方形導波路モードコンバータ

この例のプロジェクトファイルを要求するには、ここをクリックします。

この例では、XFdtd リリース 7 (バージョン7.3 以上) の導波管ポートで使用可能な高次モードを調べます。ここでは、WR187 サイズ (47.55 x 22.15 mm) の長方形導波路を使用して、ダブルまたはトリプルベンドを導入してモードコンバータを作成します。この例の構造は、ジャーナルペーパー [1] から来ています。

考慮される最初のデバイスは、図1に示すデュアルベンドモードコンバータです。ここでは、2つの直線状の導波路セクションが、TE10 モードを TE20 またはその逆に変換する機能を持つ部分的な「S」形状を形成する2つのベンドを持つ中心部に接続されています。このデバイスは、XFdtd で CAD モデルとして構築され、XACT の正確なセル技術の等角メッシュ機能を使用して、導波路の曲率を正確に記述するソフトウェアでメッシュを作成します。メッシュの断面図は、1 mm のベースメッシュサイズが使用されている場合に、Figure 2 に示されています。

図1

デュアルベンド導波路モードコンバータの CAD 形状 fig.

図2

デュアルベンドジオメトリの XFdtd メッシュの断面図。

 

シミュレーションは、8-10 GHz の周波数コンテンツを持つ入力波形を使用して、TE10 モードをアクティブにして、出力で TE20 モードを作成します。計算は NVIDIA テスラ C1060 GPU カードで実行され、実行時間はわずか3分です。わずか 100 MB 以上のメモリが必要です。

シミュレーションに続いて、デバイスの定常電界が 8.5 GHz (図 3) で表示され、導波路のダブルベンドセクションで行われるモード変換が示される。入力および出力ポートの定常状態フィールドは、図4の角度付きビューに表示されます。次に、出力ポートの幅を横切る線の電界がプロットされ、紙 [1] の測定結果と非常によく一致しています (図 5)。

図3

8.5 GHz のデュアルベンドコンバータにおける定常電界分布。

図4

8.5 GHz のデュアルベンドコンバータにおける定常電界分布と、表示される各ポートでのフィールド分布。

 

図5

デュアルベンドコンバータ導波路ポートと測定値における XFdtd 電界分布の比較プロット fig.

 

第2モードコンバータは、図6に示すように、3つのベンドが導波路の一部に導入される場合を除き、同様の方法で作成されます。このデバイスは、1 mm のベースセルサイズと XACT 機能を備えたソフトウェアでメッシュされます。得られたメッシュを図7の断面図に示す。入力ポートに TE10 モードが適用され、出力 TE20 モードがキャプチャされます。計算は約 88 MB のメモリでわずか2分で実行されます。結果として得られた定常状態の電界は、図8において導波路の末端及び中心を通るポートで見られ得る。出力ポート全体の電界は測定値に対してプロットされ、再びアグリーメントは図9に示すように非常に良好です。

図6

トライベンド導波路モード変換器の CAD 形状 fig.

図7

三曲げ形状の XFdtd メッシュの断面図。

 

図8

8.5 GHz でのポートおよびトライベンドモードコンバータ内の定常電界分布。

図9

三曲げ変換器導波路ポートと測定値における XFdtd 電界分布の比較プロット fig.

 

最後の練習として、前のモードコンバータの組み合わせが図10および11に示されている TE10 装置に TE40 を形成するように構成される。大きな TE40 側は、ミラーイメージングされた2つのトライベンドモードコンバータに接続し、TE40 モードを TE20 形式にする効果を生み出します。次に、2つの WR187 ガイドからデュアルベンドモードコンバータにフィードする単一の WR187 に、導波路サイズを小さくするために、指数関数的にテーパー領域を追加します。デュアルベンドコンバータの出力は、TE10 モードです。

図10

マルチモードコンバータの CAD ジオメトリを斜めのビューで表示します。

図11

マルチモードコンバータの CAD ジオメトリを断面図で示します。

 

シミュレーションは、TE40 モードがアクティブで、出力が TE10 ポートで収集された 8.5 GHz の正弦波入力を使用して実行します。NVIDIA テスラ C1060 GPU カードでは、シミュレーションは 274 MB のメモリを使用して約1分半で-40dB レベルに収束します。出力 TE10 モードへの TE40 モードの伝搬は、中間ステップのそれぞれがまた目に見える図 12 ~ 15 の過渡磁場画像に示されています。導波路および2つのポートにおける定常電界分布を図16に示す。出力ポート全体で得られた電界分布を図17に示します。

図12

TE40 フィールドとしてのマルチモードコンバータにおける過渡電界伝搬は、デュアルトライベンドコンバータの入口に到達します。

図13

マルチモードコンバータにおける過渡電界伝搬は、TE40 フィールドとして、デュアルトライベンドコンバータによって TE20 に変換されます。

 

図14

マルチモードコンバータにおける過渡電界伝搬は、TE20 フィールドがデュアルベンドモードコンバータを通過し、TE10 に変換されます。

図15

マルチモードコンバータにおける過渡電界伝搬は、TE10 として出現する出力ポートへのトライベンドおよびデュアルベンドモードコンバータを介した TE40 フィールドの完全なパスを示します。

 

図16

8.5 GHz でのポートおよびマルチモードコンバータ内の定常電界分布。

図17

TE40 ポートがアクティブなマルチモードコンバータの TE10 ポートを横切る XFdtd 電界分布のプロット。

 

参照

  1. 張、w. 元、劉、「TE20-TE10 方形導波路モードコンバータの理論的設計と解析」 IEEE Microw.理論技術60号、4月2012、1018-1026 号。