阅读说明：本技术 一种矩形波导te10模到圆波导旋转te11模的模式转换器 (Mode converter from rectangular waveguide TE10 mode to circular waveguide rotating TE11 mode ) 是由 张勇 张博 代春玥 张铁笛 胡江 于 2021-09-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种矩形波导TE10模到圆波导旋转TE11模的模式转换器,包括共面魔T结构、4路合成器、若干折弯波导、两个3dB耦合器和四个90°波导扭转器；共面魔T结构的两个输出端口分别经对应折弯波导弯折180°连接至对应3dB耦合器输入端；两个3dB耦合器关于4路合成器中心轴中心对称,直通端和耦合端分别经对应90°波导扭转器连接至4路合成器输入端；与同一个3dB耦合器相连的两个90°波导扭转器关于该3dB耦合器沿电磁信号传输方向的中心轴180°旋转对称；与不同3dB耦合器相连的两对90°波导扭转器关于4路合成器对称面平面对称。该模式转换器具有设计简便、模式纯度高、易于加工制作、转换效率高的优点。(The invention discloses a mode converter for converting a TE10 mode of a rectangular waveguide to a TE11 mode of a circular waveguide, which comprises a coplanar magic T structure, a 4-path synthesizer, a plurality of bent waveguides, two 3dB couplers and four 90-degree waveguide twisters, wherein the coplanar magic T structure is provided with a plurality of first waveguides and second waveguides; two output ports of the coplanar magic T structure are respectively bent by 180 degrees through corresponding bent waveguides and connected to the input ends of corresponding 3dB couplers; the two 3dB couplers are centrosymmetric about the central axis of the 4-path synthesizer, and the straight-through end and the coupling end are respectively connected to the input end of the 4-path synthesizer through corresponding 90-degree waveguide twisters; two 90-degree waveguide twisters connected with the same 3dB coupler are in 180-degree rotational symmetry with respect to the central axis of the 3dB coupler along the transmission direction of electromagnetic signals; two pairs of 90 waveguide twisters connected to different 3dB couplers are plane-symmetric about the 4-way combiner plane of symmetry. The mode converter has the advantages of simple design, high mode purity, easy processing and manufacture and high conversion efficiency.)

一种矩形波导TE10模到圆波导旋转TE11模的模式转换器

技术领域

本发明属于毫米波、太赫兹器件技术领域，具体涉及一种矩形波导TE10模到圆波导旋转TE11模的模式转换器。

背景技术

在现代通信发射系统中，功率放大器决定着系统的发射输出功率，进而影响系统的工作距离、工作效率等指标。传统的真空电子器件虽能输出高达几百瓦的功率，但其体积大、带宽小、加工难度高的不利因素导致其逐渐被固态半导体器件取代，相比之下，固态半导体器件体积小、寿命长、工作电压低且可以批量加工生产，更具优势。然而，随着工作频率的升高，固态半导体器件的输出功率逐渐下降。特别是到了毫米波高端频段，单个固态半导体器件的输出功率有时只有数十毫瓦，需要将多个固态半导体器件的功率进行合成以提高功率电平，因此，径向功率合成技术研究也成为热潮。

传统的径向功率合成模式为场分布空间对称的模式，如同轴TEM模式、圆波导TM01模式、圆波导TE01模式等。随着工作频率的升高，同轴线中的中心导体难以加工，而圆波导TM01、TE01等模式为圆波导的高次模，存在主模干扰，会影响合成效率。基于上述原因，近几年有人提出将圆极化模式用于径向功率合成，圆极化模式具有旋转场特性，电磁信号可随时间均匀输出，从而实现等功率分配。但圆极化模式无法直接获得，需要利用模式转换器。当前存在的圆极化TE11模式转换器多用在微波、毫米波低端频段，结构尺寸大，加工相对简单，但在毫米波高端、太赫兹低端频段存在严重的加工问题，无法直接套用。现有的用于高频段的圆极化模式转换器结构复杂，加工装配误差大，能量泄露严重，因此需要设计一种可应用于毫米波、太赫兹器件

技术领域

的新型圆极化模式转换器。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的问题，提出了一种矩形波导TE10模到圆波导旋转TE11模的模式转换器，具有设计简便、模式纯度高、易于加工制作、转换效率高的优点。

