微波腔体在微带环行器中的设计与优化

[摘 要]本文介绍了微波腔体在微带环行器产品中的设计与优化，文中通过使用仿真软件HFSS作为优化工具，具体用到了HFSS中本征模求解器来进行腔体谐振频率的仿真，很好的避免了腔体效应对电路电气性能的影响，达到了优化的目的。

引言

随着环行器逐渐向结构紧凑，体积小，成本低，集成化程度高的方向发展，微带环行器已经取代了带线环行器被广泛的应用于微波系统。微带环行器通常封装于金属腔体中，在微波频段，腔体效应对微带环行器的电气指标和稳定性有重要影响。

1 腔体效应

由金属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，这样的金属腔体在微波电路中就会产生腔体效应，造成微波电路的电气指标急剧恶化，严重影响产品工作的稳定性。

常见的微波腔体有许多形状，最简单的一种为矩形腔体。这种腔体的可看作长宽高分别为a、b、l的矩形波导，根据电磁场理论可计算得出腔体的谐振频率：

图1 矩形腔体模型

图2 HFSS的仿真结果

图3 优化后腔体模型

式中的m、n、p为整数，分别表示场沿a、b、l分布的半驻波个数。

2 微带环行器的腔体设计

以一个频带宽度为9-10Ghz的微带环行器为例，利用电磁仿真软件HFSS计算出腔体的谐振频率。在以小型化为原则的基础上，微波电路的外形尺寸确定为6mm*6mm*5.9mm，即作为仿真的腔体尺寸，设置其材料特性为空气，这样HFSS会默认其为金属边界。

选择本征模求解器进行求解，可以计算谐振结构的谐振频率和谐振腔体的无载Q值，具体建模见模型1。

我们设置了两种模式，分别计算出了最低次模和次低次模，以及他们分别对应的Q值，见图2。

通过计算得出，该外形尺寸为6mm*6mm*5.9mm的腔体的λ/4波长对应的频率为8.83Ghz，该谐振点与我们设计的频带范围在9-10Ghz环行器的中低频部分十分接近，考虑到实际生产过程中机加和装配过程可能出现的合理容差，这使得腔体非常容易出现谐振现象而影响环行器的电气性能和稳定性。

3 微带环行器腔体的优化设计

根据上面的仿真结果得出，我们需要对环行器的腔体进行优化，让其谐振点远离工作频带。结合产品在工程上实际应用情况，我们采用异形腔体设计来改变腔体内电磁场分布。

实际操作时，在保证底部电路安装尺寸不变的情况下，将原来的矩形腔体上面部分改为外切圆柱形腔体，见图3。

通过本征模求解器，计算出了腔体的2次模谐振频率和Q值，见图4.

从上面的结果可以看出，通过优化腔体结构以后，腔体的λ/4波长对应的频率由原先的8.83Ghz变为现在的5.97Ghz，远离了环行器的工作频段9-10GHz，避免了环行器工作时腔体对电路的影响，达到了优化的目的。

上图5中左侧图为微带环行器原来的腔体结构，右侧图为微带环行器腔体优化之后的结构。在实际测试对比中，由于对产品腔体进行了合理的优化，使得腔体的谐振点很好的避开了电路的工作频带，从而大大提高了电路的电气性能。

4 总结

本文介绍了微波腔体在微带环行器中的优化与设计，并给出了一个工程上的实例证明腔体优化和实现的过程，文中通过使用仿真软件HFSS作为优化工具，具体用到了HFSS中本征模求解器来进行腔体谐振频率的仿真，在不改变环行器外形的情况下，对内部腔体结构作改变处理，最后达到了优化的目的，避免微波腔体对环行器在工作中的影响。

审核编辑：汤梓红