CN115693073A - 一种宽带低损耗的te10-te20模式转换器 - Google Patents

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CN115693073A CN202211426713.5A CN202211426713A CN115693073A CN 115693073 A CN115693073 A CN 115693073A CN 202211426713 A CN202211426713 A CN 202211426713A CN 115693073 A CN115693073 A CN 115693073A
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Abstract

本发明公开一种宽带低损耗的TE10‑TE20模式转换器，属于毫米波器件技术领域，包括长方体匹配结构，钉床结构，共下底面并依次连接的输入E面矩形波导、渐变波导和输出H面宽波导；模式转换器沿输出H面宽波导上底面被剖分为上腔体和下腔体；输入E面矩形波导被剖分为两半，分别位于上、下腔体；渐变波导包括分别位于上、下腔体的渐变减高波导和渐变拓宽波导；长方体匹配结构位于渐变拓宽波导下底面对称轴，与输出H面宽波导邻接；钉床结构设于渐变拓宽波导、输出H面宽波导的两侧，输入E面矩形波导与渐变拓宽波导的连接处外侧。本发明有效拓展模式转换的工作带宽，缩短路径长度，具有结构简单紧凑、易于组装、宽带工作和低损耗的优点。

Description

一种宽带低损耗的TE10-TE20模式转换器
技术领域
本发明属于毫米波器件技术领域，具体涉及一种宽带低损耗的TE10-TE20模式转换器。
背景技术
对于各种微波/毫米波波导系统，如低损耗传输系统、功率合成系统、大功率电子器件、微波加热系统和超高功率射频系统，通常需要激发所需波导模式，或将一种波导模式转换为另一种波导模式。其中，TE10-TE20模式转换器是一种重要的模式转换器，常被用作圆波导的高次模合成器和基于矩形波导的空间功率合成器。
在波导发展的早期，通过耦合孔和短路活塞实现TE10-TE20的模式转换，由于这些模式转换器利用了单模波导的TE102模式谐振，因此带宽很窄。对于锥形结构的TE10-TE20模式转换器，由于TE10模式需要平缓细长的结构才能高效转变为TE20模式，因此所需电路长度非常长。采用弯曲矩形波导和切角实现的TE10-TE20模式转换，尽管结构紧凑，但模式转换效率和工作带宽方面仍有改进的空间。还有输入输出波导垂直的模式转换器，由于其波导方向不在同一直线上，因而增加了制造装配难度。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种宽带低损耗的TE10-TE20模式转换器，拓展模式转换的工作带宽的同时，有效缩短模式转换电路长度，具有结构简单紧凑、易于组装、宽带工作和低损耗的优点。
本发明所采用的技术方案如下：
一种宽带低损耗的TE10-TE20模式转换器，其特征在于，包括共下底面并依次连接的输入E面矩形波导、渐变波导和输出H面宽波导，还包括长方体匹配结构和钉床结构；
所述TE10-TE20模式转换器为平面对称结构，沿着输出H面宽波导的上底面被剖分为上腔体和下腔体；
所述输入E面矩形波导被剖分为两半，分别位于上腔体和下腔体；
所述渐变波导包括位于上腔体的渐变减高波导，以及位于下腔体的渐变拓宽波导；
所述长方体匹配结构位于渐变拓宽波导的下底面对称轴上，并与输出H面宽波导邻接；
所述钉床结构设置于渐变拓宽波导、输出H面宽波导的两侧，以及输入E面矩形波导与渐变拓宽波导的连接处外侧。
进一步地，所述输入E面矩形波导为截面长宽比2:1的标准矩形波导；所述输出H面宽波导的截面长宽比为4:1。
进一步地，所述渐变减高波导的长度为1.5～1.7倍波长，两端的高度比为3:1；所述渐变拓宽波导的长度为1.2-1.8倍波长，两端的宽度比为1:4。
进一步地，所述长方体匹配结构的长度为渐变拓宽波导的长度的
Figure BDA0003943010070000021
宽度为
Figure BDA0003943010070000022
倍波长，高度为渐变拓宽波导的高度的
Figure BDA0003943010070000023
进一步地，所述钉床结构包括至少两排方钉，内排方钉与对应的波导壁对齐。
进一步地，所述钉床结构还设置在输入E面矩形波导两侧，与渐变拓宽波导的连接处距离
