由于蒸汽湿度测量系统对测量的灵敏度和精确度要求很高，因此选择Q较高的TE011模式作为圆柱形谐振腔的工作模式。TE011模式的电场只有沿φ方向的分量；磁场分布有沿r和z方向的分量。在腔体侧壁和两端壁的内表面上只有沿φ方向的电流，而且谐振腔的侧壁与两端壁之间也没有电流通过。因此，可利用非接触式活塞进行调谐，以减少腔体磨损，减弱部分干扰模的影响。图2给出TE011模圆柱形谐振腔的场结构。图中的实线为电力线；虚线为磁力线。

式中：a和l分别为谐振腔的直径和长度；c为光速；ε和μ分别为介质的介电常数和磁导率。

TE011模圆柱形谐振腔的空载品质因数表示为：

式中：δ为谐振频率时谐振腔材料的趋肤深度。

圆柱形谐振腔是湿度测量系统中的关键元件，决定了湿度测量系统的工作频率，其件能直接影响到系统的精确度和灵敏度。

3.3 耦合结构

耦合方式采用环耦合。耥合环在磁场作用下成为一个磁偶极子，通过其磁矩的作用使谐振器与同轴线相耥合，因此环耦合又称为磁耦合。采用环耦合时应置小环于谐振腔工作模式的磁场最强处，并调整环面使其与磁力线相垂直。与矩形波导和谐振腔的耦合相比，同轴线与凿振腔的耦合能有效缩减系统的体积，且无需模式转换就能直接把信号输入到数据处理模块。

(1)耦合环的结构分析

图3给出磁偶极子。在线圈中心处O点，磁偶极子的磁感应强度为：

耦合环的Hz分量与TE011模网柱形谐振腔的Hz分量一致，所以这种耦合方式可以激励TE011模。TE011模式与TM111模式是简并波型，在激励端口TM111模的Hz分量为零，不能被激励，所以采用这种激励方式可巧妙地抑制TM111模的产生。将耦合环水平且垂直于磁力线地放置在谐振腔中外侧，即为谐振腔工作模式的磁场最强处。根据对称原理可知，谐振腔中间外侧亦是耦合环磁场分布的最强处，因此可得到最大程度的耦合。

(2)同轴线尺寸的确定

同轴线的特性阻抗为：

式中：εr为同轴线中填充介质的相刘介电常数；a为内导体半径：b为外导体半径。

为了避免传输高次模，同轴线中的工作波长必须长于TE111模的截止波长，即：

4 HFSS仿真优化

4.1 耦合环的优化设计

采用环耦合时，应将小环置于谐振腔工作模式的磁场最强处，并调整环面使其与磁力线相垂直。耦合的好坏对输出信号的影响极大。当谐振腔处于最佳耦合时，可得最大的输出信号。将耦合环水平放置在谐振腔体外侧中间位置的好处是：①符合环耦合的耦合要求；②放置外侧对谐振腔体内空气流动的影响可减至最小。

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。