РАЗДЕЛИТЕЛЬ КРУГОВОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ 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 разделения волны круговой поляризации круглого волновода на две волны линейной поляризации.

Известен поляризационный разделитель /1/, содержащий отрезок основного волновода квадратного сечения, с одного конца нагруженный на согласованную нагрузку или закороченный короткозамыкателем, 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 вторичные и дополнительный волноводы связаны с основным волноводом щелями возбуждения в стенках основного волновода, а расстояние между щелями возбуждения 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 щели возбуждения возбуждаются волны ортогональных линейных поляризаций, амплитуды которых измеряются в анализаторе поляризаций. Часть мощности основного волновода проходит к дополнительному волноводу и через щель возбуждения возбуждает его волной линейной поляризации, величину которой также измеряют в анализаторе поляризаций.

Аналог позволяет определить только относительное содержание ортогональных линейных поляризаций в волне круговой поляризации основного волновода квадратного сечения.

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 H-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 поляризаций 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, возбуждает 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 также определить только относительное содержание ортогональных линейных составляющих в волне круговой поляризации круглого волновода. Однако второй аналог по технической сущности ближе к предлагаемому изобретению и выбран авторами в качестве прототипа.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является задача разделения волны круговой поляризации круглого волновода на две волны линейной поляризации, распространяющиеся каждая по своему волноводу.

Техническим результатом заявляемого решения является устройство, разделяющее волну H₁₁ круговой поляризации круглого волновода на две волны H₁₀ линейной поляризации, распространяющиеся по отрезкам прямоугольных волноводов.

Этот технический результат достигается тем, что в разделителе круговой поляризации, 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, на расстоянии l_к от короткозамыкателя и совмещены по сечению с внутренним сечением отрезков прямоугольных волноводов, так что длина а_щ и ширина b_щ продольных щелей возбуждения равны соответственно длинам широкой и узкой боковых стенок отрезков прямоугольных волноводов, при этом длина l_в круглого волновода, размеры щелей возбуждения и боковых стенок отрезков прямоугольных волноводов, a_щ и b_щ, расстояние l_к от короткозамыкателя до середины продольных щелей возбуждения и длины l₁ и l₂ отрезков прямоугольных волноводов выбраны из следующих соотношений:
l_в≥ 2λ_в, (1)
a_щ≈ (0,61÷0,63)λ_o; b_щ= 0,5a_щ (2)
l_к= λ_в/2 (3)
l₁≥ λ_в1; l₂≥ λ_в1, (4)
где λ_в - длина волны в круглом волноводе, λ_o - длина волны в свободном пространстве, λ_в1 - длина волны в отрезках прямоугольных волноводов.

Совокупность существенных признаков предлагаемого технического решения позволяет волну H₁₁ круговой поляризации, распространяющуюся по круглому волноводу, разделить на две волны H₁₀ линейной поляризации, распространяющиеся по отрезкам прямоугольных волноводов.

На фиг. 1 приведен эскиз предлагаемого разделителя круговой поляризации, на фиг. 2 - поперечные распределения полей ортогональных волн H₁₁ линейной поляризации в круглом волноводе, на фиг. 3 - распределения токов проводимости и I_⊥ на внутренних поверхностях боковых стенок круглого волновода, наводимых ортогональными волнами H₁₁ линейной поляризации.

Разделитель круговой поляризации фиг. 1 содержит круглый волновод (КВ) 1 с короткозамыкателем 2 и продольными щелями возбуждения 3 и 4, прорезанными в боковых стенках КВ1 во взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через ось КВ и продольные оси щелей, и два отрезка прямоугольных волноводов (ОПВ) 5 и 6, соединенных с боковыми стенками КВ1 перпендикулярно этим стенкам в местах расположения щелей 3 и 4, при этом сечения щелей возбуждения (ЩВ) 3 и 4 совмещены с внутренними сечениями ОПВ 5 и 6.

