ВОЛНОВОДНЫЙ ПОЛЯРИЗАТОР Российский патент 1995 года по МПК H01P1/161 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в технике СВЧ, в частности в технике спутникового телевидения.

Известен волноводный поляризатор, состоящий из отрезка волновода квадратного сечения и расположенной в нем диэлектрической пластины.

Недостатками этого поляризатора являются ограниченная рабочая полоса частот из-за зависимости дифференциального фазового сдвига от частоты, а также большой продольный габарит.

Известен также волноводный поляризатор, содержащий отрезок волновода круглого или квадратного сечения с расположенными на его стенках продольными вставками из металла и диэлектрика.

Недостатками этого поляризатора являются сложный профиль сечения и трудность изготовления.

Известен также волноводный поляризатор, состоящий из отрезка волновода и расположенной в нем диэлектрической пластины. Пластина расположена вдоль оси отрезка волновода.

Недостатками этого поляризатора также являются ограниченная рабочая полоса частот, а также большой продольный габарит.

В основу изобретения положена задача создать волноводный поляризатор, который обеспечивал бы расширение рабочей полосы частот и уменьшение продольного габарита.

Поставленная задача решается тем, что, в волноводный поляризатор, содержащий отрезок волновода и установленную в нем вдоль его оси диэлектрическую пластину, согласно изобретению введен продольный плоский проводник, расположенный на боковой поверхности диэлектрической пластины симметрично относительно ее кромок.

Такое выполнение волноводного поляризатора позволяет уменьшить продольный габарит, расширить рабочую полосу частот, уменьшить вес и расход материала. Продольный габарит поляризатора уменьшается из-за уменьшения длины диэлектрической пластины вследствие повышения набега дифференциального фазового сдвига на единицу длины пластины благодаря плоским проводникам. Расширение рабочей полосы частот основано на уменьшении зависимости дифференциального фазового сдвига от частоты за счет выравнивания дисперсионных зависимостей двух ортогональных распространяющихся волн.

На фиг.1 изображен волноводный поляризатор на круглом волноводе; на фиг. 2 волноводный поляризатор на квадратном волноводе; на фиг.3 приведены зависимости продольного волнового числа распространяющихся волн от частоты.

Волноводный поляризатор может быть выполнен на основе круглого или прямоугольного (квадратного) волноводов. Волноводный поляризатор по первому варианту содержит отрезок круглого волновода 1 с расположенной в нем соосно диэлектрической пластиной 2 (фиг.1). На боковых поверхностях диэлектрической пластины выполнены продольные плоские проводники 3, ориентированные вдоль оси 4 диэлектрической пластины и расположенные симметрично относительно кромок 5 диэлектрической пластины. Диэлектрическая пластина 2 может быть закреплена, например, на стенке 6 круглого волновода 1. Для согласования диэлектрической пластины 2 на ее концах могут быть выполнены, например, ступенчатые выступы 7, на которых нанесены зауженные плоские проводники 8.

Волноводный поляризатор по второму варианту (фиг.2) содержит отрезок, например, квадратного волновода 9 с диэлектрической пластиной 10, расположенной, например, вблизи и параллельно одной стенке 11 квадратного волновода 9 и прикрепленной, например, своими кромками 12 к волноводу 9. На боковой поверхности диэлектрической пластины 10 выполнен, например, один плоский проводник 13, ориентированный вдоль оси 14 диэлектрической пластины 10 и расположенный симметрично относительно ее кромок 12. Для согласования диэлектрической пластины 10 на ее концах могут быть выполнены, например, согласующие скосы 15. При этом плоский проводник 13 на концах диэлектрической пластины 10 выполнен зауженным.

Предложенное техническое решение может быть использовано и в управляемых переключателях поляризации на основе круглого или квадратного волноводов. При этом, например, в случае переключателя на основе квадратного волновода привод должен обеспечивать перемещение подвижной диэлектрической пластины 10 параллельно стенке 11 квадратного волновода 9 в заданных пределах.

Рассмотрим действие волноводного поляризатора на круглом волноводе (фиг. 1) без учета влияния выступов 7. Волноводный поляризатор характеризуется величиной дифференциального фазового сдвига Δϕ между волной E, плоскость поляризации которой параллельна плоскости диэлектрической пластины 2, и волной E_⊥ плоскость поляризации которой перпендикулярна плоскости диэлектрической пластины. Волны E и E_⊥ имеют разные скорости, которые зависят от частоты (явление дисперсии). Для обеспечения широкополосности поляризатора важно обеспечить постоянство величины Δϕ в полосе частот. Для этого необходимо, чтобы зависимости продольного волнового числа волн E и E_⊥ вели себя идентично в рабочей полосе частот, так как величина
Δϕ ( β_⊥)·L, (1) где β_⊥ продольное волновое число для волн E и E_⊥ соответственно;
L длина диэлектрической пластины.

Рассмотрим сначала круглый волновод с тонкой диэлектрической пластиной без плоских проводников. Для волны E_⊥ величина продольного волнового числа β_⊥ приближенно равна продольному волновому числу незаполненного круглого волновода, так как влияние тонкой диэлектрической пластины, плоскость которой перпендикулярна электрическому полю, невелико.

