220GHz TE10-TE01側壁耦合模式轉換器的研究

喬益民 蘭 峰

（電子科技大學物理電子學院，四川 成都 610054）

根據耦合方式的不同，產生 TE01模的方式可以分為兩種：“inline”型[2-4]和“sidewall”型[2][3][5[6]，“inline”型是使用變形的波導結構，把波逐步轉換為需要的模式，其轉換所需的傳輸長度通常較長而且在轉換過程中容易產生噪聲模式，優點是耦合孔徑橫切面大，可以承受大的功率容量，適合于對功率容量有高要求的場合，如波紋轉換器，扇形轉換器等。“sidewall”型是使用在波導壁具有耦合孔的平滑波導結構，耦合孔徑相對較小，孔徑太大會破壞被連接器件中的場結構，優點是結構緊湊、轉換效率高，是基于場的疊加原理，利用多孔定向耦合的方法。

本文設計的TE10-TE01模式轉換器，如圖1所示。采用“sidewall”型側壁耦合,達到了矩形波導TE10模到圓波導TE01模之間的高效轉換，通過調節和優化參數，有效抑制其他模式，使模式得到高效轉換。并對模型進行加工以及實驗測試，實驗結果與模擬結果基本吻合。

圖1 TE10--TE01側壁耦合模式轉換器

1 基本模型

該模式轉換器由兩部分組成：一是輸入結構功分器部分。TE10模從端口1輸入，電磁波通過第一個Y型功分器后分成兩路等振幅信號，然后每一路信號再分別通過一個Y型功分器。這樣，級聯的Y型功分器把輸入信號分成四等份，這四路信號在從圓波導側壁注入時在圓周方向逆時針方向旋轉，依次成90度變化。

二是圓波導模式轉換部分，通過Y型功分器后分成四路等振幅的信號以特定方向輸入側壁開孔的圓波導，在圓波導內激勵起TE01模并在端口2輸出,圓波導的一端為輸出端，另一端為截至端。如圖2所示：

圖2 （a）輸入結構功分器部分 （b）圓波導模式轉換部分

由于本文設計的模式轉換器的工作頻率為 220GHz,在實際設計中選取的矩形波導型號為BJ2200 WR4，即矩形波導寬邊為1.09mm，窄邊為0.546mm。

圓波導尺寸的確定：輸出端TE01模式的的截至頻率應選在 220GHz以下，本文選取 200GHz作為截至頻率，根據λc=1.64r[4]，可求得圓波導半徑為0.914mm，在仿真優化過程中輸出端半徑為0.9mm時傳輸系數和反射系數好于其他值，選取圓波導半徑為0.9mm.

2 優化仿真

采用CST三維仿真軟件，通過計算機模擬，對這種模式轉換結構的參數進行優化選擇，在波導段形成的開放腔中的場分布不是理想情況，為了得到比較理想的場分布。在進行參數設計時，先將邊界條件設置為理想電邊界。在210GHz-230GHz的頻段范圍進行掃頻分析，圓波導側壁開口的矩形波導長度設為a，波導高度為1.09mm與標準波導保持一致，側壁開口寬度為變量b，通過90度轉角接入Y型功分器結構的接入寬度為 c。圓波導截至端同樣設置為變量，圓波導半徑為0.6mm，在TE01模式下的截至頻率為305GHz。第一級Y型功分器與第二級Y型功分器的連接長度為d。在輸入端，矩形波導連接功分器的寬度為 e。在綜合考慮模式轉換效率與工作帶寬的基礎上，仿真優化得到了各參數的最優值，如下表所示：

表1 模型各參數優化值

3 仿真結果

作為一雙端口網絡，利用S參數的幅值與頻率關系來確定該變換耦合結構的模式轉換效率、反射系數和帶寬特性。通過模擬計算獲得電場空間分布圖，可以直觀反映是否在輸出端激勵起所需要的模式。圖3為輸出端口處的各模式傳輸損耗曲線以及輸入端口的反射曲線S11。

