A novel mode converter that transforms circular waveguide transverse magnetic (TM01) to transverse electric (TE11) circular waveguide is investigated, providing over 48% bandwidth of extraneous-mode-free operation at a conversion loss of less than 0.05dB. The design philosophy is based upon the unique use of two intermediate modes: coaxial TEM and a rectangular waveguide TE10, which provide input to output isolation of converter modes

Boussouis, Mohamed

Chaibi, Mohamed

Mediavilla Sánchez, Ángel

Tribak, Abdelwahed

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    Nueva Estructura convertidor de modos ancha banda  TM01-a-TE11  A. Tribak(1) (2), A. Mediavilla (1), M. Boussouis(2), M. Chaibi(1) (2) tribak_ma@yahoo.fr, media@dicom.unican.es, m.boussouis@uae.ma     (1) Dpto. de ingeniería de comunicaciones Universidad de Cantabria Avda. Los Castros, s/n – 39005 Santander – ESPAÑA.      (2) Dpto. de física facultad de ciencias  Universidad Abdel Malek Essaadi BP-2121, Tetuán-Marruecos.    Abstract- A novel mode converter that transforms circular waveguide transverse magnetic ( )01TM to transverse electric ( )11TE  circular waveguide is investigated, providing over 48% bandwidth of extraneous-mode-free operation at a conversion loss of less than 0.05dB. The design philosophy is based upon the unique use of two intermediate modes: coaxial TEM and a rectangular waveguide 10TE , which provide input to output isolation of converter modes. I. INTRODUCCIÓN       Muchos generadores de microondas de alta potencia  (HPM), tales como los osciladores a cátodo virtual (vircators), los osciladores relativistas de ondas reflejadas  (BWOs) y los osciladores a línea de transmisión magnéticamente aislada, generan modos de salida con una simetría azumital, incluyendo el modo 01TM  de la guía de onda circular e incluso el modo transversal electromagnético TEM de la línea coaxial. Si estos modos emiten directamente al espacio desde la salida de las guías de onda [1]-[5], aparecerá un patrón de radiación en forma de anillo  (doughnut-shaped), con una falta evidente de señal en el eje (boresight nulo) figura.1 (b). Sin embargo, en multitud de aplicaciones se utiliza el modo 11TE  de la guía de onda circular  dado que tiene una polarización bien definida junto con un patrón de radiación convergente similar al “Gaussian shape” del modo hibrido 11HE  correspondiente a una guía de onda circular corrugada. En este sentido, y en caso necesario, siempre podemos transformar de forma eficiente el modo 11TE  hacia el modo 11HE  con una longitud física de conversión relativamente corta.         En las instalaciones de microondas de alta potencia se usa a menudo un conversor de modo 1101 TETM − basado en el concepto de codo dual [5]-[8]. Sin embargo, la salida y la entrada no están alineadas en el mismo eje lo que afecta a la robustez del sistema. En este trabajo se investiga un nuevo conversor de modo formado por una estructura lineal que transforma el modo 01TM  de guía de onda circular al modo dominante circular 11TE  que mantiene una elevada eficiencia de conversión, capacidad de potencia y sobre todo una anchura de banda muy importante.       La contribución original en este diseño es la incorporación  única de dos modos intermedios a fin de aislar sin ambigüedad los dos modos de los puertos de interés y eliminar de forma eficaz la posible realimentación entre ellos a través de la propagación de modos no deseados.            A pesar de que la conversión de modo es el objetivo principal, hay algunos aspectos adicionales que son altamente  deseables y se deben considerar en el diseño. Estos se enumeran abajo [4]: - Buena adaptación en los puertos de acceso: esto da lugar a una eficacia de conversión elevada mientras se reduce la interacción de la carga sobre el generador.   - Anchura de banda: conducente a sistema único multifunción   - La pureza del modo 01TM  a la entrada: es necesaria para evitar la excitación de modos extraños (sobre todo del modo fundamental 11TE ) para aumentar el coeficiente de la conversión y también para eliminar efectos negativos en la fuente. - La pureza del modo 11TE  de salida: es necesaria una vez más para  aumentar la eficiencia de la conversión y generar un patrón de radiación limpio. - Alineación salida - entrada sobre el mismo eje: a menudo es importante en ciertas disposiciones del sistema de transmisión. II. DISCUSIÓN DEL DISEÑO         El hecho de que en una guía de onda circular (CWG) el modo 01TM tenga una frecuencia de corte más alta que el modo fundamental 11TE hace que resulte imposible la conversión directa sin ninguna reflexión en la señal a transmitir. La alternativa mecánica propuesta en este trabajo permite inicialmente la conversión del modo 01TM de guía circular al modo TEM de estructura coaxial, que tiene una frecuencia de corte igual a cero. La  separación intrínseca del modo de la línea coaxial se podría utilizar entonces en el aislamiento mutuo entre los modos de la salida y la entrada. Esta filosofía divide el diseño en dos partes: la primera parte transforma el modo 01TM hacia el modo TEM y la segunda transforma el modo TEM al modo 11TE . Desafortunadamente, la conversión 11TETEM −  no se puede conseguir en banda ancha, debido a la  proximidad entre las frecuencias de corte de los dos modos 01TM  y 11TE  de la guía de onda circular. Se realizó por lo tanto una segunda parte usando un modo 10TE  intermedio de guía de onda rectangular y por lo tanto fue necesario diseñar un convertidor axial intermedio 10TETEM −  que alimentara una posterior conversión 1110 TETE − .        