РАЗДЕЛИТЕЛЬ КРУГОВОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ Российский патент 2002 года по МПК H01P1/16 

Изобретение относится к области радиотехники, а точнее к волноводным трактам СВЧ. Может быть использовано в трактах СВЧ для разделения волны круговой поляризации квадратного волновода на две волны линейной поляризации.

Известен разделитель поляризации /1/, содержащий отрезок круглого волновода (ОКВ), закороченный или незакороченный с одного конца, и два установленных на нем соосно крестообразных соединений (КС) в H-плоскости на расстоянии λ_B/2 друг от друга, где λ_B - 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 0,75λ_B1 и 1 λ_B1, где λ_B1- 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 и 135^o к продольной оси второго КС, возбуждают противоположные незакороченные ОПВ этого КС волнами линейной поляризации, которые поступают в анализатор поляризации. Составляющие же волны ОКВ, поляризованные линейно под углами 90 и 180^o к продольной оси первого КС, возбуждают противоположные незакороченные ОПВ этого КС так же волнами линейной поляризации, которые поступают на тот же анализатор поляризаций.

Аналог позволяет определить только относительное содержание ортогональных линейных поляризаций в волне круговой поляризации ОКВ.

Известен поляризационный разделитель /2/, 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, а расстояние между щелями возбуждения вторичных и дополнительного волновода выбрано равным длине волны λ_B 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 так же измеряют в анализаторе поляризаций.

Второй аналог позволяет определить так же только относительное содержание ортогональных линейных составляющих в волне круговой поляризации, не разделяя полностью эти поляризации. Однако по технической сущности второй аналог ближе к предлагаемому изобретению и выбран в качестве прототипа.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является задача разделения волны круговой поляризации квадратного волновода на две волны линейной поляризации.

Техническим результатом заявляемого технического решения является устройство, разделяющее волну круговой поляризации квадратного волновода на две волны H₁₀ линейной поляризации, распространяющихся по отрезкам прямоугольных волноводов. Этот технический результат достигается тем, что в разделителе круговой поляризации, содержащем квадратный волновод длиной l_в, закороченный с одного конца короткозамыкателем и имеющий во взаимно перпендикулярных боковых стенках щели возбуждения, и два отрезка прямоугольных волноводов длиной l₁ и l₂, соединенных с боковыми стенками квадратного волновода перпендикулярно этим стенкам в местах расположения щелей возбуждения, новым является то, что щели возбуждения выполнены продольными прямоугольной формы на расстоянии l_к от короткозамыкателя посредине боковых стенок и совмещены по сечению с внутренним сечением отрезков прямоугольных волноводов, так что длина a_щ и ширина в_щ продольных щелей возбуждения равны соответственно длинам широкой и узкой боковых стенок отрезков прямоугольных волноводов, при этом длина l_в квадратного волновода, размеры щелей возбуждения и боковых стенок отрезков прямоугольных волноводов a_щ и в_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_О; в_щ ≈ 0,5 a_щ (2)
l_к = λ_В/2 (3)
l₁ ≥ λ_В1, l₂ ≥ λ_В1, (4)
где λ_В- длина волны в квадратном волноводе;
λ_О- длина волны в свободном пространстве;
λ_В1- длина волны в отрезках прямоугольных волноводов.

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

На фиг. 1 приведен эскиз предлагаемого разделителя круговой поляризации, на фиг. 2 - поперечное распределение полей ортогональных составляющих линейной поляризации H₁₀ и H₀₁ в волне круговой поляризации квадратного волновода, на фиг. 3 - распределения токов проводимости I₁₁ и I₁ на внутренних поверхностях взаимно перпендикулярных стенок квадратного волновода, наводимых ортогональными составляющими H₁₀ и H₀₁ линейной поляризации волны круговой поляризации квадратного волновода.

Разделитель круговой поляризации (фиг. 1) содержит квадратный волновод (КВ) 1 с короткозамыкателем 2 и продольными щелями возбуждения (ЩВ) 3 и 4, прорезанными во взаимно перпендикулярных боковых стенках 5 и 6, и два отрезка прямоугольных волноводов (ОПВ) 7 и 8, соединенных с боковыми стенками 5 и 6 КВ1 перпендикулярно этим стенкам в местах расположения ЩВ 3 и 4, при этом сечения ЩВ 3 и 4 совмещены с внутренними сечениями ОПВ 7 и 8.

