13.2 HFSS諧振腔體分析之HFSS設計概述

    本章使用 HFSS 分析設計一個圓形腔體諧振器，腔體的長度和截面半徑都為15mm，腔體的外壁材質(zhì)是厚度為1mm 的金屬鋁（aluminum）。根據(jù)式（13-1-1）和式（13-1-2）可以計算出該諧振腔 TM010模和 TE111模波長的理論值分別為39.3mm 和25.88mm。從而進一步計算出該諧振腔TM010模和TE111模諧振頻率的理論值分別為7.634GHz和11.592GHz 。

    我們首先在 HFSS 中創(chuàng)建該腔體模型，然后仿真計算出 TM010模和 TE111模諧振頻率的實際值和品質(zhì)因數(shù)Q 值，并查看TM010模和 TE111模的場分布；然后在圓形諧振腔體內(nèi)部添加一個半徑為5mm 的介質(zhì)圓柱，使用 HFSS 的參數(shù)掃描分析功能，分析介質(zhì)圓柱的高度對TM010 模和 TE111模諧振頻率的影響。

    13.2.1 HFSS 建模和求解簡介

    在HFSS 中，對于諧振腔體的分析設計，需要選擇本征模求解類型。圓形腔體諧振器的模型如圖13.4 所示。外側(cè)的大圓柱模型是圓形諧振腔模型，其高度和截面半徑皆為15mm； 內(nèi)側(cè)的小圓柱模型是調(diào)諧介質(zhì)，用于改變諧振腔的諧振頻率，其截面半徑為5mm，高度使用設計變量 Height 代替，介質(zhì)的相對介電常數(shù)為10.2，損耗正切為0.0035。

    因為采用本征模求解，所以不需要設置激勵端口。1mm 厚的腔體金屬鋁外壁在HFSS 中可以通過給腔體模型外壁分配有限導體邊界條件來實現(xiàn)。

    從前面的理論計算可知，該圓形空腔的最低次模諧振頻率在7.634GHz 左右；所以在設置本征模求解的最小頻率時，該求解頻率只要小于7.6GHz 即可。但是，為了給后面的參數(shù) 掃描分析留有足夠的余量，這里本征模求解的最小頻率設置為3GHz。

    在設計分析時，首先不創(chuàng)建介質(zhì)圓柱體模型，只分析空腔時腔體內(nèi)兩個最低次模式的諧振頻率、品質(zhì)因數(shù) Q 和場分布。分析完成后，在腔體內(nèi)部創(chuàng)建半徑為5mm，高度用變量Height表示的介質(zhì)圓柱體，并添加變量 Height 為掃描變量，然后使用 HFSS 的參數(shù)掃描分析功能，分析圓形諧振腔兩個最低次模的諧振頻率隨著介質(zhì)圓柱體高度的變化關(guān)系。

圖 13.4 圓形腔體諧振器模型

    13.2.2 HFSS 設計環(huán)境概述

    >> 求解類型：本征模求解

   >> 模型原型：圓柱體

   >> 邊界條件：有限導體邊界

   >> 求解設置：最小頻率為3GHz

   >> 后處理：諧振頻率、品質(zhì)因數(shù) Q、場分布圖

   >> Optimetrics：參數(shù)掃描分析