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Este ejemplo investiga los modos de orden superior disponibles en los puertos de guía de ondas en XFdtd. Aquí se utilizan guías de onda rectangulares de tamaño WR187 (47,55 x 22,15 mm) para crear convertidores de modo mediante la introducción de curvas dobles o triples. Las estructuras de este ejemplo proceden de un artículo de revista [1].
El primer dispositivo considerado es un convertidor de modo de doble curvatura que se muestra en la figura 1. Aquí, dos secciones rectas de guía de ondas están conectadas a una parte central que tiene dos curvas para formar una forma parcial de "S" con la función de convertir un modo TE10 a TE20 o viceversa. El dispositivo se construye como un modelo CAD en XFdtd y, a continuación, se mallan en el software utilizando la función de mallado conforme de XACT Accurate Cell Technology para describir con precisión la curvatura de la guía de ondas. En la Figura 2 se muestra una vista transversal de la malla, en la que se utiliza un tamaño de malla base de 1 mm.
Figura 1: Geometría CAD del convertidor de modo de guía de ondas de doble curvatura.
Figura 2: Vista transversal de la malla XFdtd de la geometría de doble curva.
La simulación se realiza con una forma de onda de entrada con un contenido de frecuencia de 8-10 GHz con un modo TE10 activo para crear un modo TE20 a la salida. El cálculo se ejecuta en una tarjeta GPU NVIDIA Tesla C1060 y el tiempo de ejecución es de algo más de tres minutos. Se necesitan algo más de 100 MB de memoria.
Tras la simulación, se muestran los campos eléctricos estacionarios en el dispositivo a 8,5 GHz (Figura 3) para mostrar la conversión de modo que tiene lugar en la sección de doble curvatura de la guía de ondas. Los campos en estado estacionario en los puertos de entrada y salida se muestran en la vista en ángulo de la Figura 4. A continuación, se representa el campo eléctrico en una línea a lo ancho del puerto de salida y se compara con los resultados medidos en el artículo [1] con muy buena concordancia (Figura 5).
Figura 3: Distribución del campo eléctrico en estado estacionario en el convertidor de doble curva a 8,5 GHz.
Figura 4: Distribución del campo eléctrico en estado estacionario en el convertidor de doble curva a 8,5 GHz con la distribución del campo en cada uno de los puertos.
Figura 5: Gráfico comparativo de la distribución del campo eléctrico XFdtd a través del puerto de guía de ondas del convertidor de doble curvatura y las mediciones.
Se crea un segundo convertidor de modo de forma similar, salvo que en este caso se introducen tres curvas en una sección de la guía de ondas, como se muestra en la Figura 6. Este dispositivo se malló en el software con un tamaño de celda base de 1 mm y la función XACT. Este dispositivo se malló en el software con un tamaño de celda base de 1 mm y la función XACT. La malla resultante se muestra en una vista transversal en la Figura 7. Se aplica un modo TE10 en el puerto de entrada y se captura el modo TE20 de salida. El cálculo se realiza en poco más de dos minutos en unos 88 MB de memoria. Los campos eléctricos en estado estacionario resultantes en los extremos de los puertos y a través del centro de la guía de ondas se pueden ver en la Figura 8. El campo eléctrico a través del puerto de salida es el mismo. El campo eléctrico a través del puerto de salida se representa frente a las mediciones y, de nuevo, la concordancia es muy buena, como se muestra en la Figura 9.
Figura 6: Geometría CAD del convertidor de modo de guía de ondas trilobular.
Figura 7: Vista transversal de la malla XFdtd de la geometría trilobulada.
Figura 8: Distribución del campo eléctrico en estado estacionario en los puertos y en el interior del convertidor trimodal a 8,5 GHz.
Figura 9: Gráfico comparativo de la distribución del campo eléctrico XFdtd a través del puerto de la guía de ondas del convertidor tri-bend y las mediciones.
Como ejercicio final, se construye una combinación de los convertidores de modo anteriores para formar un dispositivo TE40 a TE10 que se muestra en las Figuras 10 y 11. El lado TE40 más grande se conecta a dos convertidores de modo tri-bend que se reflejan y producen un efecto de poner el modo TE40 en forma TE20. A continuación, se añade una región de cono exponencial para reducir el tamaño de la guía de ondas de dos guías WR187 a una sola WR187 que se alimenta a un convertidor de modo de doble curvatura. La salida del convertidor de doble curvatura es un modo TE10.
Figura 10: Geometría CAD del convertidor multimodo en vista angular.
Figura 11: Geometría CAD del convertidor multimodo en sección transversal.
La simulación se realiza con una entrada sinusoidal de 8,5 GHz con el modo TE40 activo y la salida recogida en el puerto TE10. En una tarjeta GPU NVIDIA Tesla C1060, la simulación converge a un nivel de -40 dB en aproximadamente un minuto y medio utilizando 274 MB de memoria. La propagación del modo TE40 al modo TE10 de salida se muestra en las imágenes de campo transitorio de las Figuras 12 a 15, donde también se aprecia cada uno de los pasos intermedios. La distribución del campo eléctrico de estado estacionario en la guía de onda y en los dos puertos se muestra en la Figura 16. La distribución del campo eléctrico resultante a través del puerto de salida se muestra en la Figura 17.
Figura 12: Propagación del campo eléctrico transitorio en el convertidor multimodo a medida que los campos TE40 alcanzan la entrada de los convertidores tri-bend duales.
Figura 13: Propagación transitoria del campo eléctrico en el convertidor multimodo a medida que los campos TE40 son convertidos a TE20 por los convertidores duales tri-bend.
Figura 14: Propagación transitoria del campo eléctrico en el convertidor multimodo a medida que los campos TE20 atraviesan el convertidor de modo de doble curvatura y se transforman en TE10.
Figura 15: Propagación del campo eléctrico transitorio en el convertidor multimodo mostrando la trayectoria completa de los campos TE40 a través de los convertidores de modo tri-bend y dual bend hasta el puerto de salida donde emergen como TE10.
Figura 16: Distribución del campo eléctrico en estado estacionario en los puertos y en el interior del convertidor multimodo a 8,5 GHz.
Figura 17: Diagrama de la distribución del campo eléctrico XFdtd a través del puerto TE10 del convertidor multimodo con el puerto TE40 activo.
Referencias
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Q. Zhang, C. W. Yuan y L. Liu, "Theoretical Design and Analysis for TE20-TE10 Rectangular Waveguide Mode Converters", IEEE Trans. Microw. Theory Tech., Vol. 60 nº 4, abr. 2012, pp. 1018-1026.
