新型弯折式圆波导高功率TE11-TM01模式转换器

张 浩，何 云，干 莉，胡 随，张忠海

(1.杭州电子科技大学电子信息学院，浙江 杭州 310018；2.盲信号处理国家级重点实验室，四川 成都 610041)

0 引 言

高功率微波传输和发射系统中，为了提高功率容量，一般要求传输系统的圆波导工作于TM01模式，同时，为了产生高效辐射，通常要求圆波导发射天线输入端口工作于TE11模式，因此，在传输系统的输出端和发射天线的输入端之间需要插入从TM01模式到TE11模式的模式转换器。模式转换器一般采用圆波导结构，按输入输出端口是否同轴可划分为同轴[1-2]和不同轴[3-4]两大类，灵活多变，适用于各种工作场景，具有高功率容量、高传输效率、插损小等优点。采用介质填充[5]或多级转弯波导[6-7]可以实现圆波导TE11-TM01模式转换，传输效率高，功率容量大，但结构复杂，对机械加工精度要求较高。在波导内部添加不规则金属导体或插板[8]，再结合波导直角结构进行模式转换，这种模式转换器可以抑制高次模，保证宽频带下的转换效率，但内部存在突变结构，不利于实现高功率容量，同时对加工精度的要求较高。为此，本文采用插板并结合半圆弯折结构，设计了一款新型弯折式圆波导TE11-TM01模式转换器，在高功率条件下实现了TE11-TM01之间的模式转换，结构简单，易于加工。

1 弯折式圆波导TE11-TM01模式转换器

1.1 TE11-TM01模式转换方式

在高功率微波信号传递过程中，各个传输模式的建立与圆波导内部的结构形式密切相关，可以通过改变圆波导内部结构来实现不同传输模式间的转换。本文设计的弯折式圆波导TE11-TM01模式转换器主要通过控制2条半圆波导TE11模传输的相位差来实现模式的转换，主要由输入输出圆波导、中间部分的弯折波导和半圆波导、一字型金属插板和十字型金属插板组成，其平面结构如图1所示。

图1 弯折式圆波导TE11-TM01模式转换器结构平面图

图2 波导各截面模式电场变化图

示。

1.2 模式转换器波导及内部结构参数设计

只有当电磁波的工作波长小于相应模式的截止波长时，才可以在波导中建立并传播该模式的电磁波。圆波导中TE11模和TM01模都是常见的典型模式，其截止波长分别为[9-11]：

(1)

微波信号在圆波导内进行模式转换时，还应该考虑半圆波导的弯折部分和直线部分的相位差，CC′端为等幅相反的TE11模，经过弯折部分在DD′端合成为相同相位的TM01模，对相位差的要求为[12]：

Κ(L1-L2)=π

(2)

即

(3)

式中，K为半圆波导TE11模的相位常数，L1和L2分别为弯折半圆波导部分和直线半圆波导部分的长度，λ为弯折式圆波导TE11-TM01模式转换器工作的工作波长。

(4)

2 仿真实验与分析

将本文设计的弯折式圆波导TE11-TM01模式转换器在CST仿真软件中进行实验，采用频域求解器进行仿真，并将仿真后的实验数据导入origin软件进行绘图，截取TE11-TM01模式转换效率90%以上的曲线，结果如图3所示。

图3 弯折式圆波导TE11-TM01模式转换效率随频率的变化曲线

从图3可以看出，频率为8.254 GHz时，由TE11模式转换为TM01模式的转换效率最大，由TE11模式转换为TM01模式的转换效率为98.4%；弯折式圆波导TE11-TM01模式转换器TE11-TM01模式转换效率大于90.0%的带宽为80.5 MHz。

在CST仿真软件中设置port1端口的输入功率为0.5 W时，弯折式圆波导TE11-TM01模式转换器工作时的场强分布情况如图4所示。

图4 弯折式圆波导TE11-TM01模式转换器整体场强图

从图4可以看出，弯折式圆波导TE11-TM01模式转换器中最大的场强为2 865.41 V/m。空气间隙的击穿场强为3 MV/m[13]，通过计算可以得到此时的弯折式圆波导TE11-TM01模式转换器功率容量为2 MW。此外，当弯折式圆波导TE11-TM01模式转换器中填充SF6气体时，其击穿场强为11 MV/m[14]，通过计算得到弯折式圆波导TE11-TM01模式转换器的功率容量为8 MW。

