基於HFSS新型微波諧振腔設計與優化

摘   要：文中通過HFSS電磁仿真軟體，設計一種新型微波諧振腔，通過仿真分析，比較了雙饋口的不同排列方式對腔體耦合和反射的影響，並且結合加入不同的負載，驗證了饋口的高度決定了饋口及饋口間的反射功率，最後通過優化高度，得出了負載對微波的吸收效率，驗證了該新型微波諧振腔設計的合理性。

     微波是指從300MHz～3000GHz範圍內的電磁波，對於大功率微波能應用，主要用於微波加熱方面[1,2]。微波加熱技術是在20世紀六七十年代發展起來的一項新興加熱技術[3]。與傳統加熱相比，微波加熱是一種依靠物料吸收微波能並將其轉化成熱能的加熱方式，可以深入物體內部，不需要通過熱傳導，就可以達到裡外同時加熱的目的，具有加熱均勻、加熱所耗時間短、加熱效率高等優點。      在微波加熱系統中，最常用的熱轉換器件和熱存儲器件就是微波諧振腔。微波諧振腔是一段由兩端短路或開路的（準）TEM傳輸線、封閉金屬波導或者表面波導這三類導行系統構成[4]。它將微波源通過饋口傳輸來的微波能，以最佳的方式反射耦合到該裝置，並在諧振腔形成特定的電磁場分布，根據電磁場理論分析，諧振腔腔體的電磁場分布決定了微波加熱的均勻性。      近年來，國內外學者對微波諧振腔體的研究越來越深入。譬如：日本筑波大學Dawei Li[5]設計了一種圓柱形微波諧振腔體，通過實驗，使水中的汙染物進行催化降解。英國劍橋大學Maria[6]採用微波焦爐實驗，比較了微波加工條件的變化對焦煤質量的影響。昆明理工大學張瑾[7]為解決廢水中金屬離子處理問題，設計了微波閃蒸多模圓柱腔體，通過實驗與理論分析，減小了微波的反射係數，提高了微波加熱的效率。雲南師範大學曹湘琪[8]提出了將腔體內筒設計成帶凹弧面的結構。     本文首先根據相關電磁理論知識，提出了一種新型微波諧振腔，並將該新型微波諧振腔的模型放在電磁仿真軟體HFSS的界面上，通過饋口位置的不同、饋口的高度的變化與負載種類的不同的角度進行仿真分析，得出了新型微波諧振腔的優化方案。

     微波諧振腔的作用是產生穩定的電磁振蕩輸出給負載，如果一個微波諧振腔質量非常好，說明微波腔體內的電磁能輸出效率非常高，意味著微波諧振腔的加熱效率非常高。所以，為了判斷微波諧振腔的質量，引入了品質因數Q0:

                                              

      式中，W表示諧振時微波諧振腔的總電磁儲能，WT表示在一個周期內諧振腔損耗的能量，Pl表示諧振腔內壁產生的熱耗功率，諧振腔儲能為：

                         

      諧振腔的熱耗功率主要由導體損耗引起，假設導體的表面電阻率為RS，所以有：

         

     式中，，是法向矢量，表示不考慮損耗時的內壁表面磁場的切向分量。所以有：

              

       式中，δ表示趨膚深度。為了大致計算出微波諧振腔的品質因數，通常可以近似認為，所以有

                                            

