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1、实用标准文案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(circularwaveguide)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TE11模、矩对称TM01模、低损耗的TE01模
2、。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、和三个常用模式，并利用MATLAB和三维高频电磁仿真软件HFSS可视化波导中、和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
3、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
4、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,精彩文档实用标准文案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,并讨论了矩波导中的主模。到1931年,人们看出了波导技术会有实用价值。1933年,已经有波长为15cm的信号源了。美国贝尔实验室在20世纪30年代已经是一个庞
5、大的研究机构,它吸收了一大批科学家从事超高频技术的研究。1936年,贝尔的科学家做实验,实验波导线是长度为260m的青铜管,直径12.5cm,信号源输出波长为9cm。实验表明,在截止频率以上,信号传输衰减很小。后来,人们把1936年当作微波技术开始的年份。为了对波导做出深刻的阐述,贝尔实验室的专家继续作数学分析,推出了完整的本征值方程,并证明汤姆逊早年的方程是本征值方程的一个特例。传输线技术发展到今天,只用简短的文字已不能描述其品种的繁杂、发展的迅速和理论的艰深了。例如,就同轴电缆来说,新技术之一是稳相同轴
6、电缆,其相位常数随环境温度和机械影响很小,适用于对相位敏感的电子系统(如卫星跟踪站和天文台);就波导来说,矩波导的主模模的极化平面不稳定,使它甚至不能用于长度较大的天线馈线,因此出现了椭矩波导。目前椭矩波导已经广泛用于微波中继站和地球卫星站;就传输线的集成化来说,出现了微带传输线,使传输线的小型化和平面化成为可能。当然,传输线新品种的开发,又激发了理论工作的深入研究。为了适应新的需求，需要是各种传输线模式之间进行变化，各种模式变化方面的研究应运而生，如同轴TEM到矩波导模式变换。经变换这种模式变换器可以承受
7、高功率，中心频率上的转换效率大，反射损耗低等优点，是最近的热点研究。1.3本课题研究目标及主要内容1、研究目标该课题是在HFSS的平台上实现矩形波导的设计与仿真，通过在HFSS平台上对矩形波导的半径、主模工作频率等的设置来设计出要求所需的矩形波导。其中要求矩形波导的半径为19.05mm；主模的工作频率为5GHz；完成对矩形波导的设计后要求画出矩形波导端口前10个模式的电场分布。2、主要内容：本文针对矩形波导在HFSS平台上的设计和仿真，需进行矩形波导的相关理论的理解，要求了解其工作原理。要分析好矩形波导，首
8、先求解电磁场纵向分量的波动方程,求出纵向分量的通解,并根据边界条件求出它的特解;然后利用横向场与纵向场的关系式,求出横向场的表达式;最后讨论截止特性、传输特性、场结构和主要波型。矩波导中、和是三种常用的模式,精彩文档实用标准文案根据它们不同的特点有着不同的应用。下面就这三种模式的场分布特点和应用情况作介绍。1．模模是矩波导的主模,其截止波长为=3.41R。图3.1是矩波导模的场结构图。由图可见,矩波导的模与矩形波
