In diesem Beispiel werden Moden höherer Ordnung untersucht, die in Hohlleiteranschlüssen in XFdtd verfügbar sind. Hier werden rechteckige Hohlleiter der Größe WR187 (47,55 x 22,15 mm) verwendet, um Modenkonverter durch Einführung von Doppel- oder Dreifachbiegungen zu schaffen. Die Strukturen für dieses Beispiel stammen aus einem Zeitschriftenartikel [1].
Das erste betrachtete Gerät ist ein Dual-Bend-Mode-Konverter, der in Abbildung 1 dargestellt ist. Hier sind zwei gerade Wellenleiterabschnitte mit einem mittleren Teil verbunden, der zwei Biegungen aufweist, um eine partielle "S"-Form zu bilden, die eine TE10-Mode in eine TE20-Mode oder umgekehrt umwandeln kann. Das Gerät wird als CAD-Modell in XFdtd konstruiert und dann in der Software mit der XACT Accurate Cell Technology Conformal Meshing-Funktion vernetzt, um die Krümmung des Hohlleiters genau zu beschreiben. Eine Querschnittsansicht des Netzes ist in Abbildung 2 dargestellt, wobei eine Basisnetzgröße von 1 mm verwendet wird.
Abbildung 1: CAD-Geometrie des Zweifach-Biegewellenleiter-Modenwandlers.
Abbildung 2: Querschnittsansicht des XFdtd-Netzes der doppelten Biegegeometrie.
Die Simulation wird mit einer Eingangswellenform mit einem Frequenzgehalt von 8-10 GHz und einem aktiven TE10-Modus durchgeführt, um einen TE20-Modus am Ausgang zu erzeugen. Die Berechnung wird auf einer NVIDIA Tesla C1060 GPU-Karte ausgeführt und die Ausführungszeit beträgt etwas mehr als drei Minuten. Es werden etwas mehr als 100 MB Speicherplatz benötigt.
Im Anschluss an die Simulation werden die stationären elektrischen Felder in der Vorrichtung bei 8,5 GHz dargestellt (Abbildung 3), um die Modenumwandlung zu zeigen, die im doppelt gekrümmten Abschnitt des Hohlleiters stattfindet. Die stationären Felder an den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen sind in der schrägen Ansicht von Abbildung 4 dargestellt. Das elektrische Feld in einer Linie über die Breite der Ausgangsöffnung wird dann aufgetragen und mit den gemessenen Ergebnissen aus der Arbeit [1] verglichen, wobei eine sehr gute Übereinstimmung erzielt wird (Abbildung 5).
Abbildung 3: Die stationäre elektrische Feldverteilung im Doppelbiegungskonverter bei 8,5 GHz.
Abbildung 4: Die stationäre elektrische Feldverteilung im Dual-Bend-Konverter bei 8,5 GHz, wobei die Feldverteilung an jedem der Ports angezeigt wird.
Abbildung 5: Vergleich zwischen der Verteilung des elektrischen Feldes des XFdtd über den Anschluss des Doppelbiegungskonverters und den Messungen.
Ein zweiter Modenkonverter wird in ähnlicher Weise erstellt, nur dass in diesem Fall drei Biegungen in einen Abschnitt des Hohlleiters eingeführt werden, wie in Abbildung 6 dargestellt. Dieses Gerät wird in der Software mit einer Basiszellengröße von 1 mm und der XACT-Funktion vernetzt. Das sich daraus ergebende Netz ist in einer Querschnittsansicht in Abbildung 7 dargestellt. Am Eingang wird ein TE10-Mode angelegt und der TE20-Mode am Ausgang wird erfasst. Die Berechnung wird in etwas mehr als zwei Minuten in etwa 88 MB Speicher durchgeführt. Die sich daraus ergebenden stationären elektrischen Felder an den Anschlussenden und in der Mitte des Hohlleiters sind in Abbildung 8 zu sehen. Das elektrische Feld an der Ausgangsöffnung ist gegen die Messungen aufgetragen, und auch hier ist die Übereinstimmung sehr gut, wie in Abbildung 9 zu sehen ist.
