利用頻域求解器模擬計算諧振腔的諧振特性

　　以“通過法測品質因數(shù)”的冷測實驗為理論基礎, 通過理論分析、數(shù)值模擬和冷測實驗證明了利用三維電磁仿真軟件的頻域求解器也能模擬獲得涂覆衰減材料的諧振腔本征模的諧振特性。對同一個涂覆衰減材料的諧振腔, 該方法的計算結果和JDM 本征模求解器的計算結果一致, 并經冷測實驗驗證, 計算精度很高, 最重要的一點是該方法計算速度很快, 解決了JDM 本征模求解器因考慮損耗降低仿真速度的問題。

　　在寬帶速調管中, 為了獲得群聚帶寬往往對諧振腔( 群聚腔) 加載, 即在諧振腔腔壁上涂覆衰減材料, 在整管設計中需要模擬計算這些諧振腔中存在的若干本征模式, 計算其諧振頻率, 品質因數(shù)和場分布等諧振特性。

　　對于沒有涂覆衰減材料的諧振腔, 采用CST 微波工作室的AKS 本征模求解器模擬即可快速獲得諧振腔中存在的若干諧振模式( 模擬時設置模式個數(shù), 為了精確, 往往設置比實際需要更多的模式個數(shù)) , 并通過后處理可獲得模式的場分布、諧振頻率和品質因數(shù)等。當然, 對于上述涂覆了衰減材料的諧振腔, CST 微波工作室還提供了另外一種JDM 本征模求解器, AKS 和JDM, 這兩個求解器數(shù)學基礎完全不同, JDM 求解器是考慮了損耗問題( 即諧振腔加載) , 但考慮損耗問題會顯著降低仿真速度, 當損耗大, 需要計算諧振腔中的高次模式而設置較多計算模式個數(shù)時, 這一問題更加嚴重, 計算不收斂, 緩慢,直至內存不夠而終止計算, 所以有耗本征模問題的求解是非常具有挑戰(zhàn)性的任務。

　　在CST 微波工作室中, 還有一種頻域求解器,通過求解不同頻點的場問題來求得S 參量, 計算速度快, 系統(tǒng)可以自動選擇頻率采樣點, 也可以手動設置頻率采樣點以滿足整個頻帶上的精度。頻域求解器分為通用頻域求解器和諧振結構頻域求解器, 其中諧振結構頻域求解器是只考慮無耗問題的, 而通用頻域求解器是可以解決有耗問題的。另外關于諧振腔諧振特性的冷測 , 目前廣泛采用的仍是通過法, 對于群聚腔, 由于沒有輸入或輸出耦合機構,是采用兩個探針通過漂移管對諧振腔進行激勵和接收, 接收探針連接高精度示波器, 通過半功率點法獲得諧振腔的諧振頻率和Q 值。

　　因此鑒于CST 微波工作室的通用頻域求解器計算速度快, 同時可以解決有耗問題以及結合現(xiàn)階段“通過法”冷測諧振腔本征模諧振特性的理論和方法, 本文提出了利用通用頻域求解器模擬微波諧振腔的諧振特性, 可以和AKS 本征模求解器相結合,也能完全切合現(xiàn)階段的實際冷測實驗, 這就實現(xiàn)了計算模擬和試驗驗證的一致性以及相互結合, 最關鍵的是解決了以往JDM 本征模求解器計算模式加載問題的非常具有挑戰(zhàn)性的有耗問題, 計算時間短且準確。

　　冷測驗證

　　由于衰減材料的特性很難準確測量, 同時腔體上涂覆的衰減量也不易準確控制, 所以為了能進一步驗證通用頻域求解器模擬結果以及本文提出的模擬方法是否正確, 按表1 的尺寸加工圖1 模型所示的零件, 并在腔壁上涂覆衰減材料。當吸收腔上未加調諧釘時, 通過冷測法獲得mode1 的諧振頻率f= 2.691MHz, 品質因數(shù)Q0 =Qk= 80。

　　根據測得的品質因數(shù), 在頻域計算器中, 通過調整衰減材料的參數(shù)獲得和冷測結果一致的一條衰減曲線, 通過該曲線獲得mode1 的諧振頻率f = 2.691GHz, 品質因數(shù)Q0= 81, 然后腔體上設置調諧釘, 調節(jié)調諧釘?shù)某叽缫约安迦肭惑w內的深度, 獲得mode1 的諧振頻率f = 2.699 GHz, 品質因數(shù)Q0= 82。完全按模擬獲得的尺寸加工調諧釘, 按模擬獲得的插入深度在諧振腔上放置該調諧釘, 冷測獲得mode1 的諧振頻率f = 2.7 GHz, 品質因數(shù)Q0= 82.3,與通用頻域求解器的模擬結果有很好的一致性, 這也從冷測試驗上驗證了利用通用頻域求解器采用通過法計算加載衰減材料的諧振腔諧振特性的可行性、正確性。

　　結論

　　本文以“通過法測品質因數(shù)”的方法為理論基礎, 解決了AKS 本征模求解器不能模擬損耗問題以及JDM 本征模求解器模擬損耗問題耗時長的難題。并將通用頻域求解器獲得的諧振特性與AKS 本征模求解器和JDM 求解器模擬得到的諧振特性進行比較, 模擬結果有良好的一致性, 同時將通用頻域求解器模擬獲得的涂覆衰減材料的諧振腔諧振特性與實際冷測結果對比, 更進一步驗證了通用頻域求解器完全可以模擬涂覆衰減材料的諧振腔的本征模的各項參數(shù), 指導冷測試驗及速調管研制工作。