Figure BDA0003943010070000024
波长位置处，包括至少一排方钉。
进一步地，所述方钉的高度和周期均为
Figure BDA0003943010070000025
倍波长。
本发明所述宽带低损耗的TE10-TE20模式转换器的工作原理为：
输入E面矩形波导中传输主模TE10模式，传输至渐变波导时，随着渐变减高波导的波导高度逐渐降低，TE10模的传输条件被打破，迫使TE10模式向其他模式转变；而渐变拓宽波导的宽度同步增加，为TE10模转换为TE20模提供了条件，当渐变拓宽波导的宽度增加到满足TE20模的传输条件后，TE10模被完全转换为TE20模；长方形匹配结构的加入有助于实现高效、宽带的模式转换；渐变波导的结构简单且对称，使得模式转换纯度较高；
由于输出H面宽波导的上底面被剖分，当存在剖分缝隙时，由于钉床结构的存在，波导剖面形成高阻表面，特定频率范围的电磁波无法向四周传播，从而降低了波导剖分缝隙的传输损耗，由于上腔体与下腔体的组装表面允许存在缝隙，因此降低了对加工精度和组装误差的要求。
本发明的有益效果为：
本发明提出一种宽带低损耗的TE10-TE20模式转换器，利用由渐变减高波导和渐变拓宽波导构成的渐变波导实现模式转换，通过在其中设置长方体匹配结构，有效拓展模式转换的工作带宽，缩短路径长度；并通过设置阵列排布的钉床结构，有效降低装配难度和波导剖分导致的电磁泄露损耗，从而简化安装过程，降低传输损耗。本发明具有结构简单紧凑、易于组装、宽带工作和低损耗的优点。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的宽带低损耗的TE10-TE20模式转换器的三维结构图；
图2为本发明实施例1提供的宽带低损耗的TE10-TE20模式转换器的俯视图；
图3为本发明实施例1提供的宽带低损耗的TE10-TE20模式转换器的正视图；
图4为本发明实施例1提供的宽带低损耗的TE10-TE20模式转换器的左视图；
图5为本发明实施例1提供的宽带低损耗的TE10-TE20模式转换器的右视图；
图6为本发明实施例1提供的宽带低损耗的TE10-TE20模式转换器在220GHz频率下的电场分布图；
图7为本发明实施例1提供的宽带低损耗的TE10-TE20模式转换器，分别有/无匹配立方体时，应用于WR-4.3波导频段的S参数仿真结果对比图；
附图中各标记的说明如下：
1：上腔体；2：下腔体；3：输入E面矩形波导；41：渐变拓宽波导；42：渐变减高波导；5：输出H面宽波导；6：长方体匹配结构；7：钉床结构。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图与实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供了一种工作在170～260GHz频段的宽带低损耗的TE10-TE20模式转换器，结构如图1～5所示，包括共下底面并依次连接的输入E面矩形波导3、渐变波导和输出H面宽波导5，还包括长方体匹配结构6和钉床结构7；
所述TE10-TE20模式转换器为平面对称结构，沿着输出H面宽波导5的上底面被剖分为上腔体1和下腔体2；
所述输入E面矩形波导3被剖分为两半，分别位于上腔体1和下腔体2；
所述渐变波导包括位于上腔体1的渐变减高波导42，以及位于下腔体2的渐变拓宽波导41；
所述长方体匹配结构6位于渐变拓宽波导41的下底面对称轴上，并与输出H面宽波导5邻接；
所述钉床结构7设置于渐变拓宽波导41、输出H面宽波导5的两侧，以及输入E面矩形波导3与渐变拓宽波导41的连接处外侧，每一侧的钉床结构7均有两排方钉，内排方钉与对应的波导壁对齐；所述钉床结构7还设置在输入E面矩形波导3两侧，与渐变拓宽波导41的连接处距离
Figure BDA0003943010070000041
波长位置处，具有一排方钉。
本实施例中，所述输入E面矩形波导3为WR-4.3型号的标准矩形波导，截面长宽为1.092mm×0.546mm；所述输出H面宽波导5的截面长宽为2.184mm×0.546mm；所述渐变减高波导42的长度为1.876mm，两端的高度分别为0.546mm和0.184mm；所述渐变拓宽波导41的长度为1.75mm，两端的宽度分别为0.546mm和2.184mm；所述长方体匹配结构6的长度为0.546mm，宽度为0.345mm，高度为0.156mm；所述方钉的高度为0.32mm，边长为0.2mm，钉床结构7的周期为0.4mm。