Abbildung 6: CAD-Geometrie des dreifach gekrümmten Hohlleitermoduskonverters.
Abbildung 7: Querschnittsansicht des XFdtd-Netzes der dreifach gekrümmten Geometrie.
Abbildung 8: Die stationäre elektrische Feldverteilung an den Anschlüssen und im Inneren des Tri-Bend-Mode-Konverters bei 8,5 GHz.
Abbildung 9: Vergleich zwischen der Verteilung des elektrischen Feldes des XFdtd über den Hohlleiteranschluss des Tri-Bend-Konverters und den Messungen.
Als letzte Übung wird eine Kombination der vorherigen Modenkonverter konstruiert, um eine TE40-zu-TE10-Vorrichtung zu bilden, die in den Abbildungen 10 und 11 dargestellt ist. Die größere TE40-Seite ist mit zwei dreifach gekrümmten Modenkonvertern verbunden, die spiegelbildlich sind und den Effekt haben, dass die TE40-Mode in die TE20-Form gebracht wird. Anschließend wird ein exponentiell verjüngter Bereich hinzugefügt, um die Größe des Hohlleiters von zwei WR187-Leitern auf einen einzigen WR187 zu reduzieren, der dann in einen Dual-Bend-Modenkonverter mündet. Der Ausgang des Doppelbiegungskonverters ist ein TE10-Mode.
Abbildung 10: CAD-Geometrie für den Multimode-Konverter in einer schrägen Ansicht.
Abbildung 11: CAD-Geometrie des Multimode-Konverters in einer Querschnittsdarstellung.
Die Simulation wird mit einem sinusförmigen 8,5-GHz-Eingang durchgeführt, wobei der TE40-Modus aktiv ist und der Ausgang am TE10-Anschluss gesammelt wird. Auf einer NVIDIA Tesla C1060 GPU-Karte konvergiert die Simulation bei einem Pegel von -40 dB in etwa eineinhalb Minuten und benötigt 274 MB Speicher. Die Ausbreitung der TE40-Mode in die TE10-Ausgangsmode ist in den transienten Feldbildern der Abbildungen 12 bis 15 dargestellt, in denen auch die einzelnen Zwischenschritte sichtbar sind. Die stationäre elektrische Feldverteilung im Hohlleiter und an den beiden Anschlüssen ist in Abbildung 16 dargestellt. Die sich daraus ergebende Verteilung des elektrischen Feldes an der Ausgangsöffnung ist in Abbildung 17 dargestellt.
Abbildung 12: Vorübergehende Ausbreitung des elektrischen Feldes im Multimode-Konverter, wenn die TE40-Felder den Eingang zu den beiden Tri-Bend-Konvertern erreichen.
Abbildung 13: Vorübergehende Ausbreitung des elektrischen Feldes im Multimode-Konverter, wenn die TE40-Felder durch die beiden Tri-Bend-Konverter in TE20-Felder umgewandelt werden.
Abbildung 14: Vorübergehende Ausbreitung des elektrischen Feldes im Multimode-Konverter, wenn die TE20-Felder den Dual-Bend-Mode-Konverter durchlaufen und in TE10 umgewandelt werden.
Abbildung 15: Transiente Ausbreitung des elektrischen Feldes im Multimode-Konverter, die den vollständigen Weg der TE40-Felder durch die Tri-Bend- und Dual-Bend-Mode-Konverter bis zum Ausgang zeigt, wo sie als TE10 austreten.
Abbildung 16: Die stationäre elektrische Feldverteilung an den Anschlüssen und im Inneren des Multimode-Konverters bei 8,5 GHz.
Abbildung 17: Darstellung der Verteilung des elektrischen Feldes XFdtd über den TE10-Anschluss des Multimode-Konverters bei aktivem TE40-Anschluss.
Referenzen
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Q. Zhang, C. W. Yuan, and L. Liu, "Theoretical Design and Analysis for TE20-TE10 Rectangular Waveguide Mode Converters," IEEE Trans. Microw. Theory Tech., Vol. 60 no. 4, Apr. 2012, pp. 1018-1026.