圖3 輸出端口的各模式的傳輸曲線及S11曲線

優化后TE01模式的S21傳輸曲線和S11反射曲線。

圖4 優化后得到的S21傳輸曲線和S11反射曲線

輸入輸出端口電場分布圖

圖5 (a)輸入端口TE10模式 (b)輸出端口TE01模式

圖5給出了輸入輸出端腔內橫截面的電場分布情況。圖中的箭頭方向表示電場矢量方向，粗細則代表電場的大小，箭頭密且粗的地方代表電場較強的區域，而箭頭細且疏的地方代表電場較弱的區域。圖中的兩幅電場矢量圖表明，TE10經過模式轉換器形成了較明顯的TE01模。

矩形波導TE10模經輸入端口注入轉換成TE01模以及其他噪聲模式。轉換效率定義為TE01模的輸出功率與TE10模輸入功率之比。可以看到中心頻率處的S21達到了-0.029dB,轉換效率超過99%，轉換效率為98.5%以上的帶寬達到4GHz。在 216GHz頻率處出現大的噪聲峰值，在 210GHz到 230GHz頻帶范圍內的噪聲模式的損耗低于-45dB，滿足設計要求。

4 加工以及實驗測試

加工得到的實物圖如圖所示：

圖6 模式轉換器加工模型實物圖

使用220GHz固態源和PM4功率計測試模式轉換器的轉換效率，由于受加工精度的制約，測試系統的插入損耗以及波導內壁的粗糙度造成的歐姆損耗較大，實驗測得在219.5GHz處的轉換效率為42.3%，滿足工程需求。圖7(a)所示：

圖7 （a）實驗所測的模式轉換效率 (b)在離輸出端3cm處測得的近場方向圖

在模式轉換器的輸出端接入由半徑 ?=0.9mm到半徑?= 5mm的圓波導過渡器，在離過渡器輸出端3cm處測得近場方向圖，如圖7(b)所示，可以證明模式轉換器轉換出來的主要模式為TE01模，與模擬結果吻合。

5 結論

本文對TE10-TE01側壁耦合模式轉換器進行了CST計算機數值模擬。通過合理的尺寸優化，有效的實現了 TE10到TE01間的模式轉換，220GHz中心頻率處的轉換效率達到了99%以上，轉換效率為98.5%以上的帶寬達到4GHz。對該模式轉換器進行加工測試，使用220GHz固態源和PM4功率計測試模式轉換器的轉換效率，考慮實驗誤差，實驗測得在219.5GHz處的轉換效率為42.3%，滿足工程需求。

[1] 采朱敏,羅積潤.用矩形到同軸扇形漸變 TE10-TE01模式變換器帶寬特性的研究[J].電子與信息學報,2007.

[2] 于新華.高功率毫米波模式變換和傳輸關鍵技術的研究[M].電子科技大學博士論文,2010.

[3] Ching-Fang Yu and Tsun-Hsu Chang“High-Performance Circular TE01-Mode Converter”Member,IEEE.

[4] M.J.Buckley and R. J. Vernon,“Compact quasi-periodic and aperi-odic TE0n mode converters in overmoded circular waveguides for use with gyrotrons,” IEEE Trans.Microw.Theory Tech,vol.38,no.6,pp.712–721,Jun. 1990.

[5] W.Wang,Y.Gong,G.Yu, L.Yue,and J.Sun,“Mode discriminator based on mode-selective coupling,” IEEE Trans.Microw.Theory Tech.,vol. 51,no.1,pp.55-63,Jan. 2003.

[6] F.Sporleder and H. G. Unger, Waveguide Tapers Transitions and Couplers.New York: Peregrinus,1979, ch.7.

[7] 陳仕虎,焉楊.回旋返波管輸出結構仿真與設計[J].大眾科技,2010

[8] 向端燕.Y型功分器與波分器的研究[M].上海交通大學碩士論文,2006.