Actas del XXIII Simposium Nacional de la Unión Científica Internacional de Radio (URSI 2008). Madrid, 22-24 Septiembre 2008. ISBN: 978-84-612-6291-5           La figura.1(a) muestra el aspecto 3D del dispositivo del convertidor de modo total 1101 TETM − , junto con la configuración del campo eléctrico en las diferentes secciones. Considerando que el modo 01TM  llega por la parte izquierda del dibujo, la energía se transmite primero en una sección de línea coaxial formada por tres transiciones - figura.2. Esta técnica permite excelentes características de conversión TEMTM −01  en un ancho de banda frecuencial superior al 40%. Posteriormente la transición entre la línea coaxial y guía de onda rectangular se diseña utilizando un septum de al menos tres secciones, lo que permite de nuevo una alta eficiencia de conversión 10TETEM −  en un ancho de banda superior al 40% - figura.3. La parte final del convertidor de modo se compone de una transición multipaso estándar de guía rectangular a una guía circular - figura.4a. Que permite una conversión 1110 TETE −  en un ancho de banda >50%. .   (a)                                              (b) Fig. 1.  (a)Estructura del convertidor de modos. (b) el diagrama de radiación del modo 01TM  de una guía circular que tiene un nulo.         A efectos de claridad, vamos a proponer una descripción más detallada del significado de los modos intermedios que intervienen en estructura mostrada en la figura.1. La tabla.1 muestra las frecuencias de corte de todos los modos que existen en las diferentes secciones de convertidor. La columna A muestra las frecuencias de corte de todos los modos que pueden excitarse en  la guía de onda circular de la entrada hasta el primer modo sobre la banda deseada. Obsérvese que pueden existir otros cinco modos no deseados en esa guía de onda. En consecuencia, tratar de convertir directamente al 11TE  excitará necesariamente también  los modos 21TE , 11TM  y 31TE .   Fig. 2. Estructura de la transición guía circular línea coaxial  Fig. 3. Transición coaxial guía rectangular a través un septum  Fig. 4. Transición guía rectangular  a guía circular               Estos serian los modos no deseados previamente mencionados que absorben una cantidad de energía y obviamente degradan el funcionamiento. Sin embargo, podemos evitar todos estos modos convirtiendo el modo 01TM al modo TEM. El modo siguiente más alto que sería excitado por estos medios es el modo 02TM , que tiene una frecuencia de corte de 2.5 la del modo 01TM .       La región del modo TEM comienza en el convertidor en el mismo diámetro que la guía de onda A, ajustándose hacia el diámetro más pequeño de la guía de onda B. Este diámetro más pequeño es necesario para alejar la posible propagación del modo 11TE  de la línea coaxial de frecuencia superior de la banda de interés, por lo que actúa como un choque del modo 11TE  cuando se excite en la línea de salida de la guía de onda. El aislamiento está        Actas del XXIII Simposium Nacional de la Unión Científica Internacional de Radio (URSI 2008). Madrid, 22-24 Septiembre 2008. ISBN: 978-84-612-6291-5   fundamentalmente determinado por el cociente del límite superior de la banda de uso y la frecuencia de corte del modo 11TE , y es proporcional a la longitud dividida por el diámetro de la sección.  En estas condiciones la energía se propaga a lo largo del conductor central de la guía rectangular híbrida (transición a través de Septum). Mientras el conductor central esté en el eje, el modo TEM existe. De la misma forma, en  el interespasio entre el final Septum de onda rectangular, se excitan el modo 11TE  junto con el modo 10TE  de la guía de onda rectangular abierta C. Ese modo 11TE  no se puede propagar nuevamente hacia dentro de la sección coaxial con un diámetro más pequeño y se atrapa entre el coaxial pequeño y el Septum. La elección de dimensiones apropiadas en esta región proporciona una transición con un ancho de banda muy grande entre el modo TEM incidente y el modo transmitido 10TE  de guía rectangular.        El modo más problemático es el modo 11TM  de guía rectangular, que corresponde con el modo 01TM  en guía circular. La frecuencia de corte del modo 11TM  está 2.23 veces sobre la frecuencia de corte del modo 10TE . El modo 11TM  es excitado por el Septum pero sigue siendo evanescente en la guía de onda rectangular y, Por lo tanto, solamente existe el modo 10TE  en el extremo de la guía de onda rectangular.       