本发明所采用的技术方案如下：

一种矩形波导TE10模到圆波导旋转TE11模的模式转换器，其特征在于，包括共面魔T结构、两个折弯波导、两个3dB耦合器、四个90°波导扭转器和4路合成器；所述共面魔T结构包括矩形波导输入端口、第一矩形波导输出端口、第二矩形波导输出端口和采用微带探针输出的隔离端口，第一矩形波导输出端口和第二矩形波导输出端口分别经对应折弯波导弯折180°连接至对应3dB耦合器的输入端，两个3dB耦合器关于4路合成器的中心轴呈中心对称，两个3dB耦合器的直通端和耦合端分别经对应90°波导扭转器连接至4路合成器的输入端，以实现E面波导-H面波导的转换；其中，与同一个3dB耦合器相连的两个90°波导扭转器的扭转方向一致，与不同3dB耦合器相连的两对90°波导扭转器的扭转方向相反。

进一步地，所述扭转方向一致即关于该3dB耦合器沿电磁信号传输方向的中心轴180°旋转对称；扭转方向相反即关于4路合成器的对称面平面对称，以与同一个3dB耦合器相连的两个90°波导扭转器为一对。

进一步地，所述共面魔T结构为E面功分器，第一矩形波导输出端口与第二矩形波导输出端口的信号幅度差小于0.1dB，相位差180°，隔离端口无信号输出。

进一步地，所述3dB耦合器为E面耦合器，直通端和耦合端的信号幅度差小于0.5dB，相位差90°。

进一步地，所述4路合成器的4个输入端均为H面矩形波导，输出端为圆波导，圆波导的半径小于圆波导TE11模式的截止波长。

进一步地，所述折弯波导包括依次连接的长倾斜波导、150°圆弧弯波导和短倾斜波导，实现180°弯折。

进一步地，3dB耦合器的直通端与对应90°波导扭转器之间、耦合端对应90°波导扭转器之间及90°波导扭转器与4路合成器的输入端之间均设有圆弧弯波导。

本发明所述矩形波导TE10模到圆波导旋转TE11模的模式转换器的原理为：当相位相差±90°的两个极化简并模同时工作时，经矢量叠加可合成一个具有旋转场特性的圆极化模，合成条件与功率分配和相位调节结构有关。本发明所述模式转换器的具体转换过程为：矩形波导TE10模电磁信号从共面魔T结构的矩形波导输入端口输入，被分为两路信号幅度差小于0.1dB、相位差180°的电磁信号，分别从第一矩形波导输出端口与第二矩形波导输出端口输出，再分别经对应折弯波导弯折180°输入至对应3dB耦合器的输入端，3dB耦合器的直通端和耦合端输出两路信号幅度差小于0.5dB、相位差90°的电磁信号，分别经90°波导扭转器调整信号的幅度和相位，使其满足旋转TE11模的合成条件，传输至4路合成器，被转换为圆波导旋转TE11模电磁信号，实现矩形波导TE10模式到圆波导旋转TE11模式的模式转换。

本发明的有益效果为：

本发明提出一种矩形波导TE10模到圆波导旋转TE11模的模式转换器，实现了矩形波导TE10模式到圆波导旋转TE11模式的模式转换，可应用于毫米波、太赫兹器件技术领域，具有设计简便、模式纯度高、易于加工制作、转换效率高的优点；并且，通过设计多个折弯波导使信号功率分配及移相电路分布在同一层，加工装配难度低、易于实现；各功率分配结构为四端口器件，可以实现全匹配，端口隔离度高、幅相误差小、转换损耗低。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的矩形波导TE10模到圆波导旋转TE11模的模式转换器的三维立体示意图；

图2为本发明实施例1提供的矩形波导TE10模到圆波导旋转TE11模的模式转换器的平面图；

图3为本发明实施例1提供的模式转换器应用于WR-4波导频段的背靠背连接结构的立体图；

图4为本发明实施例1提供的模式转换器应用于WR-4波导频段的背靠背连接结构的平面图；

图5为本发明实施例1提供的模式转换器应用于WR-4波导频段的背靠背连接结构的电场分布图；

图6为本发明实施例1提供的模式转换器应用于WR-4波导频段的背靠背连接结构的S11、S21仿真结果图。

附图标记说明如下：

1：共面魔T结构；2：长倾斜波导；3：150°圆弧弯波导；4：短倾斜波导；5：3dB耦合器；6：45°圆弧弯波导；7：90°波导扭转器；8：90°圆弧弯波导；9：4路合成器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，结合以下具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步的说明。本实施例仅为说明方案，其权利要求并不只局限于此实施例。

