HFSS仿真分析波导膜片
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，EzH?H?0。
m?xaHzmncoscosn?ybm?xae??z
n?yb??zEx?j??n?k2cbmncossine
Ey??j??m?kc2aHmnsinm?xacosn?yb??ze??z
Hx??m?kc2aHmnsinm?xacosn?ybe
Hy??n?kc2b2Hmncosm?xasinn?ybe??z
其中，kc=2）
?m?????a???n?????b?2而Hmn是与激励源有关的待定常数。
TM模
1
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
）=?m?????a?2kc（TM）=kc（TEmnmn??n?????b?2 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
?c（TMmn）=?c（TEmn）=
?m????a?22?n?????b?2
fc（TMmn）=fc（TEmn）=21???m????a?2??n????b?f2
对于给定的工作频率或波长，只有满足传播条件（
>fc或?
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(ma)2?(nb)2，可以计算
??fcTE10?6.52GHz，
fcTE20?13.04GHz，
fcTE01?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。
2
a Y=jB b b'
图9（a） 容性膜片 图9（b） 等效电路
a
a'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?BY0?4b?gln(csc?b'2b)
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?BY0???gacot2(?a'2a)
S参数为
??Y??S???2?Y2??2?Y??2?Y??Y?2?Y?2
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
3
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
4
图3 select by name界面
图4 select face界面
5