实验3：利用
HFSS 仿真分析矩形波导
一、 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，0=z E 。

cos
cos z
z mn m x n y H H e a b
γππ-= 2
cos sin x mn c z n m x n y E H b a b
j k e γπππωμ-=
2
sin cos z y mn c j m m x n y E H e k a a b
γωμπππ-=-
2sin
cos z x mn c m m x n y H H e k a
a b
γλπ
ππ-=
2cos
sin z y mn c n m x n y H H e k b
a b
γλπ
ππ-=
其中，c k =2
2
m n a b ππ⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭
+而mn H 是与激励源有关的待定常数。

2）
TM 模
Z H =0，由Z E 的边界条件同样可得无穷多个TM 模。

注意：对于mn TM 和mn TE 模，
m, n 不能同时为零，否则全部的场分量为零。

mn TM 和mn TE 模具有相同的截止波数计算公式，即
c k （mn TM ）=c k （mn TE ）
=
所以，它们的截止波长c λ和截止频率c f 的计算公式也是一样的，即
c λ（mn TM ）=c λ（mn TE ）=
2
2
2⎪⎭
⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛b n a m
c f （mn TM ）=c f （mn TE ）
对于给定的工作频率或波长，只有满足传播条件（f >c f 或λ<c λ）的模式才能在波导中传播。

由公式可以看出矩形波导的c f ，c λ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
22)()(21b
n
a m f c +=
με
，可以计算GHz f cTE 52.610=，GHz f cTE 04.1320=，GHz f cTE 1501=，所以波导单模工作的频率范围为6.562-13.123GHz 。

二、实验步骤
1、工程设置
打开HFSS，出现新的工程窗口（如图1）。

图1 HFSS工程窗口
（1）设置求解类型Driven Modal（模式激励）。

在菜单中点击HFSS>Solution Type，出现Solution Type窗口，选择Driven Modal （如图2），点击OK。

图2设置求解类型Solution Type窗口
（2）设置模型单位毫米
在菜单栏中点击Modeler>Units，出现Set ModelUnits窗口，选择mm，点击OK （如图3）。

图3 设置模型单位Set Model Units窗口
（3）保存工程命名为waveguide
点击工具栏中的，将工程名字设为waveguide。

2、画波导
点击工具栏中的（Draw box）画矩形波导的长方体模型，在屏幕右下角
出现长方体顶点信息，输入顶点坐标（0，0，0），按回车键；屏幕右下角出现长方体尺寸信息，输入（23，10，50）（如图4），按回车键结束画图过程。

图4画长方体顶点坐标与尺寸设置
在屏幕中间模型列表中的Box1为画出的长方体（如图5），双击Box1，出现Propoties:Project1窗口，将Name一栏的value由Box1改为waveguide（如图6）。

图5
图6
3、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7）。

图7 select faces界面
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8），结合ctrl键选中face10、11、12、9（如图9）。

图8 select by name界面
图9 select face界面
（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10）。

图10 设置Perfect E边界条件
4、设置激励源wave port
（1）选中波导的一个端口面（垂直于z轴的平面）。

（2）点击HFSS>Excitations>Assign>Wave port，或者点击鼠标右键>assign excitation>wave port（如图11）。

（3）另外一个端口面执行同样的操作。

图11 设置wave port界面
5、设置求解频率
（1）在菜单栏中点击HFSS>Analysis Setup>Add Solution Setup
（2）在求解设置窗口中，设置Solution Frequency：13GHz，其它设为默认值
6、计算及后处理
在菜单栏中点击HFSS>Analyze all
在菜单栏中点击HFSS>Fields>Plot Fields>E，画出电场强度的幅度分布（如图12）。

在Project Manager窗口中，选择dipole>HFSSDesign1>Field Overlays，点击鼠标右键>Animate>OK，可以演示电场强度幅度随着时间变化情况，观察理解电磁波从端口1向端口2传播的过程。

图12 波导中电场强度幅度分布
点击HFSS>Results>Solution Data（如图13），在Matrix Data项中可以查看S参数以及传播常数Gamma等参数（如图14）。

图13 查看solution data界面
图14 S参数及Gamma。