[摘 要]本文介紹了微波腔體在微帶環(huán)行器產(chǎn)品中的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，文中通過(guò)使用仿真軟件HFSS作為優(yōu)化工具，具體用到了HFSS中本征模求解器來(lái)進(jìn)行腔體諧振頻率的仿真，很好的避免了腔體效應(yīng)對(duì)電路電氣性能的影響，達(dá)到了優(yōu)化的目的。

引言

隨著環(huán)行器逐漸向結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，成本低，集成化程度高的方向發(fā)展，微帶環(huán)行器已經(jīng)取代了帶線環(huán)行器被廣泛的應(yīng)用于微波系統(tǒng)。微帶環(huán)行器通常封裝于金屬腔體中，在微波頻段，腔體效應(yīng)對(duì)微帶環(huán)行器的電氣指標(biāo)和穩(wěn)定性有重要影響。

1 腔體效應(yīng)

由金屬導(dǎo)體制成的封閉的空腔，電磁波在其中連續(xù)反射，如果模式和頻率合適，就會(huì)產(chǎn)生駐波，即發(fā)生諧振現(xiàn)象，這樣的金屬腔體在微波電路中就會(huì)產(chǎn)生腔體效應(yīng)，造成微波電路的電氣指標(biāo)急劇惡化，嚴(yán)重影響產(chǎn)品工作的穩(wěn)定性。

常見(jiàn)的微波腔體有許多形狀，最簡(jiǎn)單的一種為矩形腔體。這種腔體的可看作長(zhǎng)寬高分別為a、b、l的矩形波導(dǎo)，根據(jù)電磁場(chǎng)理論可計(jì)算得出腔體的諧振頻率：

圖1 矩形腔體模型

圖2 HFSS的仿真結(jié)果

圖3 優(yōu)化后腔體模型

式中的m、n、p為整數(shù)，分別表示場(chǎng)沿a、b、l分布的半駐波個(gè)數(shù)。

2 微帶環(huán)行器的腔體設(shè)計(jì)

以一個(gè)頻帶寬度為9-10Ghz的微帶環(huán)行器為例，利用電磁仿真軟件HFSS計(jì)算出腔體的諧振頻率。在以小型化為原則的基礎(chǔ)上，微波電路的外形尺寸確定為6mm*6mm*5.9mm，即作為仿真的腔體尺寸，設(shè)置其材料特性為空氣，這樣HFSS會(huì)默認(rèn)其為金屬邊界。

選擇本征模求解器進(jìn)行求解，可以計(jì)算諧振結(jié)構(gòu)的諧振頻率和諧振腔體的無(wú)載Q值，具體建模見(jiàn)模型1。

我們?cè)O(shè)置了兩種模式，分別計(jì)算出了最低次模和次低次模，以及他們分別對(duì)應(yīng)的Q值，見(jiàn)圖2。

通過(guò)計(jì)算得出，該外形尺寸為6mm*6mm*5.9mm的腔體的λ/4波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的頻率為8.83Ghz，該諧振點(diǎn)與我們?cè)O(shè)計(jì)的頻帶范圍在9-10Ghz環(huán)行器的中低頻部分十分接近，考慮到實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中機(jī)加和裝配過(guò)程可能出現(xiàn)的合理容差，這使得腔體非常容易出現(xiàn)諧振現(xiàn)象而影響環(huán)行器的電氣性能和穩(wěn)定性。

3 微帶環(huán)行器腔體的優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)上面的仿真結(jié)果得出，我們需要對(duì)環(huán)行器的腔體進(jìn)行優(yōu)化，讓其諧振點(diǎn)遠(yuǎn)離工作頻帶。結(jié)合產(chǎn)品在工程上實(shí)際應(yīng)用情況，我們采用異形腔體設(shè)計(jì)來(lái)改變腔體內(nèi)電磁場(chǎng)分布。

實(shí)際操作時(shí)，在保證底部電路安裝尺寸不變的情況下，將原來(lái)的矩形腔體上面部分改為外切圓柱形腔體，見(jiàn)圖3。

通過(guò)本征模求解器，計(jì)算出了腔體的2次模諧振頻率和Q值，見(jiàn)圖4.

從上面的結(jié)果可以看出，通過(guò)優(yōu)化腔體結(jié)構(gòu)以后，腔體的λ/4波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的頻率由原先的8.83Ghz變?yōu)楝F(xiàn)在的5.97Ghz，遠(yuǎn)離了環(huán)行器的工作頻段9-10GHz，避免了環(huán)行器工作時(shí)腔體對(duì)電路的影響，達(dá)到了優(yōu)化的目的。

上圖5中左側(cè)圖為微帶環(huán)行器原來(lái)的腔體結(jié)構(gòu)，右側(cè)圖為微帶環(huán)行器腔體優(yōu)化之后的結(jié)構(gòu)。在實(shí)際測(cè)試對(duì)比中，由于對(duì)產(chǎn)品腔體進(jìn)行了合理的優(yōu)化，使得腔體的諧振點(diǎn)很好的避開了電路的工作頻帶，從而大大提高了電路的電氣性能。

4 總結(jié)

本文介紹了微波腔體在微帶環(huán)行器中的優(yōu)化與設(shè)計(jì)，并給出了一個(gè)工程上的實(shí)例證明腔體優(yōu)化和實(shí)現(xiàn)的過(guò)程，文中通過(guò)使用仿真軟件HFSS作為優(yōu)化工具，具體用到了HFSS中本征模求解器來(lái)進(jìn)行腔體諧振頻率的仿真，在不改變環(huán)行器外形的情況下，對(duì)內(nèi)部腔體結(jié)構(gòu)作改變處理，最后達(dá)到了優(yōu)化的目的，避免微波腔體對(duì)環(huán)行器在工作中的影響。

審核編輯：湯梓紅