CN105826639A - 一种矩形波导te10模到te20模宽带模式变换器 - Google Patents

一种矩形波导te10模到te20模宽带模式变换器 Download PDF

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宗帅
王兆栋
李洋
刘国
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Abstract

本发明公开了一种矩形波导TE10模到TE20模宽带模式变换器，本发明的模式变换器由于采用线性缓慢过渡结构，可以基本上实现电磁波的行波状态传播，并且利用波导边界约束条件来控制模式变换器各段结构中的模式成分；第二段的T型均匀过渡波导长度为中心频率工作波长的四分之一，起到了阻抗匹配的效果，能很好地抑制阻抗不匹配所造成的电磁波的反射，在一定程度上保证了模式变换器的模式纯度和良好的转换效率；同时，对该模式变换器第一段和第三段的长度进行优化仿真，保证了模式变换器能够在较宽的工作带宽内具有良好的性能。

Description

一种矩形波导TE10模到TE20模宽带模式变换器
技术领域
本发明涉及微波、毫米波器件技术领域，具体地说是一种新型的矩形波导TE10模到TE20模的宽带模式变换器。
背景技术
模式变换器是一种被广泛应用于微波、毫米波技术领域的微波无源器件。在微波、毫米波技术的科学研究以及工程应用中，需要借助模式变换器来实现微波、毫米波在传输***中的波型转换，从而达到方便微波及毫米波的测量、传输、功率分配和功率合成的目的。例如，在高功率微波、毫米波的对空传输与发射过程中，需要将微波、毫米波源输出的高功率圆波导TE11模变换成方向性更好，更容易在空气中传播的圆波导HE11模，这时就需要借助圆波导TE11-HE11模式变换器来实现这种模式变换。又例如，在微波、毫米波的测量领域中，要测量待测件中工作模式(如圆波导中的TE11模)的传播特性时，需要将矢量网络分析仪输出的矩形波导主模TE10模变换成工作模式(圆波导中的TE11模)，这时就需要借助矩形波导TE10模到圆波导TE11模模式变换器来实现这种模式转换。总而言之，模式变换器是一种被广泛应用的微波、毫米波器件。
矩形波导TE10模到TE20模的模式变换器的作用是将标准矩形波导输入的基模TE10模通过特定模式变换技术转换成输出的高阶模式TE20模。该模式变换器被广泛地应用到微波、毫米波***中的功率合成以及功率分配***中。国际上曾报道过一种矩形波导的TE10模到TE20模的模式变换器，但是它采用波导沿传播轴线进行非线性弯曲的结构来实现矩形波导TE10模到TE20模的模式变换。矩形波导沿传播轴线要进行非线性弯曲变换，这使得矩形波导TE10模到TE20模的模式变换器在加工制造工艺方面的要求更为严格，并且其工作带宽也受到一定限制。
发明内容
为了克服传统的矩形波导TE10模到TE20模模式变换器的工作频带较窄,相对带宽一般只有10％-20％,以及非线性弯曲带来的加工困难的问题，发明了一种新型的具有线性渐变结构的矩形波导TE10模到TE20模宽带模式变换器。
本发明的矩形波导TE10模到TE20模宽带模式变换器是通过改变金属波导外部尺寸，从而改变约束电磁波在波导中传播时的边界条件，进而实现矩形波导TE10模到TE20模宽带模式变换；因而本发明一种矩形波导TE10模到TE20模宽带模式变换器，该模式变换器包括3段：输入段、过渡段、输出段；其中输入段是一端为标准矩形波导另一端为T形波导的渐变结构，渐变开始是以标准矩形波导为T形波导的竖腔，在竖腔的一端渐变出T形波导的横腔，渐变过程中T形波导的横腔宽度逐渐变宽，竖腔高度不变；过渡段为尺寸不变的一段T形波导；输出段是一端为T形波导另一端为矩形波导的渐变结构，渐变过程中T形波导的竖腔高度逐渐变低，横腔宽度逐渐变宽，直到变成矩形波导。
进一步的，所述T形波导横腔的高度和竖腔的宽度相等；所述过渡段的长度为该模式变换器中心频点工作波长的四分之一，过渡段的横腔的宽度与整个T形波导的高度相等。
进一步的，所述输出段末端矩形波导的宽度为输出段前端标准矩形波导高度的两倍。
进一步的，所述整个模式变换器的长度为中心频率点电磁波工作波长的7-8倍；输入段的长度为中心频率点的电磁波工作波长的3-4倍；输出段的长度为中心频率点的电磁波工作波长的4-5倍。
本发明的模式变换器由于采用线性缓慢过渡结构，可以基本上实现电磁波的行波状态传播，并且利用波导边界约束条件来控制模式变换器各段结构中的模式成分；第二段的T型均匀过渡波导长度为中心频率工作波长的四分之一，起到了阻抗匹配的效果，能很好地抑制阻抗不匹配所造成的电磁波的反射，在一定程度上保证了模式变换器的模式纯度和良好的转换效率；同时，对该模式变换器第一段和第三段的长度进行优化仿真，保证了模式变换器能够在较宽的工作带宽内具有良好的性能。本发明的模式变换器具有以下主要优点：
1)工作频带宽。以Ka波段为例，从说明书附图中的图7和图8看，该模式变换器在整个Ka频段，具有良好的传输和反射性能：图7中传输参数S21高于-0.001dB；图8中反射参数S11低于-35dB。
2)转换模式纯度高。以Ka波段为例，说明书附图的图7中传输参数S21大于-0.001dB,表明对应的转换效率在整个Ka频段都高于99％，保证了较高的输出模式纯度。
3)结构简单，便于加工。从说明书附图中的模式变换器结构示意图图1看，该模式变换器从输入端口4到输出端口5整体上全部采用线性缓慢过渡结构，特别易于加工。
附图说明
图1为矩形波导TE10模到TE20模宽带模式变换器的三维结构图；
图2为矩形波导TE10模到TE20模宽带模式变换器的俯视图；
图3为矩形波导TE10模到TE20模宽带模式变换器的正视图；
图4为矩形波导TE10模到TE20模宽带模式变换器的左视图；
图5为矩形波导TE10模到TE20模宽带模式变换器的右视图；
图6为HFSS高频仿真软件仿真所得矩形波导TE10模到TE20模宽带模式变换器的电场分布图；
图7为HFSS高频仿真软件仿真所得矩形波导TE10模到TE20模宽带模式变换器的传输参数(S21参数)与工作频率(Ka波段)的关系图；
图8为HFSS高频仿真软件仿真所得矩形波导TE10模到TE20模宽带模式变换器的反射参数(S11参数)与工作频率(Ka波段)的关系图；
图中：1.标准矩形波导TE10模渐变到T型波导过渡段，2.T型波导过渡段，3.T型波导渐变到非标准矩形波导TE20模过渡段，4.标准矩形波导TE10模输入端，5.非标准矩形波导TE20模输出端。
具体实施方式
下面结合一个工作在Ka波段的矩形波导TE10模到TE20模宽带模式变换器的设计实例以及附图对本发明作进一步的详细阐述：
电磁波的工作中心频率点由如下式子确定：
f0＝f1+(f2-f1)/2(1)
其中，f0为工作波段的中心频率点，f1为工作波段的上边频点，f2为工作波段的下边频点。
电磁波在中心频率点的工作波长由如下式子确定：
λ＝C/f0(2)
其中，λ为电磁波在中心频率点工作时的工作波长，C为真空中的光速。
1、标准矩形波导的横截面尺寸确定
由于工作频率在Ka波段(从26.5GHz到40.0GHz)，我们选取的标准矩形波段的横截面尺寸为：BJ320(国标)/WR28(国际标准)波导，其宽边为7.112毫米、窄边为3.556毫米。2、T形波导的横截面尺寸确定
在确定标准矩形波导的横截面尺寸后，便可以非常方便地确定T形波导的横截面尺寸，其水平部分的横截面的尺寸为：7.112×3.556毫米，其垂直部分横截面的尺寸为：3.556×3.556毫米。
3、传播TE20模的非标准矩形波导的横截面尺寸确定
由于该非标准矩形波导的宽边是标准矩形波导宽边的两倍，窄边与标准矩形波导的窄边保持相同，该非标矩形波导的横截面尺寸也非常容易确定，其宽边为14.224毫米、窄边为3.556毫米。
4、工作频段内中心频点处工作波长的确定
工作频率在Ka波段(从26.5GHz到40.0GHz)，中心频率为33.25GHz，电磁波在中心频率点的工作波长约为9.02毫米。
5、各个过渡段长度的确定
标准矩形波导TE10模渐变到T型波导过渡段长度的初始值设为30毫米，T型波导过渡段长度的初始值设为2.5毫米，T型波导渐变到非标准矩形波导TE20模过渡段长度初始值设为40毫米。最终各个过渡段的长度需要通过在HFSS电磁仿真软件中进行大量的仿真和优化来确定。在保证良好的转换效率和宽带性能的前提下，尽量缩短器件的长度以节约成本，并且越是紧凑的模式变换器将更加有利于实际工程应用中的加工和装配。
经以上步骤就可以完成Ka波段的矩形波导TE10模到TE20模宽带模式变换器的设计，然后在HFSS高频仿真软件中建立三维模型进行仿真验证。
以上实例仅为方便说明本发明新型实用，本发明同样适用于其他频段的矩形波导TE10模到TE20模宽带模式变换器的高效设计。

