乔益民 兰 峰

（电子科技大学物理电子学院，四川 成都 610054）

根据耦合方式的不同，产生 TE01模的方式可以分为两种：“inline”型[2-4]和“sidewall”型[2][3][5[6]，“inline”型是使用变形的波导结构，把波逐步转换为需要的模式，其转换所需的传输长度通常较长而且在转换过程中容易产生噪声模式，优点是耦合孔径横切面大，可以承受大的功率容量，适合于对功率容量有高要求的场合，如波纹转换器，扇形转换器等。“sidewall”型是使用在波导壁具有耦合孔的平滑波导结构，耦合孔径相对较小，孔径太大会破坏被连接器件中的场结构，优点是结构紧凑、转换效率高，是基于场的叠加原理，利用多孔定向耦合的方法。

本文设计的TE10-TE01模式转换器，如图1所示。采用“sidewall”型侧壁耦合,达到了矩形波导TE10模到圆波导TE01模之间的高效转换，通过调节和优化参数，有效抑制其他模式，使模式得到高效转换。并对模型进行加工以及实验测试，实验结果与模拟结果基本吻合。

图1 TE10--TE01侧壁耦合模式转换器

1 基本模型

该模式转换器由两部分组成：一是输入结构功分器部分。TE10模从端口1输入，电磁波通过第一个Y型功分器后分成两路等振幅信号，然后每一路信号再分别通过一个Y型功分器。这样，级联的Y型功分器把输入信号分成四等份，这四路信号在从圆波导侧壁注入时在圆周方向逆时针方向旋转，依次成90度变化。

二是圆波导模式转换部分，通过Y型功分器后分成四路等振幅的信号以特定方向输入侧壁开孔的圆波导，在圆波导内激励起TE01模并在端口2输出,圆波导的一端为输出端，另一端为截至端。如图2所示：

图2 （a）输入结构功分器部分 （b）圆波导模式转换部分

由于本文设计的模式转换器的工作频率为 220GHz,在实际设计中选取的矩形波导型号为BJ2200 WR4，即矩形波导宽边为1.09mm，窄边为0.546mm。

圆波导尺寸的确定：输出端TE01模式的的截至频率应选在 220GHz以下，本文选取 200GHz作为截至频率，根据λc=1.64r[4]，可求得圆波导半径为0.914mm，在仿真优化过程中输出端半径为0.9mm时传输系数和反射系数好于其他值，选取圆波导半径为0.9mm.

2 优化仿真

采用CST三维仿真软件，通过计算机模拟，对这种模式转换结构的参数进行优化选择，在波导段形成的开放腔中的场分布不是理想情况，为了得到比较理想的场分布。在进行参数设计时，先将边界条件设置为理想电边界。在210GHz-230GHz的频段范围进行扫频分析，圆波导侧壁开口的矩形波导长度设为a，波导高度为1.09mm与标准波导保持一致，侧壁开口宽度为变量b，通过90度转角接入Y型功分器结构的接入宽度为 c。圆波导截至端同样设置为变量，圆波导半径为0.6mm，在TE01模式下的截至频率为305GHz。第一级Y型功分器与第二级Y型功分器的连接长度为d。在输入端，矩形波导连接功分器的宽度为 e。在综合考虑模式转换效率与工作带宽的基础上，仿真优化得到了各参数的最优值，如下表所示：

表1 模型各参数优化值

3 仿真结果

作为一双端口网络，利用S参数的幅值与频率关系来确定该变换耦合结构的模式转换效率、反射系数和带宽特性。通过模拟计算获得电场空间分布图，可以直观反映是否在输出端激励起所需要的模式。图3为输出端口处的各模式传输损耗曲线以及输入端口的反射曲线S11。

图3 输出端口的各模式的传输曲线及S11曲线

优化后TE01模式的S21传输曲线和S11反射曲线。

图4 优化后得到的S21传输曲线和S11反射曲线

输入输出端口电场分布图

图5 (a)输入端口TE10模式 (b)输出端口TE01模式

图5给出了输入输出端腔内横截面的电场分布情况。图中的箭头方向表示电场矢量方向，粗细则代表电场的大小，箭头密且粗的地方代表电场较强的区域，而箭头细且疏的地方代表电场较弱的区域。图中的两幅电场矢量图表明，TE10经过模式转换器形成了较明显的TE01模。

矩形波导TE10模经输入端口注入转换成TE01模以及其他噪声模式。转换效率定义为TE01模的输出功率与TE10模输入功率之比。可以看到中心频率处的S21达到了-0.029dB,转换效率超过99%，转换效率为98.5%以上的带宽达到4GHz。在 216GHz频率处出现大的噪声峰值，在 210GHz到 230GHz频带范围内的噪声模式的损耗低于-45dB，满足设计要求。

4 加工以及实验测试

加工得到的实物图如图所示：

图6 模式转换器加工模型实物图

使用220GHz固态源和PM4功率计测试模式转换器的转换效率，由于受加工精度的制约，测试系统的插入损耗以及波导内壁的粗糙度造成的欧姆损耗较大，实验测得在219.5GHz处的转换效率为42.3%，满足工程需求。图7(a)所示：

图7 （a）实验所测的模式转换效率 (b)在离输出端3cm处测得的近场方向图

在模式转换器的输出端接入由半径 ϕ=0.9mm到半径ϕ= 5mm的圆波导过渡器，在离过渡器输出端3cm处测得近场方向图，如图7(b)所示，可以证明模式转换器转换出来的主要模式为TE01模，与模拟结果吻合。

5 结论

本文对TE10-TE01侧壁耦合模式转换器进行了CST计算机数值模拟。通过合理的尺寸优化，有效的实现了 TE10到TE01间的模式转换，220GHz中心频率处的转换效率达到了99%以上，转换效率为98.5%以上的带宽达到4GHz。对该模式转换器进行加工测试，使用220GHz固态源和PM4功率计测试模式转换器的转换效率，考虑实验误差，实验测得在219.5GHz处的转换效率为42.3%，满足工程需求。

[1] 采朱敏,罗积润.用矩形到同轴扇形渐变 TE10-TE01模式变换器带宽特性的研究[J].电子与信息学报,2007.

[2] 于新华.高功率毫米波模式变换和传输关键技术的研究[M].电子科技大学博士论文,2010.

[3] Ching-Fang Yu and Tsun-Hsu Chang“High-Performance Circular TE01-Mode Converter”Member,IEEE.

[4] M.J.Buckley and R. J. Vernon,“Compact quasi-periodic and aperi-odic TE0n mode converters in overmoded circular waveguides for use with gyrotrons,” IEEE Trans.Microw.Theory Tech,vol.38,no.6,pp.712–721,Jun. 1990.

[5] W.Wang,Y.Gong,G.Yu, L.Yue,and J.Sun,“Mode discriminator based on mode-selective coupling,” IEEE Trans.Microw.Theory Tech.,vol. 51,no.1,pp.55-63,Jan. 2003.

[6] F.Sporleder and H. G. Unger, Waveguide Tapers Transitions and Couplers.New York: Peregrinus,1979, ch.7.

[7] 陈仕虎,焉杨.回旋返波管输出结构仿真与设计[J].大众科技,2010

[8] 向端燕.Y型功分器与波分器的研究[M].上海交通大学硕士论文,2006.