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

Продольные ЩВ 3 и 4 в боковых стенках 5 и 6 КВ1 и являющиеся их продолжением ОПВ 7 и 8 расположены так, что середины продольного размера ЩВ и широких стенок ОПВ a_щ совмещены с пучностями магнитных полей ортогональных волн H₁₀ и H₀₁ линейной поляризации, образующих волну круговой поляризации, и токов проводимости I_II и I_I на внутренней поверхности боковых стенок КВ1, наводимых этими ортогональными волнами. Поверхностные токи проводимости I_II и I_I, перпендикулярные широким размерам ЩВ и боковых стенок ОПВ a_щ, возбуждают продольные ЩВ 3 и 4, а через них и ОПВ 7 и 8 волнами H₁₀ линейной поляризации с ориентацией вектора параллельно узким стенкам этих ОПВ. Так как ЩВ находятся в пучностях поверхностных токов проводимости, то практически вся энергия этих токов и ортогональных составляющих H₁₀ и H₀₁ линейной поляризации волны круговой поляризации в КВ1 переходит в энергию волн H₁₀ линейной поляризации в ОПВ. Волна круговой поляризации КВ1 полностью преобразуется в две волны H₁₀ линейной поляризации, распространяющихся вдоль ОПВ 7 и 8 от ЩВ 3 и 4 к выходу волноводов H₁₀Вых.

В целях подтверждения осуществимости заявляемого разделителя круговой поляризации изготовлен макет разделителя со следующими размерами и параметрами:
- рабочая частота f₀ = 6 ГГц;
- длина волны в свободном пространстве λ_O = 50 мм;
- сечение квадратного волновода 32,5х32,5 мм;
- критическая длина волны в квадратном волноводе λ_кр = 65 мм;
- длина волны в квадратном волноводе λ_B = 78 мм;
- длина щелей и широких стенок ОПВ a_щ = 0,62 λ_O = 31 мм;
- ширина щелей и узких стенок ОПВ в_щ = 16 мм;
- критическая длина волны в ОПВ
- длина волны в ОПВ λ_B1 = 85 мм;
- длина круглого волновода l_в = 180 мм;
- длины l₁ и l₂ ОПВ l₁ = l₂ = 100 мм;
- расстояние l_к от короткозамыкателя до середины ЩВ l_к = 40 мм.

Разделитель круговой поляризации изготовлен из латуни Л69. Покажем, что предлагаемый разделитель круговой поляризации технически реализуется и позволяет разделить волну круговой поляризации КВ на две волны H₁₀ линейной поляризации в ОПВ.

Согласно /3, стр. 190/, поляризованное по кругу поле КВ представляет собой векторную сумму двух независимых пространственно-ортогональных волн H₁₀ и H₀₁ линейной поляризации с равными амплитудами, но со сдвигом фазы во времени на ±π/2. Следовательно, в любой момент времени в любом сечении КВ поле волны круговой поляризации представляет собой векторную сумму полей двух независимых пространственно-ортогональных волн H₁₀ и H₀₁ линейной поляризации с равными амплитудами.

Зафиксируем в произвольный момент времени пространственно-ортогональные поля волн H₁₀ и H₀₁ линейной поляризации, положив в одной из них вектор параллельно оси OY, фиг. 2, а; назовем эту волну параллельной H₁₀. Тогда вторая пространственно-ортогональная волна H₀₁ линейной поляризации будет иметь ориентацию вектора перпендикулярно оси OY, фиг. 2,б; назовем ее перпендикулярной H₀₁. ЩВ 9 фиг. 2,а, соответствующая щели 3 фиг. 1, расположена на боковой стенке КВ, параллельной электрическому вектору и плоскости YOZ, а ЩВ 10 фиг. 2,б, соответствующая щели 4 фиг. 1 - на боковой стенке, параллельной вектору и плоскости XOZ, так что ЩВ 3 и 4 фиг. 1 и 9 и 10 фиг. 2 расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях.

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

Отметим следующие особенности полей в КВ и токов проводимости на боковых стенках закороченного КВ1. Во-первых, поля и токи образуют вдоль волновода слева от короткозамыкателя 2 стоячую волну с пучностями магнитного поля токов проводимости I_x и I_y в сечениях, отстоящих от короткозамыкателя на расстояниях l_к = mλ_B/2, где λ_B - длина волны в КВ, m = 0, 1, 2, 3... /4, стр. 24, рис. 12/. Во-вторых, распределения токов проводимости I_x и I_y вдоль боковых стенок волновода будут разными для параллельной H₁₀ и перпендикулярной H₀₁ волн /5, стр. 648, рис. XVI.13/. Распределения этих токов на взаимно перпендикулярных стенках в местах расположения ЩВ приведены на фиг. 3: на фиг. 3,а - для параллельной волны H₁₀, на фиг. 3,б - для перпендикулярной волны H₀₁. ЩВ 11 фиг. 3,а, соответствующая щели 9 фиг. 2,а, возбуждается током проводимости I_y∥ параллельной волны , а щель 12 фиг. 3,б, соответствующая щели 10 фиг. 2, б - током I_x⊥ перпендикулярной волны /5, стр. 648/. Через ЩВ 3 и 4 фиг. 1 возбуждаются ОПВ 7 и 8 соответственно, примыкающие к щелям, волнами H₁₀ линейной поляризации с ориентацией векторов в каждом из ОПВ 7 и 8 параллельно узким стенкам и соответственно током I_y∥ и I_x⊥ .

Таким образом, волна круговой поляризации КВ1 разделяется на две волны H₁₀ линейной поляризации в ОПВ 7 и 8 фиг. 1, которые распространяются к выходам ОПВ H₁₀Вых по стрелкам. С выходов ОПВ 7 и 8 H₁₀Вых эти волны могут быть направлены к любому потребителю, в частности в анализатор поляризационных составляющих.

