13.8 HFSS谐振腔设计之结果分析

    仿真计算完成后，通过HFSS 的数据后处理部分我们来查看以下分析结果：腔体的谐振频率和品质因数Q，腔体内场的分布。

    13.8.1 谐振频率和品质因数Q

    右键单击工程树下的 Results 节点，从弹出菜单中选择【Solution Data】命令，打开求解结果显示窗口，单击窗口中的 Eigenmode Data 选项卡，查看模式 1 和模式 2 的谐振频率和品质因数Q，如图 13.14 所示。

图13.14 谐振频率和品质因数计算结果

    从图13.14 中可以看出，HFSS 计算出的圆形谐振腔体的模式1（即TM010模）的谐振频率为7.76035GHz，品质因数Q = 7893.6 ；模式2（即TE111模）的谐振频率为11.6411GHz，品质因数Q = 9027.67 。

    说明： 细心的读者会发现在图13.14 所示的结果窗口中，频率是一个复数，这是为什么呢？

    我们知道，在 Maxwell 方程组里面，当介电常数只有实部时，对应的波常数只是一个纯虚数；但是如果考虑到介质损耗时，介电常数成为一个复数，这个时候计算得到的波常数也就有实部和虚部，波常数和频率直接相关，因此计算得到的频率也具有虚部和实部。HFSS 中谐振频率的实部就是我们通常所说的谐振频率，而谐振频率的虚部和各种损耗相关。

    另外，既然谐振频率虚部和各种损耗相关，当介质材料的损耗正切等于零，并使用理想导体边界条件时，谐振频率的虚部就会等于零。此时，对话框中的谐振频率只显示实部；同时，对话框中也不显示品质因数 Q。

    13.8.2 腔体内部电磁场的分布

    绘制出腔体的垂直截面和横截面上的电场和磁场的分布图。垂直截面直接选取yz 面，横截面选取在谐振腔体的中间位置，即z = 7.5mm 的xy 面。

    1．创建非实体平面 在 z = 7.5mm 位置创建一个平行于 xy 面的非实体平面，用于绘制腔体在该平面上的电场 和磁场的分布，创建非实体平面不会影响 HFSS 的分析结果。

     （1）从主菜单栏选择【Draw】→【Plane】，或者单击工具栏的按钮，进入创建非实体平面的状态。

    （2）在状态栏 X、Y、Z 项对应的文本框中分别输入 0、0、7.5，单击回车键，确定非实体面的位置；然后在状态栏 dX、dY、dZ 项对应的文本框中分别输入 0、0、1，再次单击回车键，确定非实体平面的法向是沿着z 轴的正方向。 

    （3）此时，即在z = 7.5mm 位置处创建了一个平行于xy 面的非实体面。创建好的非实体面默认名称为 Plane1，该名称同时会自动添加到操作历史树 Planes 节点下。

    （4）单击操作历史树 Planes 节点下的 Plane1，选中该非实体面，如图 13.15 所示。

图 13.15 定义的非实体面

    2．绘制模式 1 的电场和磁场分布

    根据本章开始时的理论分析可知，该圆形谐振腔体中模式1 为TM010模，下面来绘制模式1 在yz 面和Plane1 面上的电场和磁场分布。

    （1）单击选中操作历史树 Planes 节点下的平面 Plane1。

    （2）右键单击工程树下的 Field Overlay 节点，从弹出菜单中选择【Plot Fields】→【E】 →【Mag_E】，打开如图 13.16 所示的 Create Field Plot 对话框。

图 13.16 Create Field Plot 对话框

    （3）直接单击对话框中的按钮，绘制出模式1在腔体横截面（Plane1 平面）上的电场分布，如图 13.18（a）所示。

    （4）右键单击工程树下的Field Overlay 节点，在弹出菜单中选择【Plot Fields】→【H】→【Mag_H】，打开如图 13.17 所示的Create Field Plot 对话框。 

图 13.17 Create Field Plot 对话框

    （5）直接单击对话框中的按钮，绘制出模式 1 在腔体横截面（Plane1 平面）上的磁场分布，如图 13.18（b）所示。

图 13.18 模式1在腔体横截面上的场分布

    （6）单击选中操作历史树 Planes 节点下的平面 Global:YZ。

    （7）重复步骤（2）～ 步骤（5），绘制出模式 1 在腔体垂直截面（yz 面）上的电场和磁 场分布，分别如图 13.19（a）和图 13.19（b）所示。

图 13.19  模式1在腔体垂直截面上的场分布 

    3．绘制模式2 的电场和磁场分布

    根据最初的理论分析可知，该圆形谐振腔体中模式2 为TE111模，下面来绘制模式2 在yz 面和Plane1 面上的电场和磁场分布。因为在绘制场分布时，HFSS 默认绘制的是模式 1 的 场分布，所以在绘制模式2 的场分布时，首先需要把谐振源设置为模式2。

    （1）右键单击工程树下的 Field Overlay 节点，从弹出菜单中选择【Edit Sources】命令， 打开如图 13.20 所示的 Edit Sources 对话框。在该对话框中，把 EigenMode_1 对应的 Scaling Factor 由 1 改为 0，把EigenMode_2 对应的 Scaling Factor 由 0 改为1。这样即将谐振源设置为模式2，然后单击对话框的按钮，完成设置，退出对话框。

图 13.20 Edit Source 对话框 图 13.21 腔体模式 2 的电磁场分布

    （2）此时，前面绘制的模式1下的电场和磁场的分布都会自动更新为模式2下的电场和磁场的分布。模式2 在腔体横截面（Plane1 平面）上的电场和磁场分布分别如图 13.21（a）和图13.21（b）所示，模式2 在腔体垂直截面（yz 面）上的电场和磁场分布分别如图13.21 （c）和图13.21（d）所示。  


图13.21  腔体模式2 的电磁场分布