[摘 要]本文介紹了微波腔體在微帶環(huán)行器產品中的設計與優(yōu)化，文中通過使用仿真軟件HFSS作為優(yōu)化工具，具體用到了HFSS中本征模求解器來進行腔體諧振頻率的仿真，很好的避免了腔體效應對電路電氣性能的影響，達到了優(yōu)化的目的。

引言

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

1 腔體效應

由金屬導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，就會產生駐波，即發(fā)生諧振現(xiàn)象，這樣的金屬腔體在微波電路中就會產生腔體效應，造成微波電路的電氣指標急劇惡化，嚴重影響產品工作的穩(wěn)定性。

常見的微波腔體有許多形狀，最簡單的一種為矩形腔體。這種腔體的可看作長寬高分別為a、b、l的矩形波導，根據(jù)電磁場理論可計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)，分別表示場沿a、b、l分布的半駐波個數(shù)。

2 微帶環(huán)行器的腔體設計

以一個頻帶寬度為9-10Ghz的微帶環(huán)行器為例，利用電磁仿真軟件HFSS計算出腔體的諧振頻率。在以小型化為原則的基礎上，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，設置其材料特性為空氣，這樣HFSS會默認其為金屬邊界。

選擇本征模求解器進行求解，可以計算諧振結構的諧振頻率和諧振腔體的無載Q值，具體建模見模型1。

我們設置了兩種模式，分別計算出了最低次模和次低次模，以及他們分別對應的Q值，見圖2。

通過計算得出，該外形尺寸為6mm*6mm*5.9mm的腔體的λ/4波長對應的頻率為8.83Ghz，該諧振點與我們設計的頻帶范圍在9-10Ghz環(huán)行器的中低頻部分十分接近，考慮到實際生產過程中機加和裝配過程可能出現(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)化設計

根據(jù)上面的仿真結果得出，我們需要對環(huán)行器的腔體進行優(yōu)化，讓其諧振點遠離工作頻帶。結合產品在工程上實際應用情況，我們采用異形腔體設計來改變腔體內電磁場分布。

實際操作時，在保證底部電路安裝尺寸不變的情況下，將原來的矩形腔體上面部分改為外切圓柱形腔體，見圖3。

通過本征模求解器，計算出了腔體的2次模諧振頻率和Q值，見圖4.

從上面的結果可以看出，通過優(yōu)化腔體結構以后，腔體的λ/4波長對應的頻率由原先的8.83Ghz變?yōu)楝F(xiàn)在的5.97Ghz，遠離了環(huán)行器的工作頻段9-10GHz，避免了環(huán)行器工作時腔體對電路的影響，達到了優(yōu)化的目的。

上圖5中左側圖為微帶環(huán)行器原來的腔體結構，右側圖為微帶環(huán)行器腔體優(yōu)化之后的結構。在實際測試對比中，由于對產品腔體進行了合理的優(yōu)化，使得腔體的諧振點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

本文介紹了微波腔體在微帶環(huán)行器中的優(yōu)化與設計，并給出了一個工程上的實例證明腔體優(yōu)化和實現(xiàn)的過程，文中通過使用仿真軟件HFSS作為優(yōu)化工具，具體用到了HFSS中本征模求解器來進行腔體諧振頻率的仿真，在不改變環(huán)行器外形的情況下，對內部腔體結構作改變處理，最后達到了優(yōu)化的目的，避免微波腔體對環(huán)行器在工作中的影響。

審核編輯：湯梓紅