研究目的
研究超晶格在高效矩形波导TE10至TE20模式转换器设计中的潜力。
研究成果
基于超颖光栅的设计方案为开发高效波导模式转换器提供了一种新方法，在无需复杂结构的情况下实现了高耦合效率。该方法在功率合成器和模分复用器应用中具有重要潜力。
研究不足
该研究聚焦于特定类型的模式转换器（TE10至TE20）及频率（14 GHz），若无进一步研究，可能限制其应用于其他模式或频率。
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[2019年电气与先进应用电磁学国际会议（ICEAA）- 西班牙格拉纳达（2019年9月9日-13日）] 2019年电气与先进应用电磁学国际会议（ICEAA）——利用超晶格特性设计矩形波导模式转换器
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[2019年电气与先进应用电磁学国际会议（ICEAA）- 西班牙格拉纳达（2019年9月9日-13日）] 2019年电气与先进应用电磁学国际会议（ICEAA）——利用超晶格特性设计矩形波导模式转换器
DOI：10.1109/ICEAA.2019.8878972
出版年份：2019
更新时间：2025-09-12 10:27:22
摘要：
我们通过详细的解析建模，探究了超表面光栅在矩形波导（RWG）TE10至TE20模式转换器设计中的潜力。此类转换器在功率合成器[1]和模分复用器等应用中具有重要意义。而超表面光栅作为可极化粒子（超原子）的周期性阵列，能通过定制结构自由度——将能量定向引导至目标Floquet-Bloch（FB）模式，同时利用相消干涉抑制非目标FB通道——高效操控电磁波前，适用于分束、异常反射折射等先进波束调控场景[2-3]。本文将该物理机制应用于RWG这一新型电磁系统以实现完美模式耦合。如图1(a)所示，设计方案由位于理想电导体（PEC）终端前方(x0,z0)位置的容性加载细导线构成：TE10模式从输入端口激励该导线。要实现TE10到TE20模式的单位效率耦合需满足两个条件：其一，通过导线激发的一阶FB模式与PEC反射TE10模式的干涉消除反向反射；其二，波导内任意z>z0平面通过的净实功率为零以保证无源无损设计[2]。通过将文献[3]解析模型扩展至RWG，可严格建立这些前提条件，进而半解析求解加载导线位置(x0,z0)与负载阻抗密度（印刷电容宽度）等可调参数。为验证该设计理念，我们在14GHz频段构建转换器——无需全波优化即实现97%以上的耦合效率。商业仿真软件（CST）验证结果[图1(b)(c)]与理论预测高度吻合。该方案为开发高效波导模式转换器提供了新途径，无需采用鳍线、E面/H面弯曲等复杂结构[1,4,5]。
作者：
Vinay Kumar Killamsetty，Ariel Epstein
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