微波谐振腔湿度测量同轴环耦合设计与实现

4.2 栅格分隔器优化设计

　　栅格分隔器在电气上起短路作用，它能使谐振腔传感器封闭而产生驻波。栅格分隔器会影响fs，S11衰减及Q值等参数。为了有效阻止电磁辐射，必须对栅格分隔器的厚度Dg、短路圆环数量Ng、栅格的支架材料等进行研究分析。理论上，Dg和栅格宽度Wd越大，栅格越密，其辐射越小，电磁性能也越好，而且栅格分隔器没有沿径向的表面电流分布，但因谐振器与栅格分隔器之间的形状变化导致场的不均匀性，所以实际上栅格还会产生径向电流，因此Wd不能太大，最终尺寸以最佳优化值为准。

4.3 其他特性参数的优化设计

　　设计时以同轴线长度、内外半径、谐振腔体的内半径a、外半径b和长度l的最佳优化值为基准。

4.4 仿真结果及分析

　　仿真的试验条件：以优化最佳值为准，设耦合环半径b0=3 mm；同轴线内半径a0=0.89 mm；b=2.65 mm；l=15.625 mm。另设a=20.598 mm；b=32 mm；l=41.196 mm。再设Dg=2 mm；Wd=1 mm；短路圆环数量为3个，栅格之间无旋转角度。图4给出同轴线耦合谐振腔的性能参数值。

　　由图4可知，谐振腔的最大耦合谐振点在9.58 GHz，最大衰减为-9 dB，其能量耦合可允分满足设计要求。图5给出谐振腔内磁场分布。由此可见，圆柱谐振腔内为TE011振荡模式，也符合设计要求。

5 结果分析

　　为了使Q值达到设计要求，必须尽可能降低电磁场的辐射损耗(泄露)和谐振腔的内表面损耗。对前者，选择铜作为谐振腔的材料，两端用分隔器短路，使电磁场量在谐振腔的两端产生反射，以使谐振腔产生谐振。环形网格结构对中央圆柱波导中的TE011模式是截止的，电磁场通过两端结构产生的辐射很小。对后者，一方面要使内表面很光滑；另一方面要在谐振腔表面镀银。由于内表面的欧姆损耗与内表面的表面电阻Rs成正比，因此Rs越小，能量损失也越少。实际测量系统中，谐振腔传感器因制造误差，导致圆环的放置可能与仿真不完全一致。此外，不可忽略因铜的热膨胀系数较低而引发温度和压力的变化，导致腔体结构变形。采用高热胀系数材料用于谐振腔传感器的制造，可降低因温度、压力变化对腔结构变形的影响。由于工业测量环境的温度不恒定，会导致谐振腔空腔谐振频率发生变化，而频率测量系统的本振无法实时反映出这种变化的大小，因此系统在现场使用时，需调整本振频率，以尽可能地减少偏差。

6 结语

　　根据矩形波导与谐振腔耦合现实中出现的问题，改用同轴线与谐振腔环耦合的设计，并采用HFSS微波软件设计了适合流动湿蒸汽湿度测量中特殊结构用的圆柱形谐振腔及其耦合装置。仿真结果体现了理论与实际的较好一致，证明了新耦合方式的正确、可行性。与应用矩形波导的耦合装置相比，在保证结构简单，实现在线测量的同时，应用同轴圆环耦合装置可减少整个测湿系统的体积，还可使测量装置与外处理电路的接口直接对接而无需矩形波导与同轴线的模式转换，避免了信号的再次衰减。整个系统有着更好的现实操作性。