ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОЛЯРИЗАЦИЙ Российский патент 1999 года по МПК H01P1/16 

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники, а точнее к волноводным трактам СВЧ. Может быть использовано в трактах СВЧ для преобразования волны круговой поляризации в волну линейной поляризации.

Известен поляризационный разделитель [1], содержащий отрезок основного волновода квадратного сечения, с одного конца нагруженный на согласованную нагрузку или закороченный короткозамыкатель, два отрезка вторичных волноводов прямоугольного сечения, подсоединенных к взаимно перпендикулярным стенкам основного волновода, и отрезок дополнительного волновода прямоугольного сечения, установленный перпендикулярно одной из стенок основного волновода, при этом вторичный и дополнительный волноводы связаны с основным волноводом щелями возбуждения (ЩВ) в стенках основного волновода, а расстояние между ЩВ вторичных и дополнительного волноводов выбрано равным длине волны λ_в в основном волноводе.

Поляризационный разделитель работает следующим образом. Волна круговой поляризации распространяется по основному волноводу. Во вторичных волноводах через ЩВ возбуждаются волны ортогональных линейных поляризаций, амплитуды которых измеряются в анализаторе поляризаций. Часть мощности основного волновода проходит к дополнительному волноводу и через ЩВ возбуждает его волной линейной поляризации, величину которой так же измеряют в анализаторе поляризаций.

Аналог позволяет определить только относительное содержание ортогональных составляющих линейной поляризации в волне круговой поляризации основного волновода.

Известен разделитель поляризации [2], содержащий отрезок круглого волновода (ОКВ), закороченный или незакороченный с одного конца, и два установленных на нем соосно крестообразных соединения (КС) в Н-плоскости на расстоянии λ_в/2 друг от друга, где λ_в - длина волны в ОКВ, из четырех отрезков прямоугольных волноводов (ОПВ) каждое, причем второе КС установлено под углом 45^o по отношению к первому, на широкой стенке первого КС размещен трехступенчатый согласующий шлейф, два противоположных ОПВ каждого КС закорочены короткозамыкателями, а длины закороченных ОПВ установлены равными 0,75 λ_в1 и λ_в1, где λ_в1 - длина волны в ОПВ.

Разделитель поляризации работает следующим образом. Волна круговой поляризации через ОКВ поступает на второе КС. Составляющие этой волны, поляризованные линейно под углами 45^o и 135^o к продольной оси второго КС, возбуждают противоположные незакороченные ОПВ этого КС волнами линейной поляризации, которые поступают в анализатор поляризаций. Составляющие же волны ОКВ, поляризованные линейно под углами 90^o и 180^o к продольной оси первого КС, возбуждают противоположные незакороченные ОПВ этого КС также волнами линейной поляризации, которые поступают на тот же анализатор поляризаций.

Второй аналог позволяет определить также только относительное содержание ортогональных составляющих линейной поляризации в волне круговой поляризации ОКВ. Однако он по технической сущности ближе к предлагаемому изобретению и выбран авторами в качестве прототипа.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является задача преобразования волны круговой поляризации одного волновода в волну линейной поляризации в другом волноводе.

Техническим результатом заявляемого решения является устройство, преобразующее волну H₁₁ круговой поляризации круглого волновода в волну H₁₀ линейной поляризации в прямоугольном волноводе.