进一步地，为便于加工制造，所述渐变减高波导42的的内直角倒圆角0.1mm。
本实施例采用三维电磁仿真软件对宽带低损耗的TE10-TE20模式转换器的尺寸进行精确设计。为便于验证本实施例的低损耗过渡性能，将所提出的宽带低损耗的TE10-TE20模式转换器应用于WR-4.3波导对应的170～260GHz频段进行仿真；为准确模拟实际装配中上腔体与下腔体连接不紧密的情况，上腔体1与下腔体2的水平接触面之间预留了0.01mm的缝隙。
仿真电场分布如图6所示，可见TE10-TE20模式转换器较好的实现TE10模到TE20模的模式转换，且波导(输入E面矩形波导3、渐变拓宽波导41、输出H面宽波导5)中的电场被有效束缚在内排方钉与波导内部，空气缝隙未造成电磁泄露。
分别对本实施例提出的含有长方体匹配结构6的TE10-TE20模式转换器，与不含有长方体匹配结构6的TE10-TE20模式转换器进行S参数仿真，结果如图7所示，在174～254GHz的工作频率下，含有长方体匹配结构6的TE10-TE20模式转换器的输入回波损耗超过20dB，插入损耗低于0.05dB，模式转换效率高达98.86％，相对带宽为37.3％，表明在同等尺度下，含有长方体匹配结构6的TE10-TE20模式转换器的回波损耗、插入损耗及工作带宽等指标均得到优化提升，证明长方体匹配结构6对器件性能提升的有效性。
综上所述，本实施例提出的宽带低损耗的TE10-TE20模式转换器，引入长方体匹配结构，拓展了工作带宽；波导剖面允许存在缝隙，降低了加工和装配精度的要求，具有结构简单紧凑、易于组装、宽带工作和低损耗的优点。
上述实施例仅说明本发明的原理及优点，而非用于限制本发明，仅为帮助理解本发明原理，本发明保护范围亦不限于上述的配置和实施例，本领域技术人员可以根据公开技术做出不脱离本发明实质的其他各种具体变形与组合，但仍在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种宽带低损耗的TE10-TE20模式转换器，其特征在于，包括共下底面并依次连接的输入E面矩形波导、渐变波导和输出H面宽波导，还包括长方体匹配结构和钉床结构；
所述TE10-TE20模式转换器为平面对称结构，沿着输出H面宽波导的上底面被剖分为上腔体和下腔体；
所述输入E面矩形波导被剖分为两半，分别位于上腔体和下腔体；
所述渐变波导包括位于上腔体的渐变减高波导，以及位于下腔体的渐变拓宽波导；
所述长方体匹配结构位于渐变拓宽波导的下底面对称轴上，并与输出H面宽波导邻接；
所述钉床结构设置于渐变拓宽波导、输出H面宽波导的两侧，以及输入E面矩形波导与渐变拓宽波导的连接处外侧。
2.根据权利要求1所述宽带低损耗的TE10-TE20模式转换器，其特征在于，所述输入E面矩形波导的截面长宽比为2:1，所述输出H面宽波导的截面长宽比为4:1。
3.根据权利要求1所述宽带低损耗的TE10-TE20模式转换器，其特征在于，所述渐变减高波导的长度为1.5～1.7倍波长，两端的高度比为3:1；所述渐变拓宽波导的长度为1.2-1.8倍波长，两端的宽度比为1:4。
4.根据权利要求1所述宽带低损耗的TE10-TE20模式转换器，其特征在于，所述长方体匹配结构的长度为渐变拓宽波导的长度的
Figure FDA0003943010060000011
宽度为
Figure FDA0003943010060000012
倍波长，高度为渐变拓宽波导的高度的
Figure FDA0003943010060000013
5.根据权利要求1所述宽带低损耗的TE10-TE20模式转换器，其特征在于，所述钉床结构包括至少两排方钉，内排方钉与对应的波导壁对齐。
6.根据权利要求5所述宽带低损耗的TE10-TE20模式转换器，其特征在于，所述钉床结构还设置在输入E面矩形波导两侧，与渐变拓宽波导的连接处距离
Figure FDA0003943010060000014
波长位置处，包括至少一排方钉。
7.根据权利要求6所述宽带低损耗的TE10-TE20模式转换器，其特征在于，所述方钉的高度和周期均为
Figure FDA0003943010060000015
倍波长。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116169445A (zh) * 2023-03-22 2023-05-26 电子科技大学 一种宽带的矩形波导te20模极化扭转器

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