S波段矩形波导TE10-圆波导TM_(01)模式转换器的研究

为满足S波段高功率微波在线测量时对圆波导耦合器进行标定的需求,本文研制了一种高转换效率的S波段矩形波导TE10模式转圆波导TM_(01)模式的模式转换器。采用CST软件对模式转换器的结构进行了仿真和优化设计,并从频域和时域两方面对所研制的模式转换器的性能进行了测量。频域方面的仿真和测量结果表明,模式转换器的工作中心频点位于2.1 GHz处,在工作带宽60 MHz范围内,S11<-20 dB,S21>-0.1 dB。时域方面的仿真和测量表明,模式转换器具有较好的脉冲响应,可以应用于脉冲宽度为几十纳秒以上的工作场合。频域和时域两方面的测量都表明,在2.1GHz处,模式转换器的插损小于0.1 dB,表明该模式转换器的转换效率较高。以本文研制的模式转换器为核心,配以商品化的波导同轴转换器后,研制的圆波导TM_(01)模式激励器已经成功用于圆波导耦合器的性能标定之中。

V波段圆波导TE_(01)模式激励器

V波段圆波导TE01模式激励器由矩形TE10模式到矩形TE20模式变换器和矩形TE20模式到圆波导TE01模式变换器组成。采用H面(磁面)转弯激励的方式实现矩形TE10模式到矩形TE20模式的变换;根据圆波导TE01模式的场分布特性,引入过模波导实现了矩形TE20到圆波导TE01的变换。计算结果表明设计的激励器转换效率在95%以上;模式纯度在98%以上的相对带宽可达4.2 GHz;其中在43.4 GHz处的最大转换效率为99.08%,纯度为99.20%。

一种紧凑的圆波导TE_(01)模式激励器

提出了一种基于微带结构的K波段圆波导TE01模式的激励器。该激励器由四个微带贴片单元环形排列组成,通过设计合理的馈电网络实现TE01模式的辐射。运用HFSS电磁仿真工具分析了该激励器在圆波导中对TE01模式电磁波的激励情况,并设计了一个微波传输损耗测量实验来验证TE01模式激励的有效性。

圆波导TE01模激励器设计及实验研究

对比分析了几种可输出圆波导TE_(01)模激励器的仿真设计结果。结果表明,利用行波功分结构实现矩形波导TE_(10)模到4路矩形波导TE_(10)模的等幅同相功分,进而合成转换成圆波导TE_(01)模的转换过程,可在较宽的频带范围内,实现圆波导TE_(01)模的高效激励。以中心频率9.40GHz仿真设计的圆波导TE_(01)模激励器,在中心频率上的传输效率超过99.9%;在9.08~9.61GHz的频率范围内,传输效率大于99%。实验测量结果表明,所加工激励器在较宽的频带范围内,传输损耗优于-0.2dB,与仿真结果的差异主要来自于波导壁面的欧姆损耗和波同转换结构;器件工作频带内平坦特性良好,有利于开展测量工作。

异型截面波导模式变换技术

异型截面波导具有特殊的模式传输特性,理论上能够扩展现有的变模技术,推动多频点、宽带宽和紧凑化模式变换器的发展。但由于其结构复杂,难以通过数学方法直接获得准确描述模式耦合过程的解析表达,从而抑制了此类技术的发展。从麦克斯韦方程组出发,重新推导并给出了基于矢量波形函数的弯曲波导耦合波方程组以及耦合系数的表达式,结合数值求解矢量波形函数的方法即可解决异型波导模式变换器的优化问题。为验证该技术途径的有效性,设计了一个工作在X波段的椭圆波导TM_(01)-TE_(11)模式变换器。仿真与数值计算结果一致,表明该模式变换器变模效率高于95%的带宽为10%,最高转换效率高于99%,较经典的圆波导变模器件有着更好的性能表现。