CN116169445A - 一种宽带的矩形波导te20模极化扭转器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种宽带的矩形波导TE20模极化扭转器，属于毫米波器件技术领域，包括依次连接的E面过模波导、渐变波导和H面过模波导；渐变波导包括彼此正交的渐变减高波导和渐变拓宽波导，二者的始端位于同一截面，终端位于同一截面；渐变波导关于E面过模波导的传输中心面对称，关于H面过模波导的传输中心面对称。本发明利用渐变波导实现TE20模极化扭转转换，结构简单、对称，模式转换纯度较高，有助于拓展极化扭转的工作带宽，缩短路径长度；优选地，当渐变减高波导的终端与H面过模波导存在高度差，渐变拓宽波导的始端与E面过模波导存在宽度差时，可显著改善低频端的转换效率，提升频带过渡效果。

Description

一种宽带的矩形波导TE20模极化扭转器
技术领域
本发明属于毫米波器件技术领域，具体涉及一种宽带的矩形波导TE20模极化扭转器。
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，通常需要将一种波导模式转换为另一种波导模式，或进行极化扭转。波导极化扭转器的作用是使波导模式实现90°扭转，当E面波导与H面波导相连时，使用极化扭转器完成互联，能有效增加系统设计灵活度，降低结构复杂度和插入损耗。
矩形波导TE20模是矩形波导中的第二个模式，常被用作圆波导的高次模合成器，用于漏波天线阵列以简化结构，降低欧姆损耗和制造成本，用于基于矩形波导的固态功率合成以提高隔离度等。目前，基于波导TE20模的模式转换器、E面功率分配器/耦合器、E面矩形波导-微带过渡等结构均有报道，但关于TE20模极化扭转器的研究还处于空白状态，这对于包含H面波导结构的系统使用不便，如漏波天线阵列。因此，从一定程度上阻碍了毫米波TE20模电路与系统的发展。
发明内容
本发明目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种宽带的矩形波导TE20模极化扭转器，可以实现TE20模式的90°极化扭转，具有结构简单紧凑、宽带工作和高效转换的优点。
本发明所采用的技术方案如下：
一种宽带的矩形波导TE20模极化扭转器，其特征在于，包括依次连接的E面过模波导、渐变波导和H面过模波导；所述渐变波导包括彼此正交的渐变减高波导和渐变拓宽波导，二者(渐变减高波导和渐变拓宽波导)的始端位于同一截面，终端位于同一截面；所述渐变波导关于E面过模波导的传输中心面对称，关于H面过模波导的传输中心面对称。
进一步地，所述E面过模波导和H面过模波导均为矩形波导，截面长宽比均为4:1，且二者彼此正交。
进一步地，所述渐变波导的渐变长度为波长的1.2～1.8倍。
进一步地，所述渐变减高波导的始端与E面过模波导邻接重合，终端的高度高于H面过模波导，且单侧高度差为波长的
Figure BDA0004137956670000011
进一步地，所述渐变拓宽波导的始端的宽度宽于E面过模波导，且单侧宽度差为波长的
Figure BDA0004137956670000012
终端与H面过模波导邻接重合。
本发明所述宽带的矩形波导TE20模极化扭转器的工作原理为：
当E面过模波导中的TE20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，TE20模的传输条件被打破，迫使E面的TE20模进行模式转变；而渐变拓宽波导的宽度同步增加，为E面的TE20模转换为H面的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，完成E面TE20模至H面TE20模的极化扭转转换。
本发明的有益效果为：
本发明提出了一种宽带的矩形波导TE20模极化扭转器，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TE20模极化扭转转换，结构简单、对称，模式转换纯度较高，并且有助于拓展极化扭转的工作带宽，缩短路径长度；优选地，当渐变减高波导的终端与H面过模波导存在高度差，渐变拓宽波导的始端与E面过模波导存在宽度差时，可显著改善低频端的转换效率，提升频带过渡效果。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的宽带的矩形波导TE20模极化扭转器的三维结构图；
图2为本发明实施例1提供的宽带的矩形波导TE20模极化扭转器的俯视图；
