《电磁场与电磁波》课程仿真实验报告学号U201213977姓名唐彬专业电子科学与技术院（系）光学与电子信息学院2014年12月3日1.实验目的学会HFSS仿真波导的步骤，画出波导内场分布图，理解波的传播与截止概念2.实验内容在HFSS中完成圆波导的设计与仿真，要求完成电场、磁场、面电流分布、传输曲线、色散曲线和功率的仿真计算。3.仿真模型（1）模型图形（2）模型参数（3）仿真计算参数根据圆波导主模为TE11，a=1mm，代入公式得截止频率f=8.8GHz，因此设置求解频率为11GHz，起始频率为9GHz，终止频率为35GHz。4.实验结果及分析4..1电场分布图图形分析：将垂直于Z周的两个圆面设为激励源，利用animate选项可以发现，两个圆面上的电场强度按图中的颜色由红变蓝周期性变化，图形呈椭圆形，且上底面中心为红色时，下底面中心为蓝色。即上底面中心的电场强度最大时，下底面中心的电场强度为最小。这是由于波的反射造成的。对于圆波导的侧面，由动态图可知电场强度始终处于蓝绿色，也就是一直较小。这说明电场更多的是在两底面，即两激励源之间反射，反射到侧面上的电场较少。4..2磁场分布图图形分析：根据电场与磁场的关系式——课本式（9.46）可知，电场的大小是磁场大小的c倍（c为真空中的光速），电场方向与磁场方向处处垂直，在图中也可看出，波导中磁场的最大值出现在侧面，两底面的中心的颜色为蓝绿色，且底面的两边为双曲线的形状，这就是磁场与电场相互垂直的结果。另一方面，根据图中各个颜色代表的场强大小也可以近似验证，电场与磁场的大小的确是c倍的关系而且在导体中的电磁波，磁场与电场还存在相位差，这一点也可从两者的动态图中验证该结论。4..3电流分布图图形分析：面电流变化的图形特点与磁场变化的图形特点相类似，原因可以根据麦克斯韦方程（微分形式）（积分形式）知道，面电流密度大小与磁场大小成正比，因此两者的变化规律相同4..4传输曲线图图形分析：由于所取的频率区间较窄（9——35GHz），所以传输特性曲线中只有两个吸收峰。第一个吸收峰之前的无衰减传输（0dB）对应的是单模传输，也即主模传输，TE11模式。根据上网查阅的一些资料，我了解了为什么TE11模式是圆波导的主模，而且其对应的就是截止频率。只有高于截止频率频率的波才能在波导中无衰减传输。第一个吸收峰以后的无衰减传输都是多模传输。4..5色散曲线图图形分析：根据课本上对色散知识的介绍，我们知道色散发生的本质原因是介电常数和磁导率会随频率的变化而变化。当电磁波传播频率高于截止频率时，在色散介质中传播的波的波数是一个复数，由课本（9.169）式可知，其虚部的大小随频率的增大而增大，与仿真结果图的趋势一致。4.6功率计算结果结果分析：坡印廷矢量是单位时间内电磁场通过单位表面积向外传递的能量。仿真时选取的是垂直于z轴的xy平面，由于输入功率是1，仿真结果在误差范围内也可认为功率计算结果与输入功率相等，能量守恒定律得到验证。误差可能来源与仿真计算时的误差，还与设置的迭代次数与步长有关。5.实验小结这次上机实验我有以下几个方面的感触：第一，通过这次实验我学会使用了HFSS这一仿真软件。虽然之前在一个创新团队中接触过HFSS来做智能吸波方面的仿真，但那都只是用MATLAB来编程调用HFSS进行计算，并没有真正去使用、去开发HFSS更多强大的功能。所以这次实验让我又学会了一种专业软件，对以后读研、工作等方面都很有帮助。第二，老师之所以让我们做这次仿真实验，说明波导、截止频率还有主模传输这些概念在实际应用，尤其是通信方面，有很重要的应用。利用这次机会，我在网上查阅了关于圆波导的一些资料，自学了许多东西。比如圆波导中TE波的解，以及为什么TE11模式是主模，第三，就是在仿真时要注意一些细节问题，比如在计算时需要注意软件提示的收敛问题，只有当计算是收敛时结果才是有意义的。第四，让我对书上波导部分的内容有了直观上的认识，而不单纯是抽象的理论知识，是理论在实践中的一次很好应用。另一方面，通过此次实验我也了解到了一些圆波导的实际应用。比如应用圆波导中模的场分布与矩形波导的模的场分布很相似这一点，可以在工程上通过矩形波导的横截面逐渐过渡变为圆波导，从而构成方圆波导变换器等。图形如下所示。