Эффективность возбуждения волн H₁₀ линейной поляризации в ОПВ, а следовательно, и преобразования волны круговой поляризации КВ в волны H₁₀ линейной поляризации максимальна в том случае, когда середины продольных размеров ЩВ совмещены с пучностями токов возбуждения - поверхностных токов I_y∥ и I_x⊥ /6, стр. 267-268/. Эти пучностии располагаются на расстояниях от короткозамыкателя l_к = mλ_B/2; это есть формула (3) описания при m = 1.

Высшие типы волн в волноводах практически затухают на длине волновода l_B≥ λ_B /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_B1 и l₂≥ λ_B1, где λ_B1 - длина волны в ОПВ. А это и есть формулы (4) описания.

Считая неоднородностью квадратного волновода ЩВ в боковых стенках, находим длину КВ между ЩВ и его входом равной λ_B . Так как ЩВ находятся на расстоянии l_к = λ_B/2 от короткозамыкателя, то общая длина l_в КВ должна быть l_B≥ λ_B+ λ_B/2. Полагаем l_B≥ 2λ_B, а это и есть формула (1) описания.

При конструировании ОПВ должны выполняться условия одноволновости и согласования ОПВ с ЩВ. Условие одноволности волны H₁₀ в ОПВ выглядит /5, стр. 472/ как 0,51λ_O≤ a_щ≤ 0,75λ_O, в_щ ≈ 0,5a_щ, где a_щ - размер широкой стенки ОПВ, в_щ - размер его узкой стенки, λ_O - 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. Равенство G_щ ≈ G₀ достигается при a_щ≈ (0,61-0,63)λ_O /8, стр. 110, табл. 5.1/, в_щ ≈ 0,5a_щ, где a_щ и в_щ - продольный и поперечный размеры ЩВ и стенок ОПВ, λ₀ - длина волны в свободном пространстве. Последние размеры удовлетворяют одновременно условиям одноволновости волны H₁₀ в ОПВ и условиям согласования ОПВ с ЩВ. Но и это 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. О.В.Епифанов, А.В.Хохлов. Разделитель поляризации. А.с. N 1370685 от 02.12.85 H 01 P 1/16. Опубл. 30.01.88 Бюл. N 4.

2. К.Л.Афанасьев, В.И.Саплин. Поляризационный разделитель. А.с. N 514386 от 10.04.74 H 01 P 5/12. Опубл. 15.05.76 г. Бюл. N 18.

3. Я.Д.Ширман Радиоволноводы и объемные резонаторы. - М.: Связь и радио, 1959.

4. Измерения на СВЧ. Пер. с англ. под ред. В.Б.Штейншлейгера. - М.: Сов. радио, 1952.

5. А.Л.Драбкин, В.Л.Зузенко, АФУ. - М.: Сов. радио, 1961.

6. О.И.Фальковский. Техническая электродинамика. - М.: Связь, 1978.

7. И.В.Лебедев. Техника и прибора СВЧ Ч. 1. - М.: Высшая школа, 1970.

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

Изобретение относится к волноводным трактам СВЧ и может быть использовано в этих трактах для разделения волны круговой поляризации на две волны линейной поляризации. Достигаемый положительный результат - разделение волны круговой поляризации квадратного волновода на две волны линейной поляризации. Устройство содержит квадратный волновод (КВ) с короткозамыкателем и продольными щелями возбуждения (ЩВ), прорезанными во взаимно перпендикулярных боковых стенках КВ1, и два отрезка прямоугольных волноводов (ОПВ), соединенных с боковыми стенками КВ перпендикулярно этим стенкам в местах расположения ЩВ, при этом сечения щелей совмещены с внутренними сечениями ОПВ. 3 ил.

Разделитель круговой поляризации, содержащий квадратный волновод длиной l_B, закороченный с одного конца короткозамыкателем и имеющий во взаимно перпендикулярных боковых стенках щели возбуждения, и два отрезка прямоугольных волноводов длиной l₁ и l₂, соединенных с боковыми стенками квадратного волновода перпендикулярно этим стенкам в местах расположения щелей возбуждения, отличающийся тем, что щели возбуждения выполнены продольными прямоугольной формы посредине поперечных размеров боковых стенок на расстоянии l_к от короткозамыкателя и совмещены по сечению с внутренним сечением отрезков прямоугольных волноводов, так что длина а_щ, ширина b_щ продольных щелей возбуждения равны соответственно длинам широкой и узкой боковых стенок отрезков прямоугольных волноводов, при этом длина l_в квадратного волновода, размеры щелей возбуждения и боковых стенок отрезков прямоугольных волноводов а_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
a_щ ≃ (061-0,63)λ_F,
в_щ ≃ 0,5 a_щ
l_к = λ_в/2

где λ_о- длина волны в квадратном волноводе;
λ_о- длина волны в свободном пространстве;
длина волны в отрезках прямоугольных волноводов.