Разделитель круговой поляризации работает следующим образом. Волна H₁₁ круговой поляризации со входа КВ1 "H_кр, Вх." как падающая распространяется вдоль этого волновода по стрелке "Н_кр, Вх" в сторону короткозамыкателя 2 и отражается от последнего с коэффициентом отражения образуя отраженную волну, распространяющуюся по КВ1 в обратном направлении (против стрелки "Н_кр, Вх"). Падающая и отраженная волны, интерферируя, образуют вдоль КВ1 слева от короткозамыкателя 2 стоячие волны полей в волноводе и поверхностных токов проводимости и I_⊥ на внутренней поверхности боковых стенок волновода с пучностями магнитного поля и токов проводимости в сечениях КВ, отстоящих от короткозамыкателя 2 на расстояниях l_к= mλ_в/2, где λ_в - длина волны H₁₁ в КВ, m = 0, 1, 2... . При m ≥ 1 расстояние l_к равно: λ_в/2, 2λ_в/2, 3λ_в/2 и т.д.

Продольные ЩВ 3 и 4 в боковых стенках КВ1 и являющиеся их продолжением ОПВ 5 и 6 расположены так, что середины продольного размера щелей и широких стенок ОПВ а_щ совмещены с пучностями магнитных полей ортогональных волн H₁₁ линейной поляризации, образующих волну H₁₁ круговой поляризации, и токов проводимости и I_⊥ на внутренней поверхности боковых стенок КВ, наводимых этими ортогональными волнами. Поверхностные токи проводимости, перпендикулярные широким размерам ЩВ и боковых стенок ОПВ а_щ, возбуждают продольные ЩВ 3 и 4, а через них и ОПВ 5 и 6 волнами H₁₀ линейной поляризации с ориентацией вектора параллельно узким стенкам этих волноводов. Так как ЩВ находятся в пучностях поверхностных токов проводимости, то практически вся энергия этих токов и ортогональных волн H₁₁ линейной поляризации КВ1 переходит в энергию волн H₁₀ линейной поляризации в ОПВ. Волна H₁₁ круговой поляризации КВ1 полностью преобразуется в две волны H₁₀ линейной поляризации, распространяющиеся вдоль ОПВ 5 и 6 от ЩВ 3 и 4 к выходу волноводов "H₁₀, Вых".

В целях подтверждения осуществимости заявляемого разделителя круговой поляризации изготовлен макет разделителя со следующими размерами и параметрами:
- рабочая частота f_o = 6 ГГц;
- длина волны в свободном пространстве λ_o = 5 см;
- радиус круглого волновода d = 0,38 λ_o = 1,9 см;
- критическая длина волны в кВ λ_крн11 = 3,413а = 6,5 см;
- длина волны в кВ λ_вн11 = 7,8 см;
- длина щелей и широких стенок ОПВ а_щ = 3,1 см = 0,62 λ_o;
- ширина щелей и узких стенок ОПВ b_щ = 1,6 см;
- критическая длина волны в ОПВ λ_крн10 = 6,2 см;
- длина волны в ОПВ λ_вн10 = 8,4 см;
- длина l_в кВ l_в = 18 см;
- длина l₁ и l₂ ОПВ l₁ = l₂ = 10 см;
- расстояние l_к от короткозамыкателя до середины ЩВl_к = 4 см.

Разделитель круговой поляризации изготовлен из латуни Л69.

Покажем, что разделитель круговой поляризации технически реализуется и позволяет разделить волну H₁₁ круговой поляризации КВ на две волны H₁₀ линейной поляризации в ОПВ.

Согласно /3/ для возбуждения в любом волноводе волны эллиптической поляризации волной линейной поляризации необходимо последнюю разложить на две пространственные составляющие, внести некоторый сдвиг фазы в одну из пространственных составляющих и затем просуммировать векторно обе пространственные составляющие. Для возбуждения волны круговой поляризации в любом волноводе необходимо разделенные пространственные составляющие сделать ортогональными и с равными амплитудами, а сдвиг фазы одной из составляющих сделать равным π/2 (4, стр. 166, 190).

Справедливо и обратное утверждение о том, что 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 /4, стр. 191/. 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.