Этот технический результат достигается тем, что в преобразователе поляризаций, содержащем круглый волновод длиной l_b, закороченный с одного конца короткозамыкателем и имеющий в боковых стенках щели возбуждения, и два отрезка прямоугольных волноводов длиной l₁ и l₂, соединенных с боковыми стенками круглого волновода перпендикулярно этим стенкам в местах расположения щелей возбуждения, новым является то, что щели возбуждения выполнены продольными прямоугольной формы, расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через ось круглого волновода и продольные оси щелей возбуждения, на расстоянии l_к от короткозамыкателя и совмещены по сечению с внутренним сечением отрезков прямоугольных волноводов, так что длина a_щ и ширина b_щ продольных щелей возбуждения равны соответственно длинам широкой и узкой боковых стенок отрезков прямоугольных волноводов, отрезки прямоугольных волноводов образуют входные плечи E-тройника Y-образной формы и имеют изгибы в E-плоскостях, выходное плечо E-тройника образует дополнительный прямоугольный волновод длиной l₃, имеющий поперечные размеры, одинаковые с поперечными размерами входных плеч тройника, при этом длина l_b круглого волновода, размеры щелей возбуждения и боковых стенок волноводов плеч E-тройника a_щ и b_щ, расстояние l_к от короткозамыкателей до середины продольных щелей возбуждения, длины входных l₁ и l₂ и выходного l₃ плеч E-тройника Y-образной формы выбраны из следующих соотношений:
l_в ≥ 2λ_в (1)
a_щ ≃ (0,61-0,63)λ₀;
в_щ ≃ 0,5a_щ (2)
l_к = λ_в/2 (3)
l₁ ≥ λ_в1; l₃ ≥ λ_в1 (4)
l₂-l₁ = (2m-1)λ_в1/4 (5)
где λ_в - длина волны в круглом волноводе, λ₀ - длина волны в свободном пространстве, λ_в1 - длина волны в волноводах плеч E-тройника, m=1,2,3,....

Этот технический результат достигается также и тем, что отрезки прямоугольных волноводов и дополнительный прямоугольный волновод образуют E-тройник T-образной формы, у которого одно входное плечо выполнено с изгибами в E-плоскости.

Совокупность существенных признаков предлагаемого технического решения позволяет волну H₁₁ круговой поляризации, распространяющуюся по круглому волноводу, преобразовать в волну H₁₀ линейной поляризации в выходном плече E-тройника.

На фиг. 1 приведен эскиз предлагаемого преобразователя поляризаций с E-тройником Y-образной формы, на фиг. 2 с E-тройником T-образной формы, на фиг. 3 - поперечные распределения полей ортогональных поляризаций волн H₁₁ линейной поляризации в круговом волноводе (КВ), на фиг. 4 - распределения токов проводимости J₁₁ и J₁ на внутренней поверхности боковых стенок КВ, наводимых ортогональными волнами H₁₁ линейной поляризации.

Преобразователь поляризаций фиг. 1 содержит КВI с короткозамыкателем 2 и продольными ЩВ 3 и 4 в боковых стенках, входные плечи 5 и 6 E-тройника 7 Y-образной формы, выполненные в виде ОПВ с изгибами в E-плоскости и присоединенные к боковым стенкам КВ-I в местах расположения ЩВ 3 и 4, и выходное плечо 8 E-тройника 7 в виде отрезка дополнительного прямоугольного волновода (ДПВ).

Преобразователь поляризаций фиг. 2 содержит КВ9 с короткозамыкателем 10 и продольными ЩВ 11 и 12 в боковых стенках, входные плечи 13 и 14 E-тройника 15 T-образной формы, выполненные в виде ОПВ, причем одно входное плечо имеет изгибы в E-плоскости, и присоединенные к боковым стенкам КВ9 в местах расположения ЩВ 11 и 12, и выходное плечо 16 E-тройника 15 в виде отрезка ДПВ.

У обоих преобразователей ОПВ входных плеч расположены перпендикулярно к боковым стенкам КВ и внутренние сечения ОПВ совмещены с поперечными сечениями ЩВ.

