[摘 要]本文介紹了微波腔體在微帶環行器產品中的設計與優化，文中通過使用仿真軟件HFSS作為優化工具，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，達到了優化的目的。

引言

隨著環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展，微帶環行器已經取代了帶線環行器被廣泛的應用于微波系統。微帶環行器通常封裝于金屬腔體中，在微波頻段，腔體效應對微帶環行器的電氣指標和穩定性有重要影響。

1 腔體效應

由金屬導體制成的封閉的空腔，電磁波在其中連續反射，如果模式和頻率合適，就會產生駐波，即發生諧振現象，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 優化后腔體模型

式中的m、n、p為整數，分別表示場沿a、b、l分布的半駐波個數。

2 微帶環行器的腔體設計

以一個頻帶寬度為9-10Ghz的微帶環行器為例，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的合理容差，這使得腔體非常容易出現諧振現象而影響環行器的電氣性能和穩定性。

3 微帶環行器腔體的優化設計

根據上面的仿真結果得出，我們需要對環行器的腔體進行優化，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變為現在的5.97Ghz，遠離了環行器的工作頻段9-10GHz，避免了環行器工作時腔體對電路的影響，達到了優化的目的。

上圖5中左側圖為微帶環行器原來的腔體結構，右側圖為微帶環行器腔體優化之后的結構。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行器中的優化與設計，并給出了一個工程上的實例證明腔體優化和實現的過程，文中通過使用仿真軟件HFSS作為優化工具，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，最后達到了優化的目的，避免微波腔體對環行器在工作中的影響。

審核編輯：湯梓紅