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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，腔體的外壁材質是厚度為1mm 的金屬鋁（aluminum）。根據式（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因數Q 值，并查看TM010模和 TE111模的場分布；然后在圓形諧振腔體內部添加一個半徑為5mm 的介質圓柱，使用 HFSS 的參數掃描分析功能，分析介質圓柱的高度對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； 內側的小圓柱模型是調諧介質，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，介質的相對介電常數為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。

    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 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，首先不創建介質圓柱體模型，只分析空腔時腔體內兩個最低次模式的諧振頻率、品質因數 Q 和場分布。分析完成后，在腔體內部創建半徑為5mm，高度用變量Height表示的介質圓柱體，并添加變量 Height 為掃描變量，然后使用 HFSS 的參數掃描分析功能，分析圓形諧振腔兩個最低次模的諧振頻率隨著介質圓柱體高度的變化關系。

圖 13.4 圓形腔體諧振器模型

    13.2.2 HFSS 設計環境概述

    >> 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、品質因數 Q、場分布圖

   >> Optimetrics：參數掃描分析