     關於微波諧振腔的形狀，常見的主要有矩形微波諧振腔和圓柱體微波諧振腔等，矩形微波諧振腔的結構非常簡單，易於加工，根據相關數學知識，可以清楚的得出，相同體積的圓柱體與長方體，圓柱體的體積與表面積之比大很多，再根據上述公式（5），可以近似得出，圓柱體微波諧振腔的品質因數比矩形微波諧振腔高。但是對於圓柱微波諧振腔，考慮到實際因素，加工精度要求較高，也就意味著加工成本高，從長遠打算來看，不利於大規模的量產。     但是對於正六稜柱微波諧振腔，完全解決了長方體矩形微波諧振腔品質因數非常低的問題。一般來說，圓柱諧振腔比正六稜柱腔體容易加工。但是，當微波諧振腔的尺寸很大時，正六稜柱微波諧振腔體可採用拼接結構，加工會方便一些。對於雙饋口微波諧振腔，圖1為雙饋口圓柱形微波諧振腔和雙饋口六稜柱微波諧振腔的電場分布圖，可以發現，採用雙饋口微波諧振腔，正六稜柱腔體電場的均勻性比圓柱腔體的電場的均勻性要好一點。     因此，正六稜柱微波諧振腔具備了矩形微波諧振腔的設計靈活和圓柱微波諧振腔的高品質因數的優點，結構簡單，易於加工，電場均勻性好。為下文提出的新型微波諧振腔有了一定的理論依據。

圖1 雙饋口圓柱形與雙饋口六稜柱電場比較

       HFSS是一種三維仿真軟體，主要解決電磁場與微波技術問題，而且這軟體操作簡單，結果準確[9,10]。根據上述對不同微波諧振腔體品質因數的比較，通過HFSS電磁仿真軟體，構建新型微波諧振腔的模型，如圖2所示。該新型微波諧振腔的初始尺寸為正六邊形邊長為150 mm，高度為280mm的六稜柱。腔體內部填充為空氣。模型中使用兩個矩形波導對該腔體進行饋波，其橫截面尺寸為86mm×43mm，位於腔體的頂面，兩個饋口輸入的電磁波功率均為500 W，中心頻率為2.45GHz。      對於雙饋口激勵的新型微波諧振腔體，饋口位置對反射與耦合有很大的影響，針對圖2中所示的諧振腔體，設計了饋口不同排列方式的三種方案。方案一是將兩個饋口的長邊平行正六邊形的一個邊長，方案二是將兩個饋口的短邊平行正六邊形的一個邊長，方案三是將一個饋口的長邊與另一個饋口的短邊平行正六邊形的一個邊長。根據上述三種方案，畫出三種方案的俯視圖，如圖3所示。

                                   

     採用HFSS電磁仿真軟體，對以上三種方案，進行空腔仿真。在2.45GHz中，對腔體的頂面、底面和中間面做出電場分布圖，三種方案的電場分布如圖4所示。

    如圖4(a）所示，方案一中，腔體頂面的電場強度最大為3.79×104 V/m，最低為0V/m，腔體中間面的電場強度絕大多數為2.23×104 V/m，腔體底面的電場強度最大為1.82×104 V/m，最低為0V/m。

    如圖4(b）所示，方案二中，腔體頂面的電場強度最大為3.62×104 V/m，最低為0V/m，只有饋口的位置有電場強度，其餘部分電場強度很低。腔體中間面的電場強度最大為3.86×104 V/m，最低為0V/m，腔體底面的電場強度絕大多數為0V/m。

    如圖4(c）所示，方案三中，腔體頂面的電場強度最大為6.13×104 V/m，最低為0V/m，腔體中間面的電場強度絕大多數為3.07×104 V/m，腔體底面的電場強度最大為4.24×104 V/m，最低為0V/m。

      通過腔體的三個面電場分布圖，不難發現，方案二的電場分布非常不均勻，電場強度差異比較大，並且在中間位置電場強度很小。方案一與方案三的電場分布是最為均勻的，相比較，方案一與方案三具有一定的參考價值。

      同時，採用HFSS電磁仿真軟體，在2.35～2.55GHz範圍內，進行掃頻處理，得到相應的S參數。三種方案的S參數如圖5所示，其中S11為饋口1的反射係數，即回波損耗，也就是表示有多少能量被反射回饋口1;S21為饋口2與饋口1的耦合係數，即插入損耗，也就是表示有多少能量被傳輸到饋口2。

