220GHz TE10-TE01側(cè)壁耦合模式轉(zhuǎn)換器的研究

喬益民 蘭 峰

（電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院，四川 成都 610054）

根據(jù)耦合方式的不同，產(chǎn)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(dǎo)結(jié)構(gòu)，把波逐步轉(zhuǎn)換為需要的模式，其轉(zhuǎn)換所需的傳輸長度通常較長而且在轉(zhuǎn)換過程中容易產(chǎn)生噪聲模式，優(yōu)點(diǎn)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(zhuǎn)換器，扇形轉(zhuǎn)換器等?！皊idewall”型是使用在波導(dǎo)壁具有耦合孔的平滑波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，耦合孔徑相對較小，孔徑太大會破壞被連接器件中的場結(jié)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)的TE10-TE01模式轉(zhuǎn)換器，如圖1所示。采用“sidewall”型側(cè)壁耦合,達(dá)到了矩形波導(dǎo)TE10模到圓波導(dǎo)TE01模之間的高效轉(zhuǎn)換，通過調(diào)節(jié)和優(yōu)化參數(shù)，有效抑制其他模式，使模式得到高效轉(zhuǎn)換。并對模型進(jìn)行加工以及實(shí)驗(yàn)測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果基本吻合。

圖1 TE10--TE01側(cè)壁耦合模式轉(zhuǎn)換器

1 基本模型

該模式轉(zhuǎn)換器由兩部分組成：一是輸入結(jié)構(gòu)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(lián)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(dǎo)側(cè)壁注入時在圓周方向逆時針方向旋轉(zhuǎn)，依次成90度變化。

二是圓波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)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(cè)壁開孔的圓波導(dǎo)，在圓波導(dǎo)內(nèi)激勵起TE01模并在端口2輸出,圓波導(dǎo)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(jié)構(gòu)功分器部分 （b）圓波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換部分

由于本文設(shè)計(jì)的模式轉(zhuǎn)換器的工作頻率為 220GHz,在實(shí)際設(shè)計(jì)中選取的矩形波導(dǎo)型號為BJ2200 WR4，即矩形波導(dǎo)寬邊為1.09mm，窄邊為0.546mm。

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

2 優(yōu)化仿真

采用CST三維仿真軟件，通過計(jì)算機(jī)模擬，對這種模式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選擇，在波導(dǎo)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(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)時，先將邊界條件設(shè)置為理想電邊界。在210GHz-230GHz的頻段范圍進(jìn)行掃頻分析，圓波導(dǎo)側(cè)壁開口的矩形波導(dǎo)長度設(shè)為a，波導(dǎo)高度為1.09mm與標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)保持一致，側(cè)壁開口寬度為變量b，通過90度轉(zhuǎn)角接入Y型功分器結(jié)構(gòu)的接入寬度為 c。圓波導(dǎo)截至端同樣設(shè)置為變量，圓波導(dǎo)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(dǎo)連接功分器的寬度為 e。在綜合考慮模式轉(zhuǎn)換效率與工作帶寬的基礎(chǔ)上，仿真優(yōu)化得到了各參數(shù)的最優(yōu)值，如下表所示：

表1 模型各參數(shù)優(yōu)化值

3 仿真結(jié)果

作為一雙端口網(wǎng)絡(luò)，利用S參數(shù)的幅值與頻率關(guān)系來確定該變換耦合結(jié)構(gòu)的模式轉(zhuǎn)換效率、反射系數(shù)和帶寬特性。通過模擬計(jì)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(yōu)化后TE01模式的S21傳輸曲線和S11反射曲線。

圖4 優(yōu)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(nèi)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(xì)則代表電場的大小，箭頭密且粗的地方代表電場較強(qiáng)的區(qū)域，而箭頭細(xì)且疏的地方代表電場較弱的區(qū)域。圖中的兩幅電場矢量圖表明，TE10經(jīng)過模式轉(zhuǎn)換器形成了較明顯的TE01模。

矩形波導(dǎo)TE10模經(jīng)輸入端口注入轉(zhuǎn)換成TE01模以及其他噪聲模式。轉(zhuǎn)換效率定義為TE01模的輸出功率與TE10模輸入功率之比?？梢钥吹街行念l率處的S21達(dá)到了-0.029dB,轉(zhuǎn)換效率超過99%，轉(zhuǎn)換效率為98.5%以上的帶寬達(dá)到4GHz。在 216GHz頻率處出現(xiàn)大的噪聲峰值，在 210GHz到 230GHz頻帶范圍內(nèi)的噪聲模式的損耗低于-45dB，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 加工以及實(shí)驗(yàn)測試

加工得到的實(shí)物圖如圖所示：

圖6 模式轉(zhuǎn)換器加工模型實(shí)物圖

使用220GHz固態(tài)源和PM4功率計(jì)測試模式轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率，由于受加工精度的制約，測試系統(tǒng)的插入損耗以及波導(dǎo)內(nèi)壁的粗糙度造成的歐姆損耗較大，實(shí)驗(yàn)測得在219.5GHz處的轉(zhuǎn)換效率為42.3%，滿足工程需求。圖7(a)所示：

圖7 （a）實(shí)驗(yàn)所測的模式轉(zhuǎn)換效率 (b)在離輸出端3cm處測得的近場方向圖

在模式轉(zhuǎn)換器的輸出端接入由半徑 ?=0.9mm到半徑?= 5mm的圓波導(dǎo)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(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換出來的主要模式為TE01模，與模擬結(jié)果吻合。

5 結(jié)論

本文對TE10-TE01側(cè)壁耦合模式轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了CST計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬。通過合理的尺寸優(yōu)化，有效的實(shí)現(xiàn)了 TE10到TE01間的模式轉(zhuǎn)換，220GHz中心頻率處的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了99%以上，轉(zhuǎn)換效率為98.5%以上的帶寬達(dá)到4GHz。對該模式轉(zhuǎn)換器進(jìn)行加工測試，使用220GHz固態(tài)源和PM4功率計(jì)測試模式轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率，考慮實(shí)驗(yàn)誤差，實(shí)驗(yàn)測得在219.5GHz處的轉(zhuǎn)換效率為42.3%，滿足工程需求。

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