Преобразователи поляризаций фиг. 1 и 2 работают следующим образом. Волна H₁₁ круговой поляризации со входом КВ1 или КВ9 "H_кр, B_х" как падающая распространяется вдоль волновода по стрелке "H_кр, B_х" в сторону короткозамыкателя 2 или 10 и отражается от последнего с коэффициентом отражения /Г/=1, образуя отраженную волну, распространяющуюся по КВ в обратном направлении (против стрелки "H_кр, B_х"). Передающая и отраженная волны, интерферируя, образуют вдоль КВ слева от короткозамыкателя стоячие волны полей в волноводе и поверхностных токов проводимости и на внутренней поверхности боковых стенок КВ с пучностями магнитного поля и токов проводимости в сечениях КВ, отстоящих от короткозамыкателя на расстояниях l_к = mλ_в/2, где λ_в - длина волны H₁₁ в КВ, m=0,1,2,... При m≥ расстояния l_к равны: λ_в/2, 2λ_в/2, 3λ_в/2 и т.д.

Продольные ЩВ 3 и 4 или 11 и 12 в боковых стенках КВ1 и КВ9 и являющиеся их продолжением ОПВ 5 и 6 или 13 и 14 плечи E-тройника расположены так, что середины продольных размеров ЩВ и широких стенок ОПВ a_щ совмещены с пучностями магнитных полей волн H₁₁ линейной поляризации, образующих волну H₁₁ поляризации, и токов проводимости J₁₁ и J₁ на внутренней поверхности боковых стенок КВ, наводимых этими ортогональными волнами. Токи проводимости, перпендикулярные широким размерам ЩВ и боковых стенок ОПВ a_щ, возбуждают продольные ЩВ 3 и 4 или 11 и 12, а через и ОПВ 5 и 6 или 13 и 14 волнами H₁₀ линейной поляризации с ориентацией вектора E параллельно узким стенками этих ОПВ. Так как ЩВ расположены в пучностях токов проводимости, то практически вся энергия этих токов и ортогональных волн H₁₁ линейной поляризации КВ переходит в энергию волн H₁₀ линейной поляризации в ОПВ. Волна H₁₁ круговой поляризации КВ полностью преобразуется в две волны H₁₀ линейной поляризации, распространяющихся вдоль ОПВ входных плеч E-тройников 7 или 15 от ЩВ в сторону выходных плеч 8 или 16. В сечениях перехода входных плеч в выходное плечо E-тройников волны линейной поляризации обеих входных плеч складываются, как в сумматоре /3/, векторно и образуют одну волну H₁₀ линейной поляризации в выходных плечах 8 или 16. Для получения максимальной мощности этой волны в выходных плечах E-тройника сложение волн H₁₀ обоих входных плеч должно быть синфазным. Синфазность обеих волн H₁₀ входных плеч E-тройников в сечении суммирования достигается за счет разной длины l₁ и l₂ с разностью длин Δl = l₂-l₁ = (2m-1)λ_в1/4 входных плеч 5 и 6 или 13 и 14. Суммарная волна H₁₀ распространяется вдоль выходного плеча тройника к выходу его по стрелке "H₁₀, Вых".

В целях подтверждения осуществимости заявляемого преобразователя поляризаций на предприятии изготовлены макеты преобразователей с E-тройниками Y- и T-образной форм со следующими размерами:
рабочая частота f₀=6 ГГц;
рабочая длина волны в свободном пространстве λ₀ = 5 см;
радиус КВ a=1,9 см = 0,38 λ₀;
критическая длина волны в КВ = 3,413a=6,5 см;
длина волны в КВ λ_в = 7,8 см;
длина ЩВ и широких стенок плеч E-тройников a_щ=3,1 см = 0,62 λ₀;
ширина ЩВ и узких стенок плеч E-тройников b_щ=1,6 см;
критическая длина волны в ОПВ и АПВ плеч E-тройников = 6,2 см;
длина волны в волноводах плеч E-тройников λ_в1 = 8,4 см;
длина КВ l_В=18 см;
длина выходных плеч E-тройников l₃=10 см;
длина первых входных плеч E-тройников l₁=10 см;
длина вторых входных плеч E-тройников l₂=24,7 см;
разность длин входных плеч Δl = l₂-l₁ =14,7 см.

Преобразователи поляризаций изготовлены из латуни Л69.

