ПОЛЯРИЗАТОР Российский патент 2014 года по МПК H01P1/16 

Изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано в составе облучателей широкополосных антенных систем, работающих на волнах круговой поляризации.

В настоящее время известны различные конструкции поляризаторов, содержащих отрезок круглого или квадратного волновода, имеющий, по меньшей мере, один элемент, предназначенный для преобразования волн линейной поляризации в волны круговой поляризации (или наоборот), продольная плоскость симметрии которого параллельна продольной плоскости симметрии отрезка волновода.

Широко известен поляризатор, содержащий отрезок волновода, в котором установлена продольная диэлектрическая (см., например, US 4195270, 25.03.1980) или металлодиэлектрическая пластина (см. RU 2332756 С1, 27.08.2008).

Известен поляризатор, содержащий отрезок волновода, в стенке которого установлены диаметрально расположенные длинномерные элементы (штыри), проходящие внутрь волновода, выполненные из проводящего материала (см. SU 1758720 А1, 30.08.1992).

Известен поляризатор, содержащий отрезок волновода, в котором установлена продольная ступенчатая металлическая пластина, разделяющая отрезок волновода на две части (см., например, US 4122406, 24.10.1978).

Недостаток известных поляризаторов состоит в недостаточно низком уровне кроссполяризации для современных антенных систем, работающих в широком диапазоне частот.

Подобный поляризатор (например, раскрытый в US 4122406) принят в качестве ближайшего аналога заявленного поляризатора.

Задачей заявленного изобретения является создание поляризатора, лишенного указанных недостатков.

В результате достигается технический результат, состоящий в уменьшении уровня кроссполяризации за счет уменьшения отклонения абсолютной величины дифференциального фазового сдвига ортогональных волн линейной поляризации поляризатора от 90 градусов в широком диапазоне частот.

Конкретно, указанный технический результат достигается посредством создания поляризатора, содержащего первый отрезок волновода, имеющий, по меньшей мере, один элемент, предназначенный для преобразования волн линейной поляризации в волны круговой поляризации или волн круговой поляризации в волны линейной поляризации, продольная плоскость симметрии которого параллельна продольной плоскости симметрии первого отрезка волновода, и второй отрезок волновода, связанный с первым отрезком волновода и имеющий с ним общую ось симметрии, при этом во втором отрезке волновода имеется, по меньшей мере, одно глухое цилиндрическое отверстие, в котором коаксиально установлен цилиндрический длинномерный элемент, проходящий внутрь второго отрезка волновода, выполненный из проводящего материала, ось отверстия находится в продольной плоскости симметрии, по меньшей мере, одного элемента, предназначенного для преобразования волн линейной поляризации в волны круговой поляризации или волн круговой поляризации в волны линейной поляризации, а глубина отверстия и длина длинномерного элемента выбраны из соотношений:

L_отв=a₁λ_max, L_эл=a₂λ_max-L_отв, a₂>2a₁;

a₁=0,17÷0,23;

а₂=0,42÷0,61, где

L_отв - глубина отверстия, мм;

λ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона, мм;

L_эл - длина длинномерного элемента, мм.

Согласно частному варианту выполнения первый и второй отрезки волновода составляют единый волновод.

Согласно еще одному частному варианту выполнения первый и второй отрезки волновода соединены посредством фланцевого соединения.

Согласно еще одному частному варианту выполнения радиус отверстия и радиус длинномерного элемента выбраны из соотношений:

R_отв=a₃λ_max, R_эл=a₄R_отв,

a₃=0,01÷0,1;

a₄=0,05÷0,95, где

R_отв - радиус отверстия, мм;

λ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона, мм;

R_эл - радиус длинномерного элемента, мм;

Согласно еще одному частному варианту выполнения поляризатор содержит отрезки круглого волновода.

Согласно еще одному частному варианту выполнения поляризатор содержит отрезки квадратного волновода.

Согласно еще одному частному варианту выполнения во втором отрезке волновода имеется, по меньшей мере, два диаметрально расположенных глухих цилиндрических отверстия, в каждом из которых коаксиально установлен цилиндрический длинномерный элемент.

Согласно еще одному частному варианту выполнения во втором отрезке волновода имеется, по меньшей мере, два расположенных в ряд глухих цилиндрических отверстия, в каждом из которых коаксиально установлен цилиндрический длинномерный элемент.

Согласно еще одному частному варианту выполнения элемент, предназначенный для преобразования волн линейной поляризации в волны круговой поляризации или волн круговой поляризации в волны линейной поляризации, представляет собой диэлектрическую пластину, на концах которой образованы согласующие участки, установленную в первом отрезке волновода.