Расчет величины β_⊥ проводится по формуле
β_⊥= K·n_⊥= K, где K 2 π/λ- волновое число свободного пространства;
λ- длина волны;
f частота;
f_кр критическая частота для круглого волновода;
n_⊥ коэффициент преломления круглого волновода.

Зависимость коэффициента преломления n_⊥ представлена на фиг.3 кривой 16 для радиуса круглого волновода R 9,4 мм (f_кр 9=36 ГГц).

Для волны E величина продольного волнового числа определяется по формуле
K·n K$, где n коэффициент преломления частично заполненного круглого волновода для волны E;
ε_эф- эффективная относительная диэлектрическая проницаемость частично заполненного волновода.

Зависимость коэффициента преломления n представлена на фиг.3 кривой 17 для, например, ε_эф 1,5. В рабочей полосе частот, границы которой отмечены, например, пунктирными прямыми линиями 18 и 19, крутизна зависимости n_⊥ (кривая 16) больше, чем крутизна зависимости n(кривая 17), что приводит к зависимости величины Δϕ от частоты.

Рассмотрим теперь влияние плоских проводников 3, нанесенных на боковые поверхности диэлектрической пластины 2. Введение плоских проводников 3 не оказывает влияния на зависимость n_⊥ так как в этом случае плоскость электрического поля перпендикулярна плоским проводникм 3, и распределение поля не изменяется. Для волны E введение плоских проводников изменяет распределение поля и приводит к дополнительному замедлению волны E (увеличению n и соответственно ) из-за коаксиальной линии, образованной плоскими проводниками 3 и круглым волноводом 1. Благодаря этому увеличивается в соответствии с выражением (1) набег дифференциального фазового сдвига Δϕ /L на единицу длины диэлектрической пластины. При этом ширина h плоского проводника 3 влияет на крутизну зависимости n С увеличением частоты f происходит увеличение отношения h/λ и увеличение крутизны коэффициента преломления n. Выбирая ширину h плоских проводников 3 из условия обеспечения одинаковой крутизны зависимостей n и n_⊥ можно обеспечить постоянство дифференциального фазового сдвига Δϕ и расширить рабочую полосу частот. На фиг.3 кривой 20 соответствует зависимость n для диэлектрической пластины с плоскими проводниками 3, крутизна которой приблизительно равна крутизне зависимости n_⊥ (кривая 16) в рабочей полосе частот.

Плоские проводники 3 или 13 должны располагаться симметрично относительно кромок диэлектрической пластины для устранения возникновения нежелательных высших типов волн.

Таким образом, введение продольных плоских проводников позволяет увеличить набег дифференциального фазового сдвига на единицу длины, что приводит к уменьшению приблизительно в 1,5.2 раза длины диэлектрической пластины 2, а также обеспечить постоянство дифференциального фазового сдвига Δϕ, что приводит к расширению рабочей полосы частот поляризатора или улучшению его характеристик, например развязки или коэффициента эллиптичности, в заданной рабочей полосе частот. Например, экспериментально отработана диэлектрическая пластина 2 из поликора толщиной 0,5 мм с согласующими выступами 7 и двумя плоскими проводниками 3, обеспечивающая развязку линейных ортогональных волн 30 дБ в рабочей полосе частот ±3,5% Ширина h плоских проводников составляет 30% от ширины диэлектрической пластины 2.

В то же время в поляризаторе с диэлектрической пластиной без продольных проводников (прототип) изменение Δϕ в полосе частот ±3,5% достигает ±12^о, что приводит к уменьшению развязки до 20 дБ.

Действие волноводного поляризатора на квадратном волноводе аналогично рассмотренному случаю.

Достоинством предложенного технического решения является простота конструкции и технологии изготовления. Плоские проводники могут быть нанесены, например, с помощью тонкопленочной технологии или выполнены из металлической фольги, наклеенной на диэлектрическую пластину.

Изобретение наиболее целесообразно использовать в приемных установках спутникового телевидения для выбора поляризации принимаемого сигнала, в том числе дистанционного выбора за счет использования управляемых переключателей поляризации электромеханического типа.

Использование: в технике СВЧ. Сущность изобретения: волноводный поляризатор содержит отрезок, например, круглого волновода и расположенную в нем диэлектрическую пластину. На боковой поверхности диэлектрической пластины выполнен продольный плоский проводник, размещенный симметрично относительно ее кромок. Введение продольного плоского проводника позволяет увеличить набег дифференциального фазового сдвига и обеспечить его постоянство в полосе частот, что обеспечивает уменьшение длины поляризатора и расширение его рабочей полосы частот. 3 ил.

ВОЛНОВОДНЫЙ ПОЛЯРИЗАТОР, содержащий отрезок волновода и установленную в нем вдоль его оси диэлектрическую пластину, отличающийся тем, что по крайней мере на одной боковой поверхности диэлектрической пластины размещен продольный плоский проводник, расположенный симметрично относительно ее кромок.