图3为本发明实施例1提供的宽带的矩形波导TE20模极化扭转器的正视图；
图4为本发明实施例1提供的宽带的矩形波导TE20模极化扭转器在220GHz频率下的电场分布图；
图5为本发明实施例1和实施例2提供的宽带的矩形波导TE20模极化扭转器应用于170～270GHz频率范围的S参数仿真结果对比图；
附图中各标记的说明如下：
11：E面过模波导；12：H面过模波导；21：渐变减高波导；22：渐变拓宽波导。
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170～270GHz频段的宽带的矩形波导TE20模极化扭转器(有台阶情形)，结构如图1～3所示，包括依次连接的E面过模波导11、渐变波导和H面过模波导12。
所述E面过模波导11和H面过模波导12均为矩形波导，二者彼此正交，尺寸相同，截面尺寸均为2.184mm×0.546mm。
所述渐变波导由彼此正交的渐变减高波导21和渐变拓宽波导22构成，渐变减高波导21的始端与渐变拓宽波导22的始端位于同一截面，渐变减高波导21的终端与渐变拓宽波导22的终端位于同一截面。
所述渐变减高波导21的始端与E面过模波导11邻接重合，终端的高度高于H面过模波导12，单侧高度差为0.104mm。
所述渐变拓宽波导22的始端的宽度宽于E面过模波导11，单侧宽度差为0.104mm，终端与H面过模波导12邻接重合。
所述渐变波导的渐变长度为2.13mm，中心截面呈十字形，且渐变波导关于E面过模波导11的传输中心面对称，关于H面过模波导12的传输中心面对称。
实施例2
本实施例提供了一种工作在170～270GHz频段的宽带的矩形波导TE20模极化扭转器(无台阶情形)，结构与实施例1相比，区别仅在于：所述渐变减高波导21的终端的高度与H面过模波导12相同，渐变拓宽波导22的始端的宽度与E面过模波导11相同，均为0.546mm；其他结构与尺寸均相同。
实施例1与实施例2采用三维电磁仿真软件对宽带的矩形波导TE20模极化扭转器的尺寸进行精确设计，为便于验证转换性能，将所提出的矩形波导TE20模极化扭转器应用于170～270GHz频段进行仿真。
实施例1的矩形波导TE20模极化扭转器的电场分布如图4所示，可见矩形波导TE20模极化扭转器可以较好的实现E面TE20模到H面TE20模的极化扭转。
实施例1与实施例2的矩形波导TE20模极化扭转器的S参数结果对比如图5所示，可见两个实施例的工作频带均为170～270GHz，具有宽带特性；此外，由于实施例1中存在台阶，即渐变减高波导21的终端的高度高于H面过模波导12，渐变拓宽波导22的始端的宽度宽于E面过模波导11，相比于实施例2的无台阶情形，低频端的转换效率得到显著提升，模式转换效率高达99.3％，相对带宽超过45％，输入回波损耗超过25dB，插入损耗低于0.03dB。
综上所述，实施例1与实施例2提出的宽带的矩形波导TE20模极化扭转器，利用简单的波导渐变结构，实现了宽带的TE20模式的极化扭转，具有结构简单紧凑、宽带工作和高效转换的优点。
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 (5)

1.一种宽带的矩形波导TE20模极化扭转器，其特征在于，包括依次连接的E面过模波导、渐变波导和H面过模波导；所述渐变波导包括彼此正交的渐变减高波导和渐变拓宽波导，二者的始端位于同一截面，终端位于同一截面；所述渐变波导关于E面过模波导的传输中心面对称，关于H面过模波导的传输中心面对称。
2.根据权利要求1所述宽带的矩形波导TE20模极化扭转器，其特征在于，所述E面过模波导和H面过模波导为彼此正交的矩形波导，截面长宽比均为4:1。
3.根据权利要求1所述宽带的矩形波导TE20模极化扭转器，其特征在于，所述渐变波导的渐变长度为波长的1.2～1.8倍。
4.根据权利要求1所述宽带的矩形波导TE20模极化扭转器，其特征在于，所述渐变减高波导的始端与E面过模波导邻接重合，终端的高度高于H面过模波导，且单侧高度差为波长的
Figure FDA0004137956660000011
5.根据权利要求1所述宽带的矩形波导TE20模极化扭转器，其特征在于，所述渐变拓宽波导的始端的宽度宽于E面过模波导，且单侧宽度差为波长的
Figure FDA0004137956660000012
终端与H面过模波导邻接重合。
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