大學畢業(yè)論文-—矩形波導模式和場結(jié)構(gòu)分析.doc

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1、南昌航空大學士學位論文畢業(yè)設(shè)計(論文)題目:矩形波導模式和場結(jié)構(gòu)分析37南昌航空大學士學位論文目錄第一章緒論11.1選題背景及意義11.2國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢21.3本課題研究目標及主要內(nèi)容31.4本章小結(jié)5第二章矩形波導的基本原理52.1導波的一般分析62.1.1規(guī)則矩形波導內(nèi)的電磁波62.1.2波導傳輸?shù)囊话闾匦?2.2矩形波導的分析112.2.1矩形波導電磁場解112.2.2矩形波導中的波型及截止波長172.3本章小結(jié)18第三章矩形波導的設(shè)計193.1創(chuàng)建矩形波導模型193.2求解設(shè)置253.3設(shè)計檢查和運行仿真273.3.1設(shè)計檢查2

2、73.3.2運行仿真分析283.4本章小結(jié)29第四章HFSS仿真結(jié)果及其分析304.1HFSS軟件仿真原理304.2HFSS仿真實現(xiàn)324.3仿真結(jié)果分析444.4本章小結(jié)44第五章小結(jié)與展望455.1工作總結(jié)455.2工作展望45參考文獻46致謝48附錄A常用貝塞爾函數(shù)公式4937南昌航空大學士學位論文矩形波導模式和場結(jié)構(gòu)分析第一章緒論1.1選題背景及意義矩形波導(circularwaveguide)簡稱為矩波導,是截面形狀為矩形的長方形的金屬管。若將同軸線的內(nèi)導線抽走,則在一定條件下,由外導體所包圍的矩形空間也能傳輸電磁能量,這就是矩形波導。

3、矩波導加工方便,具有損耗小和雙極化特性,常用于要求雙極化模的天線的饋線中,也廣泛用作各種諧振腔、波長計,是一種較常用的規(guī)則金屬波導。矩波導有兩類傳輸模式,即TM模和TE模。其中主要有三種常用模式,分別是主模TE11模、矩對稱TM01模、低損耗的TE01模。在不同工作模式下,截止波長、傳輸特性以及場分布不盡相同,同時,各種工作模式的用途也不相同。導模的場描述了電磁波在波導中的傳輸狀態(tài),可以通過電力線的疏密來表示場得強與弱。本畢業(yè)課題是分析矩形波導中存在的模式、各種模式的場結(jié)構(gòu)和傳播特性,著重討論、和三個常用模式,并利用MATLAB和三維高頻電磁仿真

4、軟件HFSS可視化波導中、和三種模式電場和磁場波結(jié)構(gòu)。1.2國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢由于電磁場是以場的形態(tài)存在的物質(zhì),具有獨特的研究方法,采取重疊的研究方法是其重要的特點,即只有理論分析、測量、計算機模擬的結(jié)果相互佐證,才可以認為是獲得了正確可信的結(jié)論。時域有限差分法就是實現(xiàn)直接對電磁工程問題進行計算機模擬的基本方法。在近年的研究電磁問題中,許多學者對時域脈沖源的傳播和響應進行了大量的研究,主要是描述物體在瞬態(tài)電磁源作用下的理論。另外,對于物體的電特性,理論上具有幾乎所有的頻率成分,但實際上,只有有限的頻帶內(nèi)的頻率成分在區(qū)主要作用。英國物理學家湯

5、姆遜(電子的發(fā)現(xiàn)者)在1893年發(fā)表了一本論述麥克斯韋電磁理論的書,肯定了矩金屬壁管子(即矩波導)傳輸電磁波的可實現(xiàn)性,預言波長可與矩柱直徑相比擬,這就是微波。他預言的矩波導傳輸,直到1936年才實現(xiàn)。湯姆遜成為歷史上第一位預言波導的科學家。這證明科學預言可以大大早于技術(shù)的發(fā)展,同時也表明了應用數(shù)學的威力。英國物理學家瑞利在1897年發(fā)表了論文,討論矩形截面和矩形截面“空柱”中的電磁振動,它們對應后來的矩形波導和矩波導,并引進了截止波長的概念。瑞利得到了矩形波導中主模的場方程組,這是雷達中最常用的模式,37南昌航空大學士學位論文并討論了矩波導中的

6、主模。到1931年,人們看出了波導技術(shù)會有實用價值。1933年,已經(jīng)有波長為15cm的信號源了。美國貝爾實驗室在20世紀30年代已經(jīng)是一個龐大的研究機構(gòu),它吸收了一大批科學家從事超高頻技術(shù)的研究。1936年,貝爾的科學家做實驗,實驗波導線是長度為260m的青銅管,直徑12.5cm,信號源輸出波長為9cm。實驗表明,在截止頻率以上,信號傳輸衰減很小。后來,人們把1936年當作微波技術(shù)開始的年份。為了對波導做出深刻的闡述,貝爾實驗室的專家繼續(xù)作數(shù)學分析,推出了完整的本征值方程,并證明湯姆遜早年的方程是本征值方程的一個特例。傳輸線技術(shù)發(fā)展到今天,只用簡

7、短的文字已不能描述其品種的繁雜、發(fā)展的迅速和理論的艱深了。例如,就同軸電纜來說,新技術(shù)之一是穩(wěn)相同軸電纜,其相位常數(shù)隨環(huán)境溫度和機械影響很小,適用于對相位敏感的電子系統(tǒng)(如衛(wèi)星跟蹤站和天文臺);就波導來說,矩波導的主模模的極化平面不穩(wěn)定,使它甚至不能用于長度較大的天線饋線,因此出現(xiàn)了橢矩波導。目前橢矩波導已經(jīng)廣泛用于微波中繼站和地球衛(wèi)星站;就傳輸線的集成化來說,出現(xiàn)了微帶傳輸線,使傳輸線的小型化和平面化成為可能。當然,傳輸線新品種的開發(fā),又激發(fā)了理論工作的深入研究。為了適應新的需求,需要是各種傳輸線模式之間進行變化,各種模式變化方面的研究應運而生

8、,如同軸TEM到矩波導模式變換。經(jīng)變換這種模式變換器可以承受高功率,中心頻率上的轉(zhuǎn)換效率大,反射損耗低等優(yōu)點,是最近的熱點研究。1.3本

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