Покажем, что предлагаемый преобразователь поляризаций технологически реализуется и позволяет преобразовать волну H₁₁ круговой поляризации КВ в волну H₁₀ линейной поляризации прямоугольного волновода, т.е. составляет техническое решение.

Согласно /4, стр. 191/, поляризованное по кругу поле волны H₁₁ КВ представляет собой векторную сумму двух независимых пространственно ортогональных волн H₁₁ линейной поляризации с равными амплитудами, сдвинутых по фазе на ±π/2. Следовательно, в любой момент времени в любом сечении КВ поле волны H₁₁ круговой поляризации представляет собой сумму полей двух независимых пространственно ортогональных волн H₁₁ линейной поляризации с равными амплитудами и сдвинутыми по фазе на ±π/2 (сдвинутыми во времени на четверть периода).

Зафиксируем в произвольный момент времени пространственно ортогональные поля волн H₁₁ линейной поляризации, положив в одной из них вектор параллельно оси ОУ фиг. 3, а, назовем эту волну параллельной. Тогда вторая пространственно ортогональная волна H₁₁ линейной поляризации будет иметь ориентацию вектора перпендикулярно оси ОУ фиг. 3 б, назовем ее перпендикулярной. ЩВ 17 фиг. 3, а соответствующая щелям 3 фиг. 1 или 11 фиг. 2 расположена на боковой стенке КВ1 или 9 в плоскости, параллельной вектору и плоскости УОZ, а ЩВ 18 фиг. 3, б, соответствующая щелям 4 фиг. 1 или 12 фиг. 2 - в плоскости, параллельной вектору и плоскости ХOZ, так что ЩВ 3 и 4 фиг. 1 или 11 и 12 фиг. 2 расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через ось КВ и продольные оси ЩВ.

Токи проводимости, наводимые на боковых стенках КВ магнитным полем параллельной волны обозначим через , магнитным полем перпендикулярной волны - через J_x⊥ и J_y⊥.

Отметим следующие особенности полей в КВ и токов проводимости на боковых стенках КВ, закороченного на конце. Во-первых, поля и токи образуют вдоль волновода слева от короткозамыкателя стоячую волну магнитного поля и токов проводимости J_х и J_у в сечениях, находящихся от короткозамыкателя на расстояниях l_к= nλ_в/2, где λ_в - длина волны в КВ, n=0,1,2,.../5, стр. 24, рис. 12/. Во-вторых, распределения токов проводимости J_х и J_у вдоль боковых стенок волновода будут разными для параллельной и перпендикулярной волн /6, стр. 648, рис. XVI. 13/; эти распределения во взаимно перпендикулярных плоскостях УОZ и ХОZ в местах расположения ЩВ приведены на фиг. 4; на фиг. 4, а - для параллельной волны на фиг. 4, б - для перпендикулярной волны Согласно /6, стр. 648, рис. XVI. 13/, щель 19, соответствующая щелям 17 фиг. 3, а, 11 фиг. 2 и 3 фиг. 1, возбуждается током проводимости параллельной волны а щель 20 соответствует щелям 18 фиг. 3, б, 12 фиг. 2 и 4 фиг. 1 - током J_x⊥ перпендикулярной волны Через эти ЩВ возбуждаются входные плечи 5 и 6 или 13 и 14 E-тройников 7 или 15 волнами H₁₀ линейной поляризации с ориентацией вектора в каждом из плеч параллельно узким стенкам и токам соответственно. Таким образом, волна H₁₁ круговой поляризации КВ разделяется на две волны H₁₀ линейной поляризации в ОПВ входных плеч E-тройника, распространяющиеся от ЩВ к выходному плечу.

