一种新型的90°弯曲圆波导TE01-TM11模式变换器的设计

2014-10-11 王应娜 电子科技大学物理电子学院

　　在耦合波理论的基础上，对圆波导轴线弯曲结构的TE01-TM11模式变换器进行了理论分析。同时使用MATLAB 编制了迭代法的计算程序，并进行了大量的数值计算和优化，设计出了一种新型的90°弯曲圆波导TE01-TM11模式变换器，并给出该TE01-TM11模式变换器的最优化结构轮廓。数值计算表明该模式变换器的最高转换效率达到99. 55%，转换效率大于95%的带宽超过29%。最后，利用CST 仿真软件对该模式变换器进行了仿真验证，仿真结果与数值计算结果一致性较好。

　　回旋行波管在毫米波段以其高功率、高增益、宽带宽等优点，在高功率毫米波雷达、毫米波通信、电子对抗等方面有着广阔的应用前景，因而在国际上倍受重视。由于，回旋行波管的输出模式一般采用TE02�；騎E01模，是对称非线性极化的高阶体模，其轴向辐射呈现出不理想的空心圆锥状，不利于直接使用，需要进行模式变换。一般波导模式变换器按照以下两种变换方案实现模式变换。

　　(1) TE0n(回旋行波管) -TE01(低损耗传输) -TE11-HE11(天线) ；

　　(2) TE0n(回旋行波管) -TE01(低损耗传输) -TM11-HE11(天线) ；

　　第一个变换序列的模式变换器没有大的弯曲，只需要沿轴线旋转TE01-TE11模式变换器就可改变电磁波的极化方向，非常方便，不过工作频带较窄并且变换器长度较长。第二种变换序列，用TM11模式作为中介极化模，然后再转换为HE11模式向外辐射。目前，TE01-TM11圆波导模式变换器采用常曲率弯曲方法或简单的正弦弯曲方法，文献中介绍了两种方法实现TE01-TM11模式转换，其中常曲率弯曲转换效率达到97. 6%、带宽为34. 2%； 正弦弯曲转换效率达到98. 9%、带宽为32%。但以上变换器弯曲角度均为45° 左右。由于实际应用的需求，需将回旋行波管输出的毫米波从竖直方向转换成水平方向，那么就需要一个90°转头来实现以上输出方向的转变。目前实现90°方向转变的方案主要有2种:①TE01-45°反射镜-TE01-TE11-HE11( 天线) ，该方案存在输出带宽较窄以及变换序列复杂等缺点， 90%转换效率的带宽不到10%； ②TE01-45°TM11-TE01-TE11-HE11( 天线) ，文献对第二种90°弯头进行了研究，其基本思路是将两个45°的弯曲圆波导对接，使得TE01模式先转变为TM11模式，然后再由TM11模式转变为TE01模式；

　　该方法有两个缺点，一是模式变换过程过于复杂会导致能量的损失； 二是模式变换器是两段对接而成，连接处对加工工艺要求较高。本文结合工程应用需求，设计了一种紧凑、高效的新型90°弯曲圆波导TE01-TM11模式变换器。设计出的模式变换器一方面直接实现了波导传播方向90°的转变； 另一方面TE01模式直接转变为TM11模式输出，减少了波导能量的损失并且实现一体化的设计。本文首先在耦合波方程理论的基础上，运用迭代法对90°弯曲圆波导TE01-TM11模式变换器的几何结构及尺寸进行设计、优化分析。最后，利用CST三维仿真软件对设计出的90°弯曲圆波导TE01-TM11模式变换器进行仿真验证，数值计算结果与仿真模拟结果一致性较好。

　　结论

　　本文采用TE0n(回旋行波管) -TE01(低损耗传输) -TM11-HE11(天线) 变换序列，利用迭代法优化设计出了一种新型的TE01-TM1190°弯头模式变换器，简化了横向输出TE01-HE11模式变换系统的复杂度。数值计算和仿真结果表明，设计的90°弯曲圆波导TE01-TM11模式变换器的最高转化效率达到99. 55%，转换效率大于95% 的带宽达到29. 7%。以上研究工作为回旋行波管外接横向输出传输链路-模式变换器系统的设计提供了技术支撑。