2．有足够的功率容量
在不至于击穿的情况下，应最大限度地增加功率容量，一般要求
2
/6.0a b a =<<λλ
3．损耗小
通过波导后，微波信号功率不要损失太大，由此必须考虑损耗小的要求，应使
λ7.0>a
综合以上几个原则，矩形波导的尺寸一般选择为
a
b a )5.0~4.0(7.0==λ
**关于本征波的讨论
以矩形波导为例，尽管在z 方向它们只可能是入射波加反射波(即还是广义传输线)，但是由于横向边界条件它们由TE mn 和TM mn 波组成并且它们只能由TE mn 和TM mn 波组成(后者，我们称之为完备性)，矩形波导中这些波的完备集合——即本征波。
任何情况的可能解，只能在简正波中去找，具体场合所不同的仅仅是比例和组合系数，事实上，这样就把求复杂场函数的问题变换成求各个模式的系数。
这种思想，最早起源于矢量分析，任何空间矢量方向与大小均不相同，但是
建立x ，y ，z 坐标系之后，任一(三维)矢量即归结为三个系数k z j y i
x r ???++=
4-3 圆波导
我们已经研究了矩形波导，对于圆波导的提出应该有它的理由。 一、圆波导的一些特点
在矩形波导应用之后， 还有必要提出圆波导吗？
当然，既然要用圆波导，必须有其优点存在。主要有： 1. 圆波导的提出来自实践的需要。例如，雷达的旋转搜索。如果没有旋转关节，那只好发射机跟着转。象这类应用中， 圆波导成了必须要的器件。至于以后要用到的极化衰减器，多模或波纹喇叭，都会应用到圆波导。可以这样说,几何对称性给圆波导带来广泛的用途和价值。
2. 从力学和应力平衡角度，机加工圆波导更为有利，对于误差和方便性等方面均略胜矩形波导一筹。
3. 根据微波传输线的研究发现：功率容量和衰减是十分重要的两个指标。这个
问题从广义上看
??
?∝∝)
( )
( max 是周长其中衰减是截面其中功率容量L L a S S P 很容易引出一个品质因数F
L
S
a P F ==
max 很明显，数字研究早就指出：在相同周长的条件下，圆面积最大。可见，要探索小衰减，大功率传输线，想到圆波导是自然的。 4. 矩形波导中存在的一个矛盾
当我们深入研究波导衰减，发现频率升高时衰减在矩形波导中上升很快。仔细分析表明，衰减由两部分组成：一部分称纵向电流衰减，另一部分是横向电流衰减。
当频率升高时，横向电尺寸加大，使横向电流衰减反而减少。这样所构成的矛盾因素使衰减有了极值，同时形成频率升高时衰减增加。
而以后在圆波导中将会发现，有的波型(圆波导中H 01波型)无纵向电流，因此，若采用这种波型会使高频时衰减减小。
圆波导是横截面为圆形的空心金属管，如图所示，其尺寸半径为R 。 由于圆波导具有损耗较小和双极化的特性，所以常用作天线馈线和微波谐振腔，也可作较远距离的传输线。
圆波导具有轴对称性，故宜采用圆柱坐标来分析。
一、TM 波场分量表达式
()
()()()
()
??
?
??????
?
?
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?
??
???? ??=??? ??'=??? ??±=???
??=??? ??'=----- 0= sin cos sin cos cos sin cos sin sin cos 0 0 0 0 0z z t j mn m mn z z t j mn m z t j mn m mn r z t j mn m mn z t j mn m r H e m m r R v J E R v j E e m m r R v J E H e m m r R v J E r m v R H e m m r R v J E r m v R E e m m r R v J E E βωβω?βωβω?βω??β??βωε??βωε?
??? 其中，)( r k J c m 是第一类m 阶Bessel 函数的导数。 圆波导TM 波的波阻抗为
ωε
β
??=
-==
r r TM H E H E Z 二、TE 波场分量表达式
()()()
()
()
??
?
???
???
??
??
?
?????? ??-=??? ??'-=??? ??=???
??±=??? ??'=----- 0= sin cos 1 sin cos cos sin cos sin sin cos 0 0 0 0 0z z t j mn m mn z z t j mn m r z t j mn m mn z t j mn m mn r z t j mn m E e m m r R J E R j H e m m r R J E H e m m r R J E r m R H e m m r R J E r m R E e m m r R J E E βωβωβω?βωβω???μωμμ??μωμβ??μωμβμ?
