13.2 HFSS谐振腔体分析之HFSS设计概述

    本章使用 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 的金属铝（aluminum）。根据式（13-1-1）和式（13-1-2）可以计算出该谐振腔 TM010模和 TE111模波长的理论值分别为39.3mm 和25.88mm。从而进一步计算出该谐振腔TM010模和TE111模谐振频率的理论值分别为7.634GHz和11.592GHz 。

    我们首先在 HFSS 中创建该腔体模型，然后仿真计算出 TM010模和 TE111模谐振频率的实际值和品质因数Q 值，并查看TM010模和 TE111模的场分布；然后在圆形谐振腔体内部添加一个半径为5mm 的介质圆柱，使用 HFSS 的参数扫描分析功能，分析介质圆柱的高度对TM010 模和 TE111模谐振频率的影响。

    13.2.1 HFSS 建模和求解简介

    在HFSS 中，对于谐振腔体的分析设计，需要选择本征模求解类型。圆形腔体谐振器的模型如图13.4 所示。外侧的大圆柱模型是圆形谐振腔模型，其高度和截面半径皆为15mm； 内侧的小圆柱模型是调谐介质，用于改变谐振腔的谐振频率，其截面半径为5mm，高度使用设计变量 Height 代替，介质的相对介电常数为10.2，损耗正切为0.0035。

    因为采用本征模求解，所以不需要设置激励端口。1mm 厚的腔体金属铝外壁在HFSS 中可以通过给腔体模型外壁分配有限导体边界条件来实现。

    从前面的理论计算可知，该圆形空腔的最低次模谐振频率在7.634GHz 左右；所以在设置本征模求解的最小频率时，该求解频率只要小于7.6GHz 即可。但是，为了给后面的参数 扫描分析留有足够的余量，这里本征模求解的最小频率设置为3GHz。

    在设计分析时，首先不创建介质圆柱体模型，只分析空腔时腔体内两个最低次模式的谐振频率、品质因数 Q 和场分布。分析完成后，在腔体内部创建半径为5mm，高度用变量Height表示的介质圆柱体，并添加变量 Height 为扫描变量，然后使用 HFSS 的参数扫描分析功能，分析圆形谐振腔两个最低次模的谐振频率随着介质圆柱体高度的变化关系。

图 13.4 圆形腔体谐振器模型

    13.2.2 HFSS 设计环境概述

    >> 求解类型：本征模求解

   >> 模型原型：圆柱体

   >> 边界条件：有限导体边界

   >> 求解设置：最小频率为3GHz

   >> 后处理：谐振频率、品质因数 Q、场分布图

   >> Optimetrics：参数扫描分析