基于粒子群优化算法的TE10-TE01模式转换器设计

《Optics & Laser Technology》：Design of TE10-TE01 mode converter based on particle swarm optimization algorithm

太赫兹频段下基于三阶段粒子群优化的紧凑TE10-TE01模式转换器设计，实现172-215 GHz高效宽带转换与TE21模抑制低于-22 dB，并首次通过位移扫描成像直观揭示TE01模场分布。

　　

作者：杨博艺、郭晓杰、崔庆正、李海苏、任国斌

教育部重点实验室——全光网络与先进电信网络，北京交通大学，北京 100044，中国

摘要

我们提出并展示了一种紧凑型 TE₁₀-TE₀₁ 模式转换器（MC），该转换器工作在 172–215 GHz 频段，能够高效地将标准 WR-4 矩形波导中的 TE₁₀ 模式转换为圆形波导中的 TE₀₁ 模式。为了进行结构优化，我们引入了一种改进的三阶段粒子群优化（PSO）算法，该算法采用了“固定参数初步搜索、锯齿变化精细搜索和参数递减局部搜索”的渐进策略。仿真和实验结果表明，这种智能设计的 MC 具有出色的综合性能：在整个 172–215 GHz 频段内，TE₀₁ 模式的转换效率最高达到 -0.026 dB（在 202.31 GHz 处），不需要的 TE₂₁ 模式的抑制低于 -22 dB，回波损耗低于 -6.8 dB；测量的 S₂₁ 参数与仿真结果吻合良好，在 192–205 GHz 范围内的平均测量 S₂₁ 值约为 -1.29 dB。此外，利用太赫兹扫描位移成像平台，我们首次在该频段内直观地可视化了输出模式场，清晰地显示了 175–215 GHz 范围内 TE₀₁ 模式的场分布，为模式分析提供了直接证据，并进一步验证了智能算法在太赫兹波段设备设计中的优越性。

引言

太赫兹波的频率范围为 0.1–10 THz（波长 3000–30 μm），位于微波和红外波段之间。它们兼具光子学和电子学的特性，在下一代无线通信[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、成像[6]、[7]、[8]、[9]以及生物医学领域[11]、[12]、[13]中展现出显著的应用潜力。当太赫兹波在圆形波导中传播时，基本模式通常是 TE₁₁ 模式[14]，然而 TE₀₁ 模式具有更好的传输性能[15]。将圆形波导中的太赫兹波转换为 TE₀₁ 模式可以有效提高传输效率，因此开发能够在宽太赫兹带宽内高效激发高质量 TE₀₁ 模式的技术解决方案至关重要。

MC 是生成 TE₀₁ 模式的关键手段。近年来，从经典的 Marie 型转换器[16]、[17] 发展出多种新方法。例如，任等人采用了一种结构更简洁的过渡波导来在 H 波段（220–325 GHz）生成 TE₀₁ 模式[18]。舒等人提出了一种基于 H-平面 T-结的矩形 TE_m0（m = 2, 3, 4, …）模式激励器，以及矩形 TE_m0 到圆形 TE_n1/TE_0p/TE_1q MC，也在 H 波段生成了 TE₀₁ 模式[19]。舒等人进一步利用双向 H-T 结功率分器和可变十字形波导结构在该频段实现了 TE₀₁ 模式的生成[20]。郭等人使用超表面在 31–33.5 GHz 频段实现了 TE₁₀-TE₀₁ 模式转换[21]。现有研究的综述表明，当前的 TE₁₀-TE₀₁ MC 通常使用 TE₂₀ 模式作为中间过渡模式，这常常引入不必要的 TE₂₁ 模式干扰。此外，之前尚未有直接实验成像验证输出 TE₀₁ 模式场的报道。因此，同时实现高效宽带转换、有效抑制杂散模式以及以可视化方式实验表征模式场分布仍然是关键挑战。

随着太赫兹器件结构的复杂性和性能要求的不断提高，依赖经验公式和手动参数扫描的传统设计方法遇到了效率低、收敛慢以及难以实现全局优化的瓶颈。特别是在同时优化多个目标（如宽带响应、高转换效率和低杂散模式抑制）时，设计空间的高维性和参数之间的强耦合使得传统方法难以系统地找到最优解。在这种情况下，智能优化算法由于其强大的全局搜索能力和自动化优势，逐渐被应用于太赫兹器件的设计[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]。作为基于群体智能的优化方法，PSO 算法具有原理简单、参数较少、实现容易和收敛快速的特点，非常适合解决多参数、非线性、高维的器件优化问题。因此，使用 PSO 算法优化太赫兹 MC 不仅有助于克服传统设计方法的局限性，还为实现高性能、宽带太赫兹功能器件提供了可靠且高效的计算设计途径。

