利用频域求解器模拟计算谐振腔的谐振特性

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院高功率微波源与技术重点实验室 作者:曹静

  以“通过法测品质因数”的冷测实验为理论基础, 通过理论分析、数值模拟和冷测实验证明了利用三维电磁仿真软件的频域求解器也能模拟获得涂覆衰减材料的谐振腔本征模的谐振特性。对同一个涂覆衰减材料的谐振腔, 该方法的计算结果和JDM 本征模求解器的计算结果一致, 并经冷测实验验证, 计算精度很高, 最重要的一点是该方法计算速度很快, 解决了JDM 本征模求解器因考虑损耗降低仿真速度的问题。

  在宽带速调管中, 为了获得群聚带宽往往对谐振腔( 群聚腔) 加载, 即在谐振腔腔壁上涂覆衰减材料, 在整管设计中需要模拟计算这些谐振腔中存在的若干本征模式, 计算其谐振频率, 品质因数和场分布等谐振特性。

  对于没有涂覆衰减材料的谐振腔, 采用CST 微波工作室的AKS 本征模求解器模拟即可快速获得谐振腔中存在的若干谐振模式( 模拟时设置模式个数, 为了精确, 往往设置比实际需要更多的模式个数) , 并通过后处理可获得模式的场分布、谐振频率和品质因数等。当然, 对于上述涂覆了衰减材料的谐振腔, CST 微波工作室还提供了另外一种JDM 本征模求解器, AKS 和JDM, 这两个求解器数学基础完全不同, JDM 求解器是考虑了损耗问题( 即谐振腔加载) , 但考虑损耗问题会显著降低仿真速度, 当损耗大, 需要计算谐振腔中的高次模式而设置较多计算模式个数时, 这一问题更加严重, 计算不收敛, 缓慢,直至内存不够而终止计算, 所以有耗本征模问题的求解是非常具有挑战性的任务。

  在CST 微波工作室中, 还有一种频域求解器,通过求解不同频点的场问题来求得S 参量, 计算速度快, 系统可以自动选择频率采样点, 也可以手动设置频率采样点以满足整个频带上的精度。频域求解器分为通用频域求解器和谐振结构频域求解器, 其中谐振结构频域求解器是只考虑无耗问题的, 而通用频域求解器是可以解决有耗问题的。另外关于谐振腔谐振特性的冷测 , 目前广泛采用的仍是通过法, 对于群聚腔, 由于没有输入或输出耦合机构,是采用两个探针通过漂移管对谐振腔进行激励和接收, 接收探针连接高精度示波器, 通过半功率点法获得谐振腔的谐振频率和Q 值。

  因此鉴于CST 微波工作室的通用频域求解器计算速度快, 同时可以解决有耗问题以及结合现阶段“通过法”冷测谐振腔本征模谐振特性的理论和方法, 本文提出了利用通用频域求解器模拟微波谐振腔的谐振特性, 可以和AKS 本征模求解器相结合,也能完全切合现阶段的实际冷测实验, 这就实现了计算模拟和试验验证的一致性以及相互结合, 最关键的是解决了以往JDM 本征模求解器计算模式加载问题的非常具有挑战性的有耗问题, 计算时间短且准确。

  冷测验证

  由于衰减材料的特性很难准确测量, 同时腔体上涂覆的衰减量也不易准确控制, 所以为了能进一步验证通用频域求解器模拟结果以及本文提出的模拟方法是否正确, 按表1 的尺寸加工图1 模型所示的零件, 并在腔壁上涂覆衰减材料。当吸收腔上未加调谐钉时, 通过冷测法获得mode1 的谐振频率f= 2.691MHz, 品质因数Q0 =Qk= 80。

  根据测得的品质因数, 在频域计算器中, 通过调整衰减材料的参数获得和冷测结果一致的一条衰减曲线, 通过该曲线获得mode1 的谐振频率f = 2.691GHz, 品质因数Q0= 81, 然后腔体上设置调谐钉, 调节调谐钉的尺寸以及插入腔体内的深度, 获得mode1 的谐振频率f = 2.699 GHz, 品质因数Q0= 82。完全按模拟获得的尺寸加工调谐钉, 按模拟获得的插入深度在谐振腔上放置该调谐钉, 冷测获得mode1 的谐振频率f = 2.7 GHz, 品质因数Q0= 82.3,与通用频域求解器的模拟结果有很好的一致性, 这也从冷测试验上验证了利用通用频域求解器采用通过法计算加载衰减材料的谐振腔谐振特性的可行性、正确性。

  结论

  本文以“通过法测品质因数”的方法为理论基础, 解决了AKS 本征模求解器不能模拟损耗问题以及JDM 本征模求解器模拟损耗问题耗时长的难题。并将通用频域求解器获得的谐振特性与AKS 本征模求解器和JDM 求解器模拟得到的谐振特性进行比较, 模拟结果有良好的一致性, 同时将通用频域求解器模拟获得的涂覆衰减材料的谐振腔谐振特性与实际冷测结果对比, 更进一步验证了通用频域求解器完全可以模拟涂覆衰减材料的谐振腔的本征模的各项参数, 指导冷测试验及速调管研制工作。

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