ФАЗОСДВИГАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1997 года по МПК H01Q15/24 H01P1/16 

Изобретение относится к СВЧ-технике и может быть использовано как элемент антенн с эллиптической поляризацией в системах космической связи.

Известны [1] фазосдвигающие устройства в виде каскада из проволочных решеток, при прохождении через которые электромагнитной волны осуществляется необходимый набег фазы в заданной полосе частот, определяемый конструктивными характеристиками устройства: расстоянием между соседними решетками в каскаде d, периодом решетки T и эквивалентным радиусом проводника a, который определяется формой сечения проводника.

На базе фазосдвигающих устройств выполняются проходные преобразователи поляризации электромагнитного поля, в частности линейной и эллиптическую, линейной в линейную с поворотом поляризации на заданный угол.

Простейшим фазосдвигающим устройством, полностью преобразующим линейную поляризацию в круговую на частоте f₀, является каскад из двух одинаковых решеток, где расстояние между решетками составляет 0,375λ_o. При прозрачности решетки ρ 0,5. где λ_o длина волны в свободном пространстве, соответствующая рабочей частоте f₀) расчетная полоса частот для коэффициента эллиптичности по уровню 1 дБ составляет 3,3% [1]
Добавление третьей решетки позволяет расширить функциональные возможности фазосдвигающего устройства. Становится возможным реализовать поворот линейной поляризации на заданный угол, а также увеличение ширины полосы преобразования линейной поляризации в эллиптическую.

Расчетная ширина полосы коэффициента эллиптичности по уровню 1 дБ для каскада из трех решеток с параметрами где ρ₁ прозрачность крайних решеток, ρ₂ прозрачность средней решетки, составляет 7,3% [1]
Очевидно, что такие фазовращатели имеют достаточно большую толщину, что является ограничивающим фактором при их использовании в мобильных радиосистемах.

Целью изобретения является уменьшение толщины проволочного фазосдвигающего устройства и расширение полосы частот для заданного фазового сдвига.

Указанная цель достигается за счет периодического включения в проводники фазосдвигающего устройства реактивных нагрузок.

На чертеже изображено N-слойное фазосдвигающее устройство на основе проволочных сеток, расположенных на расстоянии d_n друг от друга, в проводники которых с периодом T_1n включены емкостные нагрузки X_n. В двухкаскадном фазосдвигающем устройстве для обеспечения заданного набега фазы толщина структуры должна удовлетворять равенству
tg2кd = -tgΦ( к = 2π/λ_o),
а величина нормированной проводимости периодически включаемой нагрузки b 2ctgкd.

Величина нормированной проводимости однозначно связана с конструктивными параметрами устройства:

где W волновое сопротивление свободного пространства,
T₁ период включения реактивных нагрузок,
T₂ период расположения проводников в структуре,
X_н импеданс реактивной нагрузки,
Δ ширина плоского проводника.

В частном случае, когда Φ = - 90^°, минимальная толщина структуры d = 0,125λ_o, аb= 2. Реактивные нагрузки представляют собой конденсаторы, емкость которых

Такой двухкаскадный фазовращатель может быть использован как поляризатор, преобразующий линейно поляризованную плоскую волну, нормально падающую на фазовращатель, таким образом, что вектор электрической составляющей направлен под углом 45^o к проводникам, в волну с эллиптической поляризацией.

Двухкаскадный поляризатор, у которого T₁ T₂ 0,05λ, D = 0,007λ, d = 0,125λ, C_к 0,7 пФ, а проводники и емкостные нагрузки реализовывались печатным способом из фольгированного диэлектрика, имеет полосу частот по уровню коэффициента эллиптичности 1 дБ около 5%
Как отмечалось выше, за счет добавления третьей решетки может быть расширена полоса рабочих частот по заданной величине набега фазы. Установлено, что при величинах реактивных нагрузок, выбранных согласно соотношениям
b₁=b₃=[(cosкd+sinкd)sinкd]^-1,
b₂=-ctg²кd+2ctgкd+1,
где b₁=b₃ нормированные проводимости нагрузок крайних решеток,
b₂ нормированные проводимости нагрузок средней решетки,
трехслойное фазосдвигающее устройство осуществляет сдвиг фазы на v = -π/2 при произвольном расстоянии между решетками. Трехслойный фазовращатель с d = 0,125λ, T₁= T₂= 0,05λ, Δ = 0,007λ, C₁ C₃ 0,35 пФ, C₂ 0,7 пФ имеет полосу рабочих частот по уровню коэффициента эллиптичности 1 дБ около 10%
Таким образом, за счет периодического включения реактивных нагрузок в проводники фазосдвигающего устройства удается в 3 раза уменьшить толщину устройства, увеличив при этом в 1,5 раза полосу рабочих частот. Кроме того, трехслойный фазовращатель с Φ = -π/2 и нагрузками, выполненными согласно (1), может быть реализован при произвольном d, которое у прототипа фиксировано.

Литература.

1. А. Н.Сивов, А.Д.Чуприн, А.Д.Шатров. Проходные поляризаторы на основе проволочных решеток. Радиотехника и электроника. Т.38, в.11, 1993, с. 1998 - 2009.

Фазосдвигающие устройства, состоящие из каскада проволочных сеток, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга. Для расширения полосы рабочих частот и уменьшения расстояния между стенками в проводники периодически включаются сосредоточенные емкостные нагрузки. 1 ил.

Фазосдвигающее устройство, состоящее из N 2 проволочных решеток, расположенных на расстоянии d_n (n 1) одна от другой, отличающееся тем, что в плоские проводники решеток включены емкостные нагрузки, емкость C_N которых при сдвиге фазы на Φ = -π/2 определяется из выражения

где T₁ период включения емкостных нагрузок;
T₂ период расположения проводников в решетках;
Δ - ширина плоского проводника;
W волновое сопротивление свободного пространства;
λ₀ - длина волны в свободном пространстве, соответсвующая рабочей частоте f₀.