本示例研究了XFdtd 中波导端口的高阶模式。这里使用 WR187 尺寸（47.55 x 22.15 毫米）的矩形波导，通过引入双弯或三弯来创建模式转换器。本示例的结构来自一篇期刊论文 [1]。
第一个设备是图 1 所示的双弯曲模式转换器。在这里，两个直波导部分连接到一个有两个弯曲的中心部分，形成一个部分 "S "形，其功能是将 TE10 模式转换为 TE20 模式，反之亦然。该装置在 XFdtd 中以 CAD 模型的形式构建，然后在软件中使用 XACT 精确单元技术保形网格功能进行网格划分，以准确描述波导的曲率。网格的截面图如图 2 所示，其中使用的基本网格尺寸为 1 毫米。
图 1：双弯曲波导模式转换器的 CAD 几何图形。
图 2：双弯曲几何体的 XFdtd 网格截面图。
模拟使用频率范围为 8-10 GHz 的输入波形，激活 TE10 模式，在输出端创建 TE20 模式。计算在英伟达™（NVIDIA®）Tesla C1060 GPU 卡上运行，执行时间仅为三分多钟。所需内存略高于 100 MB。
模拟后，设备中的稳态电场显示在 8.5 GHz 处（图 3），以显示波导双弯曲部分发生的模式转换。输入和输出端口的稳态电场显示在图 4 的斜视图中。然后绘制了输出端口宽度上一条直线上的电场，并与论文 [1] 中的测量结果进行了比较，结果非常吻合（图 5）。
图 3：8.5 千兆赫双弯曲转换器中的稳态电场分布。
图 4：双弯曲转换器在 8.5 千兆赫频率下的稳态电场分布，显示了每个端口的电场分布。
图 5：双弯曲转换器波导端口上的 XFdtd 电场分布与测量结果对比图。
如图 6 所示，第二个模式转换器也是以类似的方式创建的，只不过在这种情况下，一段波导中引入了三个弯曲。该设备在软件中使用 1 毫米的基本单元尺寸和 XACT 功能进行网格划分。得到的网格截面图如图 7 所示。在输入端口应用 TE10 模式，并捕捉输出 TE20 模式。计算只用了两分多钟，内存约 88 MB。图 8 显示了端口两端和波导中心的稳态电场。图 9 显示了输出端口的电场与测量结果的对比，两者的一致性非常好。
图 6：三弯波导模式转换器的 CAD 几何图形。
图 7：XFdtd 网格的三弯几何体截面图。
图 8：8.5 千兆赫频率下三弯管模式转换器端口和内部的稳态电场分布。
图 9：三弯转换器波导端口上的 XFdtd 电场分布与测量结果对比图。
最后，我们将前面的模式转换器组合起来，形成一个 TE40 到 TE10 的装置，如图 10 和图 11 所示。较大的 TE40 侧与两个三弯模式转换器相连，这两个转换器呈镜像，产生了将 TE40 模式转换为 TE20 模式的效果。然后添加一个指数锥形区域，将波导尺寸从两个 WR187 导轨缩小到单个 WR187，然后馈入双弯曲模式转换器。双弯曲转换器的输出是 TE10 模式。
图 10：多模转换器的 CAD 几何图形斜视图。
图 11：多模转换器的 CAD 几何图形截面图。
模拟采用 8.5 GHz 正弦输入，激活 TE40 模式，在 TE10 端口收集输出。在 NVIDIA Tesla C1060 GPU 卡上，使用 274 MB 内存，模拟在大约一分半钟内收敛到 -40dB 电平。TE40 模式传播到输出 TE10 模式的过程如图 12 至图 15 的瞬态场图像所示，其中每个中间步骤也清晰可见。波导和两个端口的稳态电场分布如图 16 所示。图 17 显示了输出端口的电场分布。
图 12：TE40 磁场到达双三弯管转换器入口时，多模转换器中的瞬态电场传播。
图 13：双三弯转换器将 TE40 场转换为 TE20 时，多模转换器中的瞬态电场传播。
图 14：当 TE20 磁场通过双弯曲模式转换器并转换为 TE10 时，多模转换器中的瞬态电场传播。
图 15：多模转换器中的瞬态电场传播，显示 TE40 电场通过三弯曲和双弯曲模式转换器到达输出端口的完整路径，在输出端口，它们以 TE10 的形式出现。
图 16：8.5 千兆赫时多模转换器端口和内部的稳态电场分布。
图 17：多模转换器 TE10 端口上的 XFdtd 电场分布图，其中 TE40 端口处于激活状态。
参考资料
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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.理论技术》，第 60 卷第 4 期，2012 年 4 月，第 1018-1026 页。
