Ka波段TE01模椭圆弯波导的设计

胡小军

（电子科技大学 四川 成都 610054）

随着高功率微波技术的日益实用化，在一些应用情况下[1]，需要将微波模式传输一段距离，这中间需要设计一段或数段弯曲波导。避免输入模式发生能量转化，保证输出模式与输入模式的一致性，是应用中必须解决的一个难题。

过模波导在高功率毫米波段传输线应用的非常的广泛，为了提高波导的传输功率和降低传输损耗，采用了过模椭圆波导。而传输的模具有低损耗与零电壁的特点，由于模与模具有相同的相速，在弯曲椭圆波导中有强烈的连续耦合，本文采用的是变曲率，利用有限积分法来设计该椭圆弯波导。

1 椭圆波导理论

其中 Y（r）和 y（φ）分别为场分量的径向函数和角度函数，利用亥姆霍兹方程[4]得到了两个常微分方程：

式中，k2c=γ2+k2，k2=w2με=（2π/λ）2，q=k2cf2/4，k 为波数，λ为波长，kc为椭圆波导的截止波数。式（2）和（3）分别是马丢方程[5]和变型的马丢方程，y为马丢函数，Y为变型的马丢函数。 其中 Y（x）=y（±jx），α 为马丢函数的特征值，它与 q 有关。

马丢方程在波导壁ξ=ξ0上的边界条件，对TE场（Ez≡0）来说角向 Eφ=0，对 TM 场（Hz≡0）来说轴向，故

2 椭圆弯波导的设计

CST[6]微波工作室是专用于微波无源器件及天线设计与分析的软件包。其强大的实体建模前端基于ACIS建模内核，在所有的器件建模完成后，会自动进行一个基于专家系统的全自动网格划分，它含有四种不同的求解器：瞬态求解器、频域求解器、本征模求解器、模式分析求解器。本文采用了微波工作室的瞬态求解器进行模拟仿真。

2.1 参数指标

中心频率：30.5 GHz；带宽：2 GHz；传输效率：98%；平均半径：15 mm。

2.2 模型的建立

该模型是利用插值函数来建立的，如图1所示。

图1 波导弯头Fig.1 Waveguide bend

2.3 CST模拟仿真结果分析

经过调节曲率半径，得到的纵向电场分布如图2所示，传输效率如图3所示。

图2 纵向电场分布Fig.2 Longitudinal electric field distribution

由上图可的在输入是TE01模，在450转弯处发生了强烈耦合，经过对称的450转弯，最终在输出端口得到比较纯净的 TE01模。

由图3可得，在中心频率30.5 GHz处的传输效率为98.8%，在28.5 GHz到30 GHz的带宽范围内的传输效率都在99%以上，在30～31.5 GHz带宽范围内的传输效率堵在98%以上，符合我们的设计指标的要求。

图3 S21与频率的关系Fig.3 Relationship between S21 and frequency

3 结 论

本次设计对椭圆弯波导设计过程和结果进行了分析，在

CST环境中进行模拟仿真，应用有限积分法，利用过模椭圆波导具有高功率、宽频带的特点，从而设计出高功率、宽频带、高效率椭圆弯波导。

[1]Benford J，Swegle J A，Schamiloglu E.High power microwaves[M].2nd ed.New York:CRC Press，2006.

[2]Rosenberg U，Schneider M.High-perfor-mance transitionsfor overmodedoperationof elliptical waveguides[J]. IEEET ransactionon MTT，2000，48（10）:1749-1755.

[3]Chu L J.Electromagnetic waves in elliptic hollow pipes of metak[J].J.Appl.Phys，1938（9）:583-591.

[4]林为干.电磁场理论[M].北京:人民邮电出版社，1996.

[5]王竹溪，郭敦仁.特殊函数概论[M].北京：北京科学出版社，1979.

[6]张敏.CST微波工作室用户全书[M].成都:电子科技大学出版社，2004.