本文设计了一种三阶段 PSO 算法来优化 TE₁₀-TE₀₁ MC 的性能，建立了用于验证太赫兹器件性能的实验平台，并构建了用于成像表征输出 TE₀₁ 模式的太赫兹扫描位移平台。主要内容如下：首先，设计并实现了基于弯曲波导和 magic-T 结构的 TE₁₀-TE₂₀ MC。弯曲波导用于降低回波损耗，而 magic-T 波导高效地完成 TE₁₀-TE₂₀ 模式转换。然后，过渡波导部分将 TE₂₀ 模式转换为 TE₀₁ 模式，从而完成从矩形波导 TE₁₀ 模式到圆形波导 TE₀₁ 模式的完整转换路径。其次，为了优化 TE₁₀-TE₀₁ MC 的结构，提出了一种三阶段改进的 PSO 算法。该算法采用了“固定参数全局初步搜索、锯齿变化精细搜索、参数递减局部优化”的渐进策略来优化其关键尺寸参数。第三，在转换器输出端集成了喇叭放大结构，并制造了实物器件。最后，建立了太赫兹器件性能测试平台和位移扫描成像平台，以测量 TE₁₀-TE₀₁ MC 的 S-参数及其输出模式场的分布。仿真和实验结果表明，智能优化的 TE₁₀-TE₀₁ 转换器在 172–215 GHz 频段内表现出优异的性能：TE₁₀-TE₀₁ 模式的峰值转换效率达到 -0.026 dB（在 202.31 GHz 处），杂散 TE₂₁ 模式的转换效率保持在 -22 dB 以下，整个频段的回波损耗低于 -6.8 dB。一对耦合转换器的测量 S₂₁ 参数与仿真值吻合良好，在 192–205 GHz 子带内的平均测量值约为 -1.29 dB。此外，通过以 5 GHz 的步长从 175–215 GHz 进行扫描，在整个范围内始终实现了高质量的 TE₀₁ 模式输出。本文与现有 MC 工作的比较见表 1。

MC 的设计与仿真

MC 的设计

MC 的核心结构如图 1 所示，其初始结构参数列在表 2 中。TE₁₀-TE₂₀ MC 由标准 WR-4 矩形波导 1 直接连接到支持 TE₂₀ 模式传播的矩形波导 2 组成。magic-T 结构实现了从 TE₁₀ 模式到 TE₂₀ 模式的有效转换[29]，而弯曲波导的设计有效降低了回波损耗并提高了模式转换效率。

三阶段 PSO 算法的设计

该设计采用了一种三阶段级联粒子群优化算法进行结构参数优化，优化过程分为三个依次执行的阶段，每个阶段的优化结果作为下一个阶段的初始值，形成一个渐进的优化链。与单阶段 PSO 相比，三阶段级联 PSO 逐步缩小了搜索范围，避免了常见的过早收敛问题。

制造结构参数

根据第 3 节中提出的智能算法对 TE₁₀-TE₀₁ MC 的优化结果，选择了表 6 中列出的结构参数作为制造参数。为了确保转换器的工程实用性，在圆形波导输出端设计了一个喇叭放大结构。TE₁₀-TE₀₁ MC 原型由铜制成，内表面镀金，采用线切割和计算机数控加工制造。

结论

为了满足太赫兹通信系统中对高性能 MC 的需求，本文成功设计并开发了一种在 172–215 GHz 频段工作的紧凑型 TE₁₀-TE₀₁ MC。本研究的主要创新和成就体现在三个方面：从结构上，通过级联弯曲波导、magic-T 和过渡波导，将转换过程分解为两个高效阶段，即 TE₁₀-TE₂₀ 和 TE₂₀-TE₀₁，实现了紧凑和宽带的转换效果。

CRediT 作者贡献声明

杨博艺：撰写——原始草稿、软件开发、数据整理。郭晓杰：撰写——审稿与编辑、资源提供。崔庆正：撰写——审稿与编辑、调查研究。李海苏：撰写——审稿与编辑、监督指导、概念构思。任国斌：项目管理、方法论制定、资金获取、概念构思。

资助

本工作得到了 国家自然科学基金（NNSFC） 的支持，项目编号为 62275011 和 62475011。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。