新型彎折式圓波導高功率TE11-TM01模式轉換器

張 浩，何 云，干 莉，胡 隨，張忠海

(1.杭州電子科技大學電子信息學院，浙江 杭州 310018；2.盲信號處理國家級重點實驗室，四川 成都 610041)

0 引 言

高功率微波傳輸和發(fā)射系統(tǒng)中，為了提高功率容量，一般要求傳輸系統(tǒng)的圓波導工作于TM01模式，同時，為了產生高效輻射，通常要求圓波導發(fā)射天線輸入端口工作于TE11模式，因此，在傳輸系統(tǒng)的輸出端和發(fā)射天線的輸入端之間需要插入從TM01模式到TE11模式的模式轉換器。模式轉換器一般采用圓波導結構，按輸入輸出端口是否同軸可劃分為同軸[1-2]和不同軸[3-4]兩大類，靈活多變，適用于各種工作場景，具有高功率容量、高傳輸效率、插損小等優(yōu)點。采用介質填充[5]或多級轉彎波導[6-7]可以實現(xiàn)圓波導TE11-TM01模式轉換，傳輸效率高，功率容量大，但結構復雜，對機械加工精度要求較高。在波導內部添加不規(guī)則金屬導體或插板[8]，再結合波導直角結構進行模式轉換，這種模式轉換器可以抑制高次模，保證寬頻帶下的轉換效率，但內部存在突變結構，不利于實現(xiàn)高功率容量，同時對加工精度的要求較高。為此，本文采用插板并結合半圓彎折結構，設計了一款新型彎折式圓波導TE11-TM01模式轉換器，在高功率條件下實現(xiàn)了TE11-TM01之間的模式轉換，結構簡單，易于加工。

1 彎折式圓波導TE11-TM01模式轉換器

1.1 TE11-TM01模式轉換方式

在高功率微波信號傳遞過程中，各個傳輸模式的建立與圓波導內部的結構形式密切相關，可以通過改變圓波導內部結構來實現(xiàn)不同傳輸模式間的轉換。本文設計的彎折式圓波導TE11-TM01模式轉換器主要通過控制2條半圓波導TE11模傳輸?shù)南辔徊顏韺崿F(xiàn)模式的轉換，主要由輸入輸出圓波導、中間部分的彎折波導和半圓波導、一字型金屬插板和十字型金屬插板組成，其平面結構如圖1所示。

圖1 彎折式圓波導TE11-TM01模式轉換器結構平面圖

圖2 波導各截面模式電場變化圖

示。

1.2 模式轉換器波導及內部結構參數(shù)設計

只有當電磁波的工作波長小于相應模式的截止波長時，才可以在波導中建立并傳播該模式的電磁波。圓波導中TE11模和TM01模都是常見的典型模式，其截止波長分別為[9-11]：

(1)

微波信號在圓波導內進行模式轉換時，還應該考慮半圓波導的彎折部分和直線部分的相位差，CC′端為等幅相反的TE11模，經過彎折部分在DD′端合成為相同相位的TM01模，對相位差的要求為[12]：

Κ(L1-L2)=π

(2)

即

(3)

式中，K為半圓波導TE11模的相位常數(shù)，L1和L2分別為彎折半圓波導部分和直線半圓波導部分的長度，λ為彎折式圓波導TE11-TM01模式轉換器工作的工作波長。

(4)

2 仿真實驗與分析

將本文設計的彎折式圓波導TE11-TM01模式轉換器在CST仿真軟件中進行實驗，采用頻域求解器進行仿真，并將仿真后的實驗數(shù)據(jù)導入origin軟件進行繪圖，截取TE11-TM01模式轉換效率90%以上的曲線，結果如圖3所示。

圖3 彎折式圓波導TE11-TM01模式轉換效率隨頻率的變化曲線

從圖3可以看出，頻率為8.254 GHz時，由TE11模式轉換為TM01模式的轉換效率最大，由TE11模式轉換為TM01模式的轉換效率為98.4%；彎折式圓波導TE11-TM01模式轉換器TE11-TM01模式轉換效率大于90.0%的帶寬為80.5 MHz。

在CST仿真軟件中設置port1端口的輸入功率為0.5 W時，彎折式圓波導TE11-TM01模式轉換器工作時的場強分布情況如圖4所示。

圖4 彎折式圓波導TE11-TM01模式轉換器整體場強圖

從圖4可以看出，彎折式圓波導TE11-TM01模式轉換器中最大的場強為2 865.41 V/m?？諝忾g隙的擊穿場強為3 MV/m[13]，通過計算可以得到此時的彎折式圓波導TE11-TM01模式轉換器功率容量為2 MW。此外，當彎折式圓波導TE11-TM01模式轉換器中填充SF6氣體時，其擊穿場強為11 MV/m[14]，通過計算得到彎折式圓波導TE11-TM01模式轉換器的功率容量為8 MW。

