基于圆柱谐振腔的介质微扰测试方法（二）
3 后腔优化
3.1 对简并模的分析
抑制简并模的方法有：
- 让简并模及其它干扰模式被激励起来的谐振频率偏离主模的谐振峰值越远越好;
- 尽可能压低简并模及其它干扰模式的谐振峰，使这些模式在腔体中激励起来的场强很弱，且谐振曲线平坦，表明它的品质因数降得很低;这样假使干扰模式与主模的谐振频率靠近，由于其低品质因数，对主模的影响也很小，同样可以达到模式净化的效果。
如果上述两个目的均可以很好地达到，则对腔体内主模对应的简并模以及其它杂模的抑制效果将会十分好，这样的高腔也能非常好地完成测试任务。
为了排除简并模及其他干扰模式对所选定主模$TE_{011}$的影响，采用如下结构谐振腔：
图（3.1-1）圆柱谐振腔垂直截面图对于所讨论的圆柱谐振腔体而言，工作模式$TE_{01p}$的干扰模式众多，尤其关心简并模式对主模的影响；因为理论上简并模与主模的谐振频率完全相同，谐振时会对主模产生极大的干扰，所以首先要充分地了解$TM_{11p}$模式的特点。以$TM_{111}$模式为例，图（3.1-2）为该模式的电场纵向分布图、图（3.1-3）为该模式的磁场横向分布图。
图（3.1-2）$TM_{111}$模式电场垂直截面分布图
图（3.1-3）$TM_{111}$模式电场横截面分布图$TM_{11p}$与$TE_{01p}$模式相比，两者截止波长相同但场分布不同，$TM_{11p}$模式的场分布非圆周对称，在腔壁上有$H_ϕ$分量，即有$J_z$分量表面电流跨越侧壁和端壁。
可通过后腔活塞处理消除简并模$TM_{11p}$
3.2 后腔处理技术
3.2.1 处理方法
1.加入吸收物质
吸波材料是指能吸收、衰减投射到它表面的电磁波，并将其电磁波能转化为热能耗散掉或使电磁波因干涉而消失的材料。在后腔加入吸收物质之后，对非主模加载，使非主模在腔中的耦合系数很小，难以发生谐振，大大减小它们对工作模式的影响。吸收物质的特性参数($\epsilon$，$tan \delta$)，厚度和吸收物质的形状结构等都将对优化产生影响。
2.$G$值的选择
活塞与腔体壁之间形成缝间隙$G$，它对$TE_{01p}$模式的场结构影响很小，几乎无影响；但缝间隙切割了非$TE_{01p}$模式的壁电流，破坏了它们的电磁场结构，谐振条件被破坏，非主模在主腔和后腔之间有强耦合存在，对$TE_{01p}$模式的影响也就被削弱了。$G$值的优化是本文工作中一个很重要的部分，设置$G$值的目的在于后腔的加载对工作模式构成的影响小，而对非主模的加载变重；如果$G$值过大，工作模式的$S_{21}$将很小，对$Q$值的测量不利，$G$值太小又可能导致对非主模吸收的能量小;所以要选择合适的活塞与腔体壁的间隙，使干扰模式尽量远离工作模式[6]。
由$TE_{01p}$场结构的性质决定了它在腔壁附近的储能非常少，而简并模$TM_{11p}$在腔壁附近的储能相对于$TE_{01p}$模式大得多，所以$G$值的优化对简并模的抑制是十分有意义的。
3.2.2 活塞尺寸分析
固定模式为$TE_{011}$，$h_3$为$17mm$，得到$G-f$，$G-Q$图;固定$G$为$0.7mm$，得到$h_3-f$，$h_3-Q$图
图（3.2.2-1）$G-f$图
图（3.2.2-2）$G-Q$图由图（3.2.2-1）与图（3.2.2-2）可知，当$h_3$固定时，$f$和$Q$随$$G的变化并不明显，选取一个合适的值即可。
图（3.2.2-3）$h_3-f$图
图（3.2.2-4）$h_3-Q$图由图（3.2.2-3）与图（3.2.2-4）可知，当$G$固定时，$f$和随$h_3$的增加而增大，$Q$随$h_3$的增加而减小。
由以上分析结果可得，较优的活塞参数为$h_3=17mm$、$G=0.7mm$。
3.2.3 添加活塞前后各模式的分析
图（3.2.3-4）$TE_{011}$模及杂模不加活塞附近模式$f$及$Q$值图（3.2.3-4）中$Q$值大于60000的为$TE_{011}$模，其余为杂模
当添加$G=0.7mm$、$h=17mm$的活塞时：
图（3.2.3-5）$TE_{011}$模及杂模加活塞附近模式$f$及$Q$值图（3.2.3-5）中$Q$值大于60000的为$TE_{011}$模，其余为杂模
图（3.2.3-6）$TE_{012}$模及杂模不加活塞附近模式$f$及$Q$值图（3.2.3-6）中$Q$值大于60000的为$TE_{012}$模，其余为杂模
图（3.2.3-7）$TE_{012}$模及杂模加活塞附近模式$f$及$Q$值图（3.2.3-7）中$Q$值大于60000的为$TE_{012}$模，其余为杂模
图（3.2.3-8）$TE_{013}$模及杂模不加活塞附近模式$f$及$Q$值图（3.2.3-8）中$Q$值为73199.8的为$TE_{013}$模，其余为杂模
图（3.2.3-9）$TE_{013}$模及杂模加活塞附近模式$f$及$Q$值图（3.2.3-9）中$Q$值为73171.4的为$TE_{013}$模，其余为杂模
由上述图例可以看出：
- 优化前后$TE_{01P}$模的频率点$f$与品质因数$Q$值变化不大
- 优化后杂模$Q$值明显减小，优化效果较好。
可见非接触活塞后腔可较好抑制杂模，而对工作模式的影响较小，尺寸设计符合要求。
4 最终设计及仿真
$emsp;$emsp;谐振腔最终结构如图（4-1）所示，其中红色部分为介质，图（4-2）为谐振腔各参数含义。
图（4-1）谐振腔结构模型
图（4-2）谐振腔各参数含义4.1 TE011
图（4.1-1）$TE_{011}$模带后腔优化后的谐振腔各参数取值带非接触活塞的$TE_{011}$模电场及磁场分布图
图（4.1-2）$TE_{011}$模电场及磁场分布图在有后腔的情况下优化结果如下：
图（4.1-3）$VSWR$
图（4.1-4）$S_{11}$
图（4.1-5）$S_{21}$4.2 TE013
图（4.2-1）$TE_{013}$模带后腔优化后的谐振腔各参数取值带非接触活塞的$TE_{013}$模电场及磁场分布图：
图（4.2-2）$TE_{013}$模电场分布图
图（4.2-3）$TE_{013}$模磁场分布图在有后腔的情况下优化结果如下：
图（4.2-4）$VSWR$
图（4.2-5）$S_{11}$
图（4.2-6）$S_{21}$