Зафиксируем в произвольный момент времени пространственно ортогональные поля волн H₁₁ линейной поляризации, положив в одной из них вектор параллельно оси OY фиг. 2.а, назовем эту волну параллельной. Тогда вторая пространственно ортогональная волна H₁₁ линейной поляризации будет иметь ориентацию векторов перпендикулярно оси OY фиг. 2.б, назовем ее перпендикулярной. ЩВ7 фиг. 2. а, соответствующая щели 3 на фиг. 1, расположена на боковой стенке КВ в плоскости, параллельной электрическому вектору и плоскости YOZ, а ЩВ8 фиг. 2, б, соответствующая щели 4 фиг. 1 - в плоскости, параллельной вектору и плоскости XOZ, так что ЩВ 3 и 4 фиг. 1 или ЩВ 7 и 8 фиг. 2 расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через ось КВ и продольных оси ЩВ.

Токи проводимости, наводимые на боковых стенках КВ магнитным полем параллельной волны , обозначим и , а наводимые магнитным полем перпендикулярной волны - через Ix⊥ и Iy⊥ .

Отметим следующие особенности полей в КВ и токов проводимости на боковых стенках КВ1, закороченного на конце. Во-первых, поля и токи образуют вдоль волновода слева от короткозамыкателя 2 стоячую волну с пучностями магнитного поля и токов проводимости I_x и I_y в сечениях, отстоящих от короткозамыкателя на расстояниях l_к= mλ_в/2, где λ_в - длина волны в КВ, m = 0, 1, 2.... /5, стр. 24, рис. 12/. Во-вторых, распределения токов проводимости I_x и I_y вдоль боковых стенок волновода будут разными для параллельной и перпендикулярной волн /6, стр. 648, рис. XVI. 13/. Распределения этих токов во взаимно перпендикулярных плоскостях, параллельным плоскостями YOZ и XOZ, в местах расположения ЩВ приведены на фиг. 3: на фиг. 3.а - для параллельной волны на фиг. 3. б - для перпендикулярной волны Согласно /6, стр. 648, рис. XVI. 13/ щель 9, соответствующая щелям 7 на фиг. 2.а и 3 на фиг. 1, возбуждается током проводимости параллельной волны а щель 10, соответствующая щелям 8 фиг. 2, б и 4 фиг. 1, - током Ix⊥ перпендикулярной волны Через ЩВ 3 и 4 возбуждаются ОПВ 5 и 6 соответственно, примыкающие к щелям 3 и 4, волнами H₁₀ линейной поляризации с ориентацией векторов в каждом из ОПВ 5 и 6 параллельно узким стенкам и соответственно токам и Ix⊥ .

Таким образом, волна H₁₁ круговой поляризации КВ1 разделяется на две волны H₁₀ линейной поляризации в ОПВ 5 и 6 (фиг. 1). С выходов ОПВ 5 и 6 "H₁₀, Вых" волны H₁₀ линейной поляризации могут быть направлены к любому потребителю, в частности в анализатор поляризационных составляющих.

Очевидно, что эффективность возбуждения волн H₁₀ линейной поляризации в ОПВ, а следовательно, и преобразования волны H₁₁ круговой поляризации в волны H₁₀ линейной поляризации, будет максимальной в том случае, когда середины продольных размеров ЩВ совмещены с пучностями токов возбуждения - поверхностных токов проводимости и Ix⊥ , потому что в пучностях амплитуды этих токов максимальны. Эти пучности располагаются на расстояниях от короткозамыкателя l_к= mλ_в/2; это есть формула (3) описания при m = 1.

В теории волноводов доказывается, что высшие типы волн в волноводах практически затухают на длине волновода l_в≥ λ_в /7, стр. 132/ от неоднородности. Считая неоднородностями в ОПВ щели возбуждения на их входах, находим, что длины l₁ и l₂ ОПВ должны быть l₁≥ λ_в1 и l₂≥ λ_в1 , где λ_в1 - длина волны в ОПВ. А это и есть формула (4) описания.

Считая неоднородностью КВ щели возбуждения в боковых стенках, находим длину КВ между ЩВ и входом его, равную длине волны λ_в в КВ. Так как ЩВ находятся на расстоянии l_к= λ_в/2 от короткозамыкателя, от общая длина l_в КВ должна быть l_в> λ_в+λ_в/2 или l_в≥ 2λ_в, а это и есть формула (1) описания.