В сечении начала входного плеча E-тройников обе волны H₁₀ суммируются векторно и образуют волну H₁₀ в выходном плече. Для получения максимальной мощности волны H₁₀ в выходном плече необходимо, чтобы обе волны H₁₀ входных плеч E-тройников в сечении суммирования были синфазны. Так как в КВ ортогональные пространственные составляющие H₁₁ линейной поляризации находятся в квадратуре, т. е. сдвинуты по фазе на ±π/2 (или во времени на четверть периода), то во входных плечах E-тройника необходимо скомпенсировать эту фазу в ±90^o. Такая композиция фазы во входных плечах E-тройников достигается за счет разности длин Δl = l₂-l₁ ОПВ входных плеч E-тройников, равной Δl = l₂-l₁ = (2m-1)λ_в1/4 что соответствует дополнительному сдвигу фазы во втором входном плече l₂ E-тройников на ±90^o. В результате этой компенсации фаз обе волны H₁₀ входных плеч E-тройников проходят к сечению суммирования синфазно. Приведенная разность длин Δl плеч l₁ и l₂ есть формула (5) описания.

Эффективность возбуждения волн H₁₀ линейной поляризации в ОПВ входных E-тройников будет максимальной в том случае, когда середины продольных размеров ЩВ совмещены с пучностями токов возбуждения , потому что в пучностях амплитуды этих токов максимальны. Эти пучности располагаются на расстояниях от короткозамыкателя l_к = mλ_в/2, а это и есть формула (3) описания.

В теории волноводов доказывается, что высшие типы волны в волноводах практически затухают на длине волновода l_в ≥ λ_в /7, стр. 132/ от неоднородности. Считая неоднородностями в E-тройниках ЩВ на входах входных плеч и сечение суммирования для выходного плеча, находим, что длины l₁ и l₃ должны быть l₁ ≥ λ_в1 и l₃ ≥ λ_в1, а это и есть формулы (4) описания .

Считая неоднородностью КВ ЩВ в боковых стенках, находим длину КВ между ЩВ и входом "H_кр, В_х", равную длине волны λ_в в КВ. Так как ЩВ находятся на расстоянии l_к = λ_в/2 от короткозамыкателя, то общая длина l_b КВ между входом и короткозамыкателем должна быть l_в > λ_в+λ_в/2 или l_в ≥ 2λ_в, а это есть формула (I) описания.

При конструировании ОПВ должны выполняться условия одноволновости и согласования ОПВ с щелями возбуждения.

Условие одноволновости волны H₁₀ в ОПВ выглядит /6, стр. 472/ как 0,51λ₀ ≤ a_щ ≤ 0,75λ₀, в_щ≃0,5 a_щ, где a_щ - размер широкой стенки ОПВ, в_щ - размер узкой стенки ОПВ, λ₀ длина волны в свободном пространстве.

Для согласования ОПВ с ЩВ в боковых стенках КВ необходимо добиться равенства внешней проводимости щелей G_щ и волновой проводимости G₀ ОПВ /8, стр. 108/, где G₀=1/Z₀, Z₀ - волновое сопротивление прямоугольного волновода с волной типа H. Согласно /8, стр. 110, табл. 5.1 или 9, стр. 202/ равенство G_щ= G₀ достигается при a_щ≃(0,61-0,63) λ₀, в_щ≃0,5 a_щ, где a_щ - продольный размер ЩВ и широкой стенки ОПВ, в_щ - поперечный размер ЩВ и узкой стенки ОПВ. Последние размеры a_щ и в_щ удовлетворяют одновременно и условиям одноволновости волны H₁₀ в плечах E-тройников и условиям согласования ОПВ со ЩВ. Но это и есть формула (2) описания.

Проведенный анализ показывает, что предлагаемый преобразователь поляризаций отвечает критериям новизны и изобретательского уровня, является техническим решением, технически реализуется и может быть использован в трактах СВЧ для преобразования волны круговой поляризации в волну линейной поляризации.

Источники информации
1. Афанасьев К.Л., Саплин В.И. "Поляризационный разделитель" АС N 514386 от 10.04.74 H 01 P 1/16. Опубл. 15.05.75 бюл. N 18
2. Епифанов О.В., Хохлов А.В. "Разделитель поляризаций" АС N 1370685 от 02.12.85 H 01 P 1/16, Опубл. 30.01.88 Бюл. N 4.