?μμ??μ
圆波导TE 波的波阻抗为
β
ωμ??=
-==r r
TE
H E H E Z 三、截止波长及波型简介
由TM 波和TE 波的截止波数可求得相应的截止波长，它们分别为
()mn mn c v R πλ2TM =
，()mn
mn c R
μπλ2TE =
圆波导波型的分布图
TE 11模的截止波长最长，因此TE 11模是圆波导传输的主模，TE 11单模传输的条件为
R R 41.362.2<<λ
四、圆波导中的三个主要模式
圆波导中有无限多个模式存在，最常用的三个主要模式为TE 11、TE 01和TM 01模。
(一) TE 11模(R c 41.3=λ)
TE 11模的场分布如图所示。其中图(a)表示横截面上的电磁场分布；图(b)表示纵剖面上的电场分布；图(c)为圆波导壁上的壁电流分布。
(二) TE 01模(R c 64.1=λ)
TE 01模的场分布如图所示。其中图(a)表示横截面上的电磁场分布；图(b)表示纵剖面上的电磁场分布；图(c)为壁电流的分布。
TE 01模常作为高Q 谐振腔和远距离的毫米波传输线的工作模式。另外由于它是圆电模，也可作为连接元件和天线馈线系统的工作模式。但由于它不是主模，因此该模式作为工作模式时，必须设法抑制其它模式。 (三) TM 01模(R c 62.2=λ)
TM 01模的场分布如图所示。其中图(a)表示横截面上的电磁场分布；图(b)表示纵剖面上的电磁场分布；图(c)为壁电流的分布。
TM 01模适用于微波天线馈线旋转铰链的工作模式。由于它具有Ez 分量，便于和电子交换能量，可作电子直线加速器的工作模式。但由于它的管壁电流具有
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
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
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 =+
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 ）
CH03第三章 规则金属波导
第三章 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。 3-1 矩形波导 矩形波导是横截面为矩形的空心金属管，如图所示。图中a 和b 分别为矩形波导的宽壁和窄壁尺寸。由于矩形波导不仅具有结构简单、机械强度大的优点，而且由于它是封闭结构，可以避免外界干扰和辐射损耗；因为它无内导体，所以导体损耗低，而功率容量大。在目前大中功率的微波系统中常采用矩形波导作为传输线和构成微波元器件。 在矩形波导中存在TE 和TM 两类波，请注意矩形波导中不可能存在TEM 波(推而广之，任何空心管中都不可能存在TEM 波)。 一、矩形波导中传输波型及其场分量 由于矩形波导为单导体的金属管，波导中不可能传输TEM 波，只能传输TE 波或TM 波。 （一）TM 波（H z =0） 各场分量与横向分布函数的复数表示式为 ()() () () () ? ? ????? ????????=??? ????? ??-=??? ????? ????? ??-=?? ? ????? ????? ??=?? ? ????? ????? ??-=??? ????? ????? ??-=----- 0 sin sin sin cos cos sin cos sin sin cos 02 0 0 0 0z z t j c z z t j y z t j x z t j y z t j x H e y b n x a m U k j E e y b n x a m a m U H e y b n x a m b n U H e y b n x a m b n U E e y b n x a m a m U E βωβωβωβωβωππβπππβωεπππβωεππππππ
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
波导内不同长度的金属销钉的作用
波导内不同长度的金属销钉的作用 13208-2班 许嘉晨 2013201210 摘要：本文基于HFSS 仿真从场分布以及微波网络理论两个角度定性分析 了波导内插入不同长度金属销钉的作用，并给出了仿真结果。 关键词：BJ-32波导，金属销钉，C 参量，场分布 1 引言 在波导内插入金属销钉可以看作在一个二端口网络中并联一个电抗，随着销钉插入深度的不同将会等效出不同的电抗大小，研究此规律可以了解波导内插入不同长度金属销钉所起的不同作用，这些规律可以被利用于设计滤波器、阻抗匹配系统模块等方面。 2 理论分析 2.1 微波网络分析 二端口网络的ABCD 矩阵可用图 现实的总电压和总电流定义如下： 122122V A V B I I C V D I =+ =+ （1） 或写成矩阵形式为： 1212V V A B I C D I ??????=???? ??? ????? （2） 对于该问题的结构可以用图1的等效电路来表示：
图1.波导中插入销钉的等效电路 其ABCD 矩阵可表示为： 112123 31212 23 3111Z Z Z Z Z Z Z V V I Z I Z Z ??+++ ?????? ??=???????? ??+???? （3） 注意到其C 参量为 3 1 Z ，可以直接近似的反应出销钉的阻抗的大小，又由于 211 21 2 121 1I I I C Z V I Z == = = （4） 故可以直接由仿真软件HFSS 计算出阻抗矩阵，并直接用阻抗参数21Z 进行分析即可。 2.2场分布分析 销钉的不同插入长度将会等效出不同的电抗大小。当销钉插入的深度较少时，虽然有波导宽壁内表面上的电流流过销钉，并在其周围产生磁场，但其等效的电感量并不大，而销钉附近集中的电场却较强，即电场能量占优势，这时销钉的作用于电容膜片相似，它可以等效为一个电容，如图2所示； 图2.销钉的等效电容特性 当销钉插入深度增大，随着插入深度的增大，磁场能量逐渐增大，当旋进到一定 的深度时，磁场能量与电场能量达到平衡，螺钉的作用相当于电感和电容的串联 谐振，如图3所示： 图3.销钉的等效谐振特性
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 =-=