     如圖5(a）所示，S11,S21均小於0dB，但是，S11的最小值為-7dB,S21的最小值為-34dB；如圖5(b）所示，S11,S21均小於0dB，但是，S11的最小值為-31.5 dB,S21的最小值為-30.5 dB；如圖5(c）所示，S21保持在-31dB以下，且最小值為-79.43dB。

       根據三種方案的S參數比較，方案一與方案二中S21的值比方案三中的相對較大，且S11的變化幅度也比較大，這就表明當兩個饋口的長邊平行正六邊形的一個邊長或者兩個饋口的短邊平行正六邊形的一個邊長的時候，饋口1發出的電磁波從饋口2流出的較多，即方案一與方案二，兩饋口間的耦合功率比方案三的耦合功率大。方案三中，S11變化幅度非常小，並且幾乎趨於0dB，但依舊小於0dB，這是由於空腔仿真時，饋口發射的電磁波經腔體反射大部分能量又被自身所吸收，這表明一個饋口的長邊與另一個饋口的短邊平行正六邊形的一個邊長的時候，損耗少且饋口間的耦合相對較小。      因此，對於無損耗的諧振腔，每一個饋口輸入的微波能量由兩部分組成：即反射能量和輸出到另一個饋口的能量。綜上分析，採用方案三可以使饋口間的耦合（S12,S21）大大的減小。     根據電場分布圖與S參數的分析，方案三具有一定的合理性，所以採用方案三。

       根據空腔的仿真，饋口的排列方式已經確定了，饋口的高度還不清楚，饋口的高度決定了饋口及饋口間的反射功率，所以在方案三的基礎上，在新型微波諧振腔裡放入負載，對於負載，採用了兩種不同的負載，第一種負載為水負載，第二種負載為瀝青負載（介質損耗正切值為0.02，相對介電常數為2.1），如圖6所示，該負載為半徑為40mm，高度為60mm的圓柱，此時設置饋口高度為變量，範圍為70～150mm，得出饋口與饋口間的反射功率。

                         

                圖6 裝有負載的腔體模型

     反射功率隨饋口高度的變化如圖7所示，從圖7可以發現，裝有瀝青負載的腔體的反射功率比裝有水負載的高，所以，負載種類的不同，反射功率也不同。

       同時，對圖7(a）和圖7(b）研究，發現了一個共性，根據饋口高度的變化，饋口及饋口間的反射功率有稍微的波動，其中在80 mm附近，反射功率較低。

     根據上述討論，在裝有水負載的基礎上，取饋口高度為80mm，在2.35～2.55GHz範圍內，進行掃頻處理，得到饋口及饋口間的反射功率如圖8所示。經優化後，在2.40GHz中，利用公式：

                                      （6） 

    式中，η表示負載對微波的吸收效率，η=1-(0.05+0.09）/2-0.1=0.83=83%，此時水負載對微波的吸收效率達到最高，因此，在2.35～2.55GHz範圍內，水負載對微波的吸收效率最高可達80%以上。

       本文通過微波諧振腔品質因數的相關數學公式，設計出了一種形狀為正六稜柱的新型微波諧振腔體，並且通過HFSS電磁仿真軟體，通過對饋口的位置的比較，得出了不同方案的電場分布圖與S參數曲線，說明了饋口位置對微波諧振腔有一定的影響；通過改變饋口的高度和負載的種類，對微波諧振腔進行優化，使負載對該微波的吸收效率有了新的提升，對進一步研究微波諧振腔的結構設計有了一定的理論和現實意義。

                                    

                      參考文獻（略）

丁旭（1994-），男，碩士，主要研究方向為光纖光纜、微波工程；E-mail:[e-mail]，分類號：

TN12;TN751.2 DOI:

10.16540/j.cnki.cn11-2485/tn.2020.01.11

，收稿日期：2019-04-09

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