Una transición estándar rectangular-circular (guía de onda D) a través tres secciones rectangulares nos permite la conversión 1110 TETE −  en ancho de banda superior al 40% y evita la excitación de los modos superiores.    Frecuencias de Corte: A                                          B                          C                     TE11:  6.27GHZ        TEM:0.0GHZ       TE10:7.88GHZ      TM01: 8.19GHZ                                      TE20:15.77GHZ     TE21:  10.4GHZ                                      TE01:15.77GHZ                 TM11: 13.05GHZ                                    TM11:17.64GHZ  TE01:  13.05GHZ                                                                   TE31:  14.31GHZ TM21: 17.01GHZ    D TE11:9.16GHZ TM01:11.96GHZ TE21:15.19GHZ TM11:19.06GHZ TE01 :19.06GHZ       Tabla.1  distribución de modos en varios guías de ondas        El nuevo convertidor de modos propuesto  puede usarse también para convertir el modo 01TM  de la guía de onda circular al modo coaxial TEM puesto que hay muchas fuentes de alta potencia de microondas lo usan [5]. Incluso puede usarse como un excitador del modo circular 01TM  a partir del modo 10TE  de la guía de onda rectangular como se muestra en la figura.5.     Fig. 5. excitador del modo circular 01TM  a partir del modo rectangular               10TE  III. Resultados y análisis de yield     El dispositivo experimental se diseñó para banda Ku haciendo uso de técnica de fresado y torneado sobre alumagal-6850 y disponiendo de la guía de onda rectangular WR75.            Como se puede observar en la figura.6, las pérdidas de retorno son del orden de 33dB en ambos modos ( 01TM  y 11TE ) lo que significa una eficacia de conversión del orden de 99.9% en una banda de frecuencia superior al 48%.     Con el fin de controlar la robustez del diseño y, por consiguiente, las tolerancias mecánicas, se ha efectuado un análisis YIELD donde se ha permitido una tolerancia de ±0.05mm a todas las cotas. Como podemos observar en la  figura.7, el diseño es especialmente robusto a las tolerancias mecánicas. En cualquier caso, siempre podemos fabricar con la tolerancia  de ± 0.025mm para asegurar que se  cumplen totalmente con los requisitos.      De la misma forma hemos conseguido unos buenos resultados para el excitador de modos 0110 TMTE −  como muestra la figura.8. Las perdidas de retorno son del orden de 35dB, consiguiéndose un paso en más de un 46% de ancho de banda de fraccional.         Los análisis de sensibilidad demuestran que el diseño es excelentemente robusto a las tolerancias mecánicas.               Fig. 6. Banda-Ku parámetros de scatering.  ( )( )110121 TETMS  )( 1122 TES  9.6GHZ  15.6GHz  ( )0111 TMS         Actas del XXIII Simposium Nacional de la Unión Científica Internacional de Radio (URSI 2008). Madrid, 22-24 Septiembre 2008. ISBN: 978-84-612-6291-5                   Fig. 7. Análisis de sensibilidad con una tolerancia de ± 0.05mm             Fig. 8. Banda-Ku parámetros de scatering. IV. Conclusión Se ha diseñado un convertidor de modo 1101 TETM −  de una guía circular, utilizando como estructuras intermedias líneas coaxiales y guías de ondas rectangulares, cubriendo un ancho de banda  >48%, con unas perdidas de retorno y de inserción del orden de 33dB y 0.05dB respectivamente. Se ha efectuado un análisis YIELD donde se permiten  tolerancias mecánicas que validan lo compacto y robusto del diseño en la banda Ku. También se ha estudiado un excitador del modo 01TM  en una guía de onda circular a partir del modo 10TE  de una guía de onda rectangular en banda Ku, demostrando unos resultados muy satisfactorios para aplicación de muy ancha banda.   AGRADECIMIENTOS Los autores quieren hacer público su agradecimiento a los siguientes proyectos, dentro de los cuales se han obtenido los resultados presentados en este artículo: Queremos hacer constar nuestra gratitud a la AECI a través de su programa “Becas para Extranjeros no Iberoamericanos para Estudios de Postgrado, Doctorado y Postdoctorado en Universidades y Centros Superiores en España“.                                              Referencias                       [1]   M. J. Thumm and M. S. Ayza, “Design of short high-power        TM01-TE11 mode converters in highly overmoded corrugated        waveguide,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 39, no. 2,           pp.301–309, Feb. 1991. [2]   S.W. Yang and H. F. Li, “Optimization of novel high-power        millimeterwave TM01-TE11 mode converters,” IEEE Trans         .  Microwave         TheoryTech., vol. 45, no. 4, pp. 552–554, Apr. 1997. [3]   R.W. Lemke, S. E. Calico, and M. C. 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Microwave theory tech,vol.39,pp.301-           309,Feb.1991.             ( )0111 TMS  ( )1122 TES     F (GHZ)   ( )( )011021 TMTES  ( )0111 TMS  ( )1022 TES     9.6GHZ  15.4GHz         Actas del XXIII Simposium Nacional de la Unión Científica Internacional de Radio (URSI 2008). Madrid, 22-24 Septiembre 2008. ISBN: 978-84-612-6291-5

Nueva estructura convertidor de modos ancha banda TM01-a-TE11

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