导？它对实际的波导有哪些简化？ 答 规则波导是对实际波导的简化。简化条件是：（1）波导壁为理想导体表面（∞=σ）；从而可以利用理想导体边界条件；（2）波导被均匀填充（ε、μ为常量）；从而可利用最简单的波动方程； （3）波导内无自由电荷（0=ρ）和传导电流（0=J ）；从而可利用最简单的齐次波动方程；（4）波导沿纵向无限长，且截面形状不变。从而可利用纵向场法。 3.2纵向场法的主要步骤是什么？以矩形波导为例说明它对问题的分析过程有哪些简化？ 答 纵向场法的主要步骤是：（1）写出纵向场方程和边界条件（边值问题），（2）运用分离变量法求纵向场方程的通解，（3）利用边界条件求纵向场方程的特解，（4）导出横向场与纵向场的关系，从而写出波导的一般解，（5）讨论波导中场的特性。 运用纵向场法只需解1个标量波动方程，从而避免了解5个标量波动方程。 3.3什么是波导内的波型（模式）？它们是怎样分类和表示的？各符号代表什么物理意义？ 答 运用纵向场法得到的解称为波导内的波型（模式）。分为横电模和横磁模两大类，表示为TEmn 模和TMmn 模，其中TE 表示横电模，即0=z E ，TM 表示横磁模，即0=z H 。m 表示场沿波导截面宽边分布的半波数；n 表示场沿波导截面窄边分布的半波数。 3.4矩形波导存在哪三种状态？其导行条件是什么？ 答 矩形波导存在三种状态，见表3-1-1。导行条件是 222 ??? ??+??? ??

矩形波导场结构的仿真

矩形波导场结构的仿真 一、实验目的： 1.加深学生对矩形波导中电磁场分布的理解； 2.加深学生对矩形波导工作模式与相关参数的理解； 3.提高学生的软件仿真能力。 二、实验原理 设金属波导的尺寸为a ×b ，传输TE mn 波时电磁场分量为： 在截止波长 时，相关参数分别为 工作波长 波相位 三、实验内容及步骤 通过MATLAB 计算并绘制出任意时刻金属矩形波导内TEmn 模的电磁场分布图： 1.根据给定波导尺寸和工作频率计算出相关参数； 2.根据一定的绘图精度确定电磁场的坐标点，并计算电场、磁场分量； 3.分别绘制出电场和磁场场分量的分布图，将电场分布图叠加于磁场分布图上。 四、实验要求 波导尺寸、工作频率，工作模式及精度由输入确定。 五、实验报告 ? 1.按照要求完成相关仿真，给出流程图和程序； ? 2.对主要语句做中文注释； ? 3.给出仿真的场分布图。 程序清单如下： clear; a=input('尺寸宽边'); %矩形波导尺寸a b=input('尺寸窄边'); %矩形波导尺寸b m=input('m'); %TEMmn 模工作模式设定 n=input('n'); )cos()cos()cos() sin()sin()cos()()sin()cos()sin()(0 )sin()cos()sin()() sin()sin()cos()(222 2z t b y n a x m H H z t b y n a x m H b n k H z t b y n a x m H a m k H E z t b y n a x m H a m k E z t b y n a x m H b n k E m z m c y m c x z m c y m c x βωππβωπππββωπππββωπππωμβωπππωμ-=--=--==-=--=2 2)()(2b n a m c += λg c g λπβλλλ λ2)(12 =-=