При конструировании ОПВ должны выполняться условия одноволновости и условие согласования ОПВ с щелями возбуждения. Условие одноволновости волны H₁₀ выглядит /6, стр. 472/ как 0,51λ_o≤ d_щ≤ 0,75λ_o, b_щ = 0,5 a_щ, где a_щ - размер широкой стенки ОПВ, λ_o - длина волны в свободном пространстве, b_щ - размер узкой стенки ОПВ.

Для согласования ОПВ с ЩВ в боковых стенках КВ необходимо добиться равенства внешней проводимости щелей G_щ и волновой проводимости G_о ОПВ /8, стр. 108/, где G_о = 1/Z_он, Z_он - волновое сопротивление прямоугольного волновода с волной типа H. Согласно /8, ст. 110, табл. 1.1 или 9, стр. 202/ равенство G_щ ≈ G_о достигается при d_щ ≈ (0,61 - 0,63) λ_o, b_щ ≈ 0,5 а_щ, где а_щ - продольный размер щели и размер широкой стенки прямоугольного волновода, b_щ- поперечный размер щели и размер узкой стенки прямоугольного волновода. Эти размеры а_щ и b_щ одновременно удовлетворяют и условиям одноволновости волны H₁₀ и условиям согласования ОПВ со ЩВ в боковых стенках КВ. Но это и есть формула (2) описания.

Проведенный анализ показывает, что предлагаемый разделитель круговой поляризации отвечает критериям "новизна" и "изобретательский уровень", является техническим решением, технически реализуется и может быть использован в трактах СВЧ для разделения волны круговой поляризации на две волны линейной поляризации.

Источники информации
1. К. Л. Афанасьев, В. И. Саплин. Поляризационный разделитель. А.С. N 514386 от 10.04.74. H 01 P 1/16. Оп. 15.05.76. Бюл. N 18.

2. О. В. Епифанов, А.В. Хохлов. Разделитель поляризаций. А.с. N 1370685 от 02.12.85. H 01 P 1/16. Оп. 30.01.88. Бюл. N 4.

3. О. В. Епифанов, А.В. Хохлов. Способ преобразования волны с линейной поляризацией в волну эллиптической поляризации. А.с. N 1660079 от 12.07.88. H 01 P 1/65 Оп. 30.06.91. Бюл. N 24.

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

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

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

7. И. В. Лебедев. Техника и приборы СВЧ. Ч. 1. Техника СВЧ, М. Высшая школа, 1970.

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

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

Разделитель круговой поляризации содержит круглый волновод 1 с короткозамыкателем 2 и продольными щелями возбуждения 3 и 4, выполненными продольными, прямоугольной формы и прорезанными в боковых стенках волновода 1 во взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через ось круглого волновода и продольные оси щелей, два отрезка прямоугольных волноводов 5 и 6, соединенных с боковыми стенками волновода 1 перпендикулярно эти стенкам в местах расположения щелей возбуждения, щели совмещены по сечению с внутренним сечением отрезков прямоугольных волноводов. Размеры длин волноводов, щелей возбуждения и расстояние от короткозамыкателя до середины щелей возбуждения выбраны по приведенным соотношениям с учетом длин волн в волноводах. Технический результат заключается в разделении волн круговой поляризации круглого волновода на две волны линейной поляризации, распространяющиеся каждая по своему волноводу. 3 ил.

Разделитель круговой поляризации, содержащий круглый волновод длиной l_в, 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, отличающийся тем, что щели возбуждения выполнены продольными прямоугольной формы и расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через ось круглого волновода и продольные оси щелей, 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, при этом длина l_b круглого волновода, размеры щелей возбуждения и боковых стенок отрезков прямоугольных волноводов a_щ и b_щ, расстояние l_к от короткозамыкателя до середины продольных щелей возбуждения и длины l₁ и l₂ отрезков прямоугольных волноводов выбраны из следующих соотношений:
l_b≥ 2λ_b,
a_щ= (0,61-0,63)λ₀;
b_щ≈0,5 a_щ,
l_к= λ_b/2,
l₁≥ λ_b1,l₂≥ λ_b1,
где λ_b - длина волны в круглом волноводе;
λ₀ - длина волны в свободном пространстве;
λ_b1 - длина волны в отрезках прямоугольных волноводов.