3. Соколов В. М. "Преобразователь волны H₁₀ прямоугольного волновода в волны круглого волновода" АС N 943927 от 08.12.80 H 01 P 1/16 Опубл. 15.07.82. Бюл. N 26.

4. Ширман Я.Д. "Радиоволноводы и объемные резонаторы., М., Связь и Радио, 1959.

5. Измерения на сверхвысоких частотах. С англ.под ред. Штейншлейгера В. Б. М., Сов.Радио, 1952.

6. Драбкин А.Л., Зузенко В.Л. АФУ., М.Сов.Радио, 1961.

7. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. 41 Техника СВЧ., М. Высшая школа, 1970.

8. Антенны и устройства СВЧ (проектирование фазированных антенных решеток). Под ред.проф. Воскресенского Д.И., М., Радио и Связь, 1981.

9. Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование АФУ. М.-Л., Энергия, 1966.

Преобразователь поляризаций содержит круглый волновод с короткозамыкателем и щелями возбуждения, выполненными продольными, прямоугольной формы на расстоянии λ_в/2 от короткозамыкателя во взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через ось круглого волновода и продольные оси щелей, два отрезка прямоугольных волноводов, образующих входные плечи Е-тройника Y-образной формы и соединенных с боковыми стенками волновода, выходное плечо Е-тройника образует дополнительный прямоугольный волновод длиной l_з, имеющий поперечные размеры, одинаковые с поперечными размерами входных плеч тройника, щели совмещены по сечению с внутренним сечением отрезков прямоугольных волноводов, отрезки прямоугольных волноводов. Размеры щелей возбуждения и боковых стенок волноводов плеч Е-тройника, длины круглого волновода, входных и выходных плеч Е-тройника, расстояние от короткозамыкателя до середины щелей возбуждения выбраны по приведенным соотношениям с учетом длин волн в волноводах. Технический результат заключается в преобразовании волны круговой поляризации круглого волновода в волну линейной поляризации в прямоугольном волноводе. 4 ил.

Преобразователь поляризаций, содержащий круглый волновод длиной I_в, закороченный с одного конца короткозамыкателем и имеющий в боковых стенках щели возбуждения, и два отрезка прямоугольных волноводов длиной I₁ и I₂, соединенных с боковыми стенками круглого волновода перпендикулярно этим стенкам в местах расположения щелей возбуждения, отличающийся тем, что щели возбуждения выполнены продольными прямоугольной формы, расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через ось круглого волновода и продольные оси щелей возбуждения, на расстоянии I_к от короткозамыкателя и совмещены по сечению с внутренним сечением отрезков прямоугольных волноводов, так что длина α_щ и ширина в_щ продольных щелей возбуждения равны соответственно длинам широкой и узкой боковых стенок отрезков прямоугольных волноводов, отрезки прямоугольных волноводов образуют входные плечи Е-тройника Y-образной формы и имеют изгибы в Е-плоскостях, выходное плечо Е-тройника образует дополнительный прямоугольный волновод длиной I_з, имеющий поперечные размеры, одинаковые с поперечными размерами входных плеч тройника, при этом длина I_в круглого волновода, размеры щелей возбуждения и боковых стенок волноводных плеч Е-тройника α_щ и в_щ, расстояние I_к от короткозамыкателя до середины продольных щелей возбуждения, длина входных I₁ и I₂ и выходного I₃ плеч Е-тройника Y-образной формы выбраны из следующих соотношений:
I_в ≥ 2λ_в,
α_щ ≃ (0,61÷0,63)λ₀; в_щ ≃ 0,5α_щ,
I_к = λ_в/2,
I₁ ≥ λ_в1, I₃ ≥ λ_в1,
I₂-I₁ = (2m-1)λ_в1/4,
где λ_в - длина волны в круглом волноводе, λ₀ - длина волны в свободном пространстве, λ_в1 - длина волны в волноводах плеч Е-тройника, m = 1, 2, 3,.. .