在CST仿真軟件中設置port1端口的輸入功率為0.5 W時，彎折式圓波導TE11-TM01模式轉換器的port1端口和port2端口的場強分布情況如圖5所示。

圖5 彎折式圓波導TE11-TM01模式轉換器的port1端口和port2端口電場場強分布圖

從圖5可以看出，port1端口截面的最大電場場強為838.888 V/m，port2端口截面的最大電場場強為466.89 V/m。其中，圖5(a)為port1輸入端口的模式電場場強截面圖，其電場場強分布為TE11模形式。圖5(b)為port2輸出端口的模式電場場強截面圖，其電場場強分布為TM01模形式。即可說明在port1端口輸入TE11模，經過彎折式圓波導TE11-TM01模式轉換器進行模式轉換，可以在port2端口輸出TM01模。

圓波導彎折部分的彎折半徑r2分別取52.35 mm，62.35 mm，72.35mm，采用CST軟件進行仿真，并將仿真后的實驗數(shù)據(jù)導入origin軟件進行繪圖，截取TE11-TM01模式轉換效率80.0%以上的曲線，得到不同彎折半徑r2下的彎折式圓波導TE11-TM01模式轉換效率如圖6所示。

圖6 不同彎折半徑下的彎折式圓波導TE11-TM01模式轉換效率

從圖6可以看出，隨著彎折部分的彎折半徑r2的增大，彎折式圓波導TE11-TM01轉換效率不斷提高，同時對應的工作波長會變長，即中心頻率降低。因此，在模式轉換的過程中，彎折部分的彎折半徑r2對彎折式圓波導TE11-TM01模式轉換器的轉換效率和中心頻率均產生影響。

十字型金屬板長度d分別取42 mm，52 mm，62 mm，72 mm和82 mm時，采用CST軟件進行仿真，并將仿真后的實驗數(shù)據(jù)導入origin軟件進行繪圖，截取TE11-TM01模式轉換效率90.0%以上的曲線，得到不同十字型金屬板長度下的彎折式圓波導TE11-TM01轉換效率如圖7所示。

圖7 不同十字型金屬板長度下的彎折式圓波導TE11-TM01轉換效率

從圖7可以看出，隨著十字型金屬長度d的增加，TE11-TM01轉換效率90.0%以上的帶寬變窄的同時，TE11-TM01轉換效率90.0%以上的頻帶發(fā)生左移，說明十字型金屬插板的長度對彎折式圓波導TE11-TM01模式轉換的轉換效率90.0%以上的帶寬有影響。

將本文中的改變十字形金屬板長度后所對應轉換效率和頻率的數(shù)據(jù)進行整理，得出的不同十字型金屬板長度d下的TE11-TM01模式轉換效率和頻率如表1所示。

表1 不同十字型金屬板長度d下的轉換效率和頻率

從表1可以看出，轉換效率隨著金屬板長度增加，轉換效率逐漸變大。說明十字型金屬插板的長度對彎折式圓波導TE11-TM01模式轉換的轉換效率有影響。

將本文設計的彎折式圓波導TE11-TM01模式轉換器與其他文獻中不同結構的同類高功率模式轉換器進行對比，結果如表2所示。

表2 不同結構的彎折式圓波導TE11-TM01模式轉換器對比

本文在模型設計和分析過程中，應用共軸模式轉換器設計理論[15]，針對微波高階模式耦合[16]、相位控制[17]以及高級模式抑制展開研究和分析，設計的彎折式圓波導TE11-TM01模式轉換器具有高功率容量、高轉換效率，且機械加工精度要求較低。

3 結束語

根據(jù)高功率微波系統(tǒng)對圓波導TE11-TM01模式轉換器提出的高功率容量、高傳輸效率、模型小型化等設計要求，本文設計了一款彎折式圓波導TE11-TM01模式轉換器，提高了模式轉換效率，在高功率條件下具有較高的功率容量。驗證實驗發(fā)現(xiàn)，適當增加彎折部分的彎折半徑和十字型金屬插板的長度能提高TE11-TM01的模式轉換效率。但是，TE11-TM01模式轉換效率在90.0%以上時的帶寬較窄，后續(xù)計劃采用聚四氟乙烯等新型材料進行帶寬的擴展。