内容概述

主要通过一个圆柱形介质谐振腔的分析设计实例，详细讲解如何使用HFSS中的本征模求解器分析设计谐振腔体一类的问题。学习中需要重点关注使用本征模求解器时，模式数的概念，以及在分析多个模式时，如何查看各个模式的谐振频率、品质因数和场分布。

圆柱形腔体谐振器简介

微波腔体谐振器是由导体制成的封闭的空腔，电磁波在其中连续反射，如果模式和频率合适，就会产生驻波，即发生谐振现象。

微波谐振器的主要参数由两个：谐振频率或谐振波长和品质因数Q。

使用HFSS分析圆形腔体谐振器，由理论分析可知，当圆柱形腔体长度等于半径，即 $TM_{010}$ $l=a$ 时， $TM_{010}$ 是最低次模， $TM_{111}$ 是次低次模，且二者的谐振波长分别为：

$\lambda_{TM_{010}}=2.62a$ ； $\lambda_{TE_{111}}=\frac{1}{\sqrt{\left(\frac{1}{3.41a} \right )^2+\left(\frac{1}{2l} \right )^2}}$

$TM_{010}$ 模的谐振波长与腔体长度无关，无法利用调节谐振腔长度的方法进行调谐，但在圆柱轴线方向引入一段细圆柱形导体或细圆柱形介质，可以使 $TM_{010}$ 模场的分布发生变化，通过改变细圆柱形导体/介质的长度，可以实现谐振腔的调谐。

HFSS设计概述

使用HFSS分析设计一个圆形腔体谐振器，腔体的长度和截面半径都为15mm，腔体的外壁材质是厚度为1mm的金属率。根据上面的公式可以计算出谐振腔 $TM_{010}$ 模和 $TM_{111}$ 模波长和频率的理论值分别为：

$\lambda_{TM_{010}}=39.3mm;f_{TM_{010}}=7.634GHz$

$\lambda_{TM_{111}}=25.88mm;f_{TM_{111}=11.592GHz$ $\lambda_{TM_{010}}=39.3mm ;f_{TM_{010}}=37.634GHz$

首先我们在HFSS中创建该腔体模型，仿真计算出 $TM_{010}$ 模和 $TM_{111}$ 模谐振频率的实际值和品质因数Q值，并查看 $TM_{010}$ 模和 $TM_{111}$ 模的场分布；

然后再圆形谐振腔体内部添加一个半径为5mm的介质圆柱，使用HFSS的参数扫描功能，分析介质圆柱的高度对 $TM_{010}$ 模和 $TM_{111}$ 模谐振频率的影响

HFSS设计步骤和设计流程

对于谐振腔体问题的分析，需要选择本征模求解类型

创建一个地面圆心位于坐标原点，地面半径为15mm，高度为15mm的圆柱体模型，作为圆形谐振腔体，命名为Cavity。

圆形腔体的外壁材料是厚度1mm的金属铝，在HFSS中可以通过给腔体外壁分配有限导体边界条件来实现

在HFSS中，使用本征模求解类型的问题，都不需要设置端口激励。因此，本例中无需设置立即

最小求解频率为3GHz，最大迭代次数为20次，收敛误差为2.5%，求解的模式数为2

设计检查和运行仿真分析

谐振频率和品质因素Q

腔体内部 $TM_{010}$ 模和 $TM_{111}$ 模电场和磁场的分布

在腔体内部添加一个细介质圆柱，介质圆柱的横截面半径为5mm，通过改变介质圆柱的高度来改变腔体的谐振频率，使用HFSS的参数扫描功能来分析腔体的谐振频率和介质圆柱高度之间的关系。