Claims (4)

1.一种矩形波导TE10模到TE20模宽带模式变换器，该模式变换器包括3段：输入段、过渡段、输出段；其中输入段是一端为标准矩形波导另一端为T形波导的渐变结构，渐变开始是以标准矩形波导为T形波导的竖腔，在竖腔的一端渐变出T形波导的横腔，渐变过程中T形波导的横腔宽度逐渐变宽，竖腔高度不变；过渡段为尺寸不变的一段T形波导；输出段是一端为T形波导另一端为矩形波导的渐变结构，渐变过程中T形波导的竖腔高度逐渐变低，横腔宽度逐渐变宽，直到变成矩形波导。
2.如权利要求1所述的一种矩形波导TE10模到TE20模宽带模式变换器，其特征在于所述T形波导横腔的高度和竖腔的宽度相等；所述过渡段的长度为该模式变换器中心频点工作波长的四分之一，过渡段的横腔的宽度与整个T形波导的高度相等。
3.如权利要求1所述的一种矩形波导TE10模到TE20模宽带模式变换器，其特征在于所述输出段末端矩形波导的宽度为输出段前端标准矩形波导高度的两倍。
4.如权利要求1所述的一种矩形波导TE10模到TE20模宽带模式变换器，其特征在于所述整个模式变换器的长度为中心频率点电磁波工作波长的7-8倍；输入段的长度为中心频率点的电磁波工作波长的3-4倍；输出段的长度为中心频率点的电磁波工作波长的4-5倍。
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