在CST仿真软件中设置port1端口的输入功率为0.5 W时，弯折式圆波导TE11-TM01模式转换器的port1端口和port2端口的场强分布情况如图5所示。

图5 弯折式圆波导TE11-TM01模式转换器的port1端口和port2端口电场场强分布图

从图5可以看出，port1端口截面的最大电场场强为838.888 V/m，port2端口截面的最大电场场强为466.89 V/m。其中，图5(a)为port1输入端口的模式电场场强截面图，其电场场强分布为TE11模形式。图5(b)为port2输出端口的模式电场场强截面图，其电场场强分布为TM01模形式。即可说明在port1端口输入TE11模，经过弯折式圆波导TE11-TM01模式转换器进行模式转换，可以在port2端口输出TM01模。

圆波导弯折部分的弯折半径r2分别取52.35 mm，62.35 mm，72.35mm，采用CST软件进行仿真，并将仿真后的实验数据导入origin软件进行绘图，截取TE11-TM01模式转换效率80.0%以上的曲线，得到不同弯折半径r2下的弯折式圆波导TE11-TM01模式转换效率如图6所示。

图6 不同弯折半径下的弯折式圆波导TE11-TM01模式转换效率

从图6可以看出，随着弯折部分的弯折半径r2的增大，弯折式圆波导TE11-TM01转换效率不断提高，同时对应的工作波长会变长，即中心频率降低。因此，在模式转换的过程中，弯折部分的弯折半径r2对弯折式圆波导TE11-TM01模式转换器的转换效率和中心频率均产生影响。

十字型金属板长度d分别取42 mm，52 mm，62 mm，72 mm和82 mm时，采用CST软件进行仿真，并将仿真后的实验数据导入origin软件进行绘图，截取TE11-TM01模式转换效率90.0%以上的曲线，得到不同十字型金属板长度下的弯折式圆波导TE11-TM01转换效率如图7所示。

图7 不同十字型金属板长度下的弯折式圆波导TE11-TM01转换效率

从图7可以看出，随着十字型金属长度d的增加，TE11-TM01转换效率90.0%以上的带宽变窄的同时，TE11-TM01转换效率90.0%以上的频带发生左移，说明十字型金属插板的长度对弯折式圆波导TE11-TM01模式转换的转换效率90.0%以上的带宽有影响。

将本文中的改变十字形金属板长度后所对应转换效率和频率的数据进行整理，得出的不同十字型金属板长度d下的TE11-TM01模式转换效率和频率如表1所示。

表1 不同十字型金属板长度d下的转换效率和频率

从表1可以看出，转换效率随着金属板长度增加，转换效率逐渐变大。说明十字型金属插板的长度对弯折式圆波导TE11-TM01模式转换的转换效率有影响。

将本文设计的弯折式圆波导TE11-TM01模式转换器与其他文献中不同结构的同类高功率模式转换器进行对比，结果如表2所示。

表2 不同结构的弯折式圆波导TE11-TM01模式转换器对比

本文在模型设计和分析过程中，应用共轴模式转换器设计理论[15]，针对微波高阶模式耦合[16]、相位控制[17]以及高级模式抑制展开研究和分析，设计的弯折式圆波导TE11-TM01模式转换器具有高功率容量、高转换效率，且机械加工精度要求较低。

3 结束语

根据高功率微波系统对圆波导TE11-TM01模式转换器提出的高功率容量、高传输效率、模型小型化等设计要求，本文设计了一款弯折式圆波导TE11-TM01模式转换器，提高了模式转换效率，在高功率条件下具有较高的功率容量。验证实验发现，适当增加弯折部分的弯折半径和十字型金属插板的长度能提高TE11-TM01的模式转换效率。但是，TE11-TM01模式转换效率在90.0%以上时的带宽较窄，后续计划采用聚四氟乙烯等新型材料进行带宽的扩展。