实施例1：

本实施例提供了一种中心频率220GHz的矩形波导TE10模到圆波导旋转TE11模的模式转换器，结构如图1和图2所示，包括一个共面魔T结构1、两个折弯波导、两个3dB耦合器5、四个45°圆弧弯波导6、四个90°波导扭转器7、四个90°圆弧弯波导8和一个4路合成器9。

所述共面魔T结构1包括矩形波导输入端口、第一矩形波导输出端口、第二矩形波导输出端口和采用微带探针输出的隔离端口，第一矩形波导输出端口和第二矩形波导输出端口分别经对应折弯波导弯折180°连接至对应3dB耦合器5的输入端，所述折弯波导由依次连接的长倾斜波导2、150°圆弧弯波导3和短倾斜波导4组成；其中，第一矩形波导输出端口和第二矩形波导输出端口的信号幅度均高于-3.02dB，信号幅度差小于0.1dB，相位差180°，输入回波和两输出端口的干扰低于-20dB，隔离端口无信号输出；第一矩形波导输出端口和第二矩形波导输出端口均与对应的长倾斜波导2通过圆环内外半径为0.65mm±b/2(其中b为传输矩形波导TE10模的矩形波导的窄边长度)的30°圆弧弯波导连接；两个长倾斜波导2的长度均为8mm；两个150°圆弧弯波导3的圆环内外半径均为0.65mm±b/2；两个短倾斜波导4的长度均为2mm，两个短倾斜波导4的输入端口均位于3dB耦合器5主副波导间的中心线上，输出端口与对应3dB耦合器5的输入端相连。

两个3dB耦合器5关于4路合成器9的中心轴呈中心对称，一个3dB耦合器5的输入端(隔离端)对应为另一个3dB耦合器5的隔离端(输入端)，直通端和耦合端分别经对应45°圆弧弯波导6、90°波导扭转器7、90°圆弧弯波导8连接至4路合成器9的输入端，以实现E面波导-H面波导的转换；其中，两个3dB耦合器5的直通端与耦合端信号幅度为3±0.2dB，信号幅度差小于0.5dB，相位相差90°，输入回波及隔离端的输出低于-25dB；45°圆弧弯波导6的圆环内外半径均为1.2mm±b/2；90°圆弧弯波导8的圆环内外半径均为1mm±a/2(其中a为传输矩形波导TE10模的矩形波导的宽边长度)；

所述90°波导扭转器7的输入回波低于-30dB；与同一个3dB耦合器5相连的两个90°波导扭转器7的扭转方向一致，即关于该3dB耦合器5沿电磁信号传输方向的中心轴180°旋转对称；与不同3dB耦合器5相连的两对90°波导扭转器7的扭转方向相反，即关于4路合成器9的对称面平面对称，以与同一个3dB耦合器5相连的两个90°波导扭转器7为一对。

所述4路合成器9的输入回波低于-20dB，根据圆波导主模传输条件，圆波导半径选择0.5mm。

本实施例采用折弯波导、45°圆弧弯波导6、90°圆弧弯波导8按次序将上述共面魔T结构1、3dB耦合器5、90°波导扭转器7及4路合成器9连接，并保证传输矩形波导TE10模的结构的中心轴处于同一水平面，以便于E面剖分制作。为防止单元电路级联造成性能严重恶化，需对折弯波导、45°圆弧弯波导6、90°圆弧弯波导8的弯折角度、半径、切角大小进行精确优化。

为便于验证本实施例提出的模式转换器的插入损耗、回波损耗等指标，将两个模式转换器进行背靠背连接，得到如图3和图4所示的背靠背连接结构，并将其应用于WR-4波导频段，背靠背连接结构的电场分布图如图5所示，可知矩形波导输入的TE10模式，经所述共面魔T结构1、3dB耦合器5、90°波导扭转器7及4路合成器9后将合成具有旋转场特性的圆极化TE11模式，实现了矩形波导到圆波导间的模式转换。

将上述背靠背连接结构进行WR-4波导频段的S11、S21的仿真，结果如图6所示，可知在195～245GHz的插入损耗优于0.2dB，回波损耗优于15dB，相对带宽23％。

综上所述，本实施例提出的矩形波导TE10模到圆波导旋转TE11模的模式转换器，实现了矩形波导TE10模式到圆波导旋转TE11模式间的低损耗模式变换，具有设计简便、模式纯度高、易于加工制作、能量泄漏少、转换损耗低的优点。