Согласно предпочтительному варианту выполнения каждый из согласующих участков выполнен с вырезом, образующим среднюю впадину, имеющую форму равнобедренного треугольника, и крайние скосы, имеющие форму половины равнобедренного треугольника (в форме «ласточкина хвоста»).

Согласно еще одному частному варианту выполнения элемент, предназначенный для преобразования волн линейной поляризации в волны круговой поляризации или волн круговой поляризации в волны линейной поляризации, представляет собой ступенчатую металлическую пластину, установленную в первом отрезке волновода и разделяющую его на две части.

Согласно еще одному частному варианту выполнения поляризатор содержит, по меньшей мере, три длинномерных элемента, имеющих общую продольную плоскость симметрии, выполненных из проводящего материала, установленных в стенке первого отрезка волновода, предназначенных для преобразования волн линейной поляризации в волны круговой поляризации или волн круговой поляризации в волны линейной поляризации.

Согласно еще одному частному варианту выполнения во втором отрезке волновода имеется, по меньшей мере, одно глухое цилиндрическое отверстие, образованное сквозным отверстием, выполненным в стенке второго отрезка волновода, и глухим отверстием, выполненным в цилиндрическом элементе, связанном со стенкой, в котором коаксиально установлен цилиндрический длинномерный элемент.

Согласно предпочтительному варианту выполнения упомянутый цилиндрический элемент выступает за наружную поверхность стенки.

Согласно одному предпочтительному варианту выполнения упомянутый цилиндрический элемент выполнен за одно целое со стенкой волновода.

Согласно другому предпочтительному варианту выполнения упомянутый цилиндрический элемент соединен со стенкой волновода посредством фланцевого соединения.

Согласно еще одному частному варианту выполнения во втором отрезке волновода имеется, по меньшей мере, одно глухое цилиндрическое отверстие, образованное сквозным отверстием, выполненным в стенке второго отрезка волновода, и цилиндрическим элементом того же диаметра, установленным в нем, в котором коаксиально установлен цилиндрический длинномерный элемент.

Согласно еще одному частному варианту выполнения во втором отрезке волновода имеется, по меньшей мере, одно глухое цилиндрическое отверстие, выполненное в стенке второго отрезка волновода, в котором коаксиально установлен цилиндрический длинномерный элемент.

На фиг.1 и фиг.2 показаны схематичные изображения различных частных вариантов заявленного поляризатора.

На фиг.3 показано схематичное изображение глухого цилиндрического отверстия, в котором коаксиально установлен цилиндрический длинномерный элемент, проходящий внутрь волновода.

На фиг.4 показан еще один частный вариант выполнения второго отрезка заявленного поляризатора (с глухим цилиндрическим отверстием, выполненным в стенке второго отрезка волновода).

На фиг.5 и фиг.6 показаны графики зависимости уровня кроссполяризации от частоты, приведенные для различных вариантов заявленного поляризатора (в сравнении с известными поляризаторами схожей конструкции).

Согласно частному варианту, показанному на фиг.1, поляризатор содержит первый отрезок круглого волновода 1а, в котором установлена диэлектрическая пластина 2а, предназначенная для преобразования волн линейной поляризации в волны круговой поляризации (или наоборот), на концах которой образованы согласующие участки в форме «ласточкина хвоста», и второй отрезок круглого волновода 3а.

Во втором отрезке волновода 3а имеется одно глухое цилиндрическое отверстие 4а, в котором коаксиально установлен цилиндрический длинномерный элемент 5а.

Согласно частному варианту, показанному на фиг.2, поляризатор содержит первый отрезок квадратного волновода 1b, в котором установлена ступенчатая металлическая пластина 2b, предназначенная для преобразования волн линейной поляризации в волны круговой поляризации (и наоборот), разделяющая первый отрезок квадратного волновода 1b на две части, и второй отрезок квадратного волновода 3b.

Во втором отрезке волновода 3b имеется два расположенных в ряд глухих цилиндрических отверстия 4b, в каждом из которых коаксиально установлен цилиндрический длинномерный элемент 5b.

Возможно выполнение второго отрезка волновода 3a (или 3b) с двумя или более (например, четырьмя, как показано на фиг.4) диаметрально расположенными глухими цилиндрическими отверстиями 4a (или 4b), в каждом из которых коаксиально установлен цилиндрический длинномерный элемент 5a (или 5b).

Каждый цилиндрический длинномерный элемент 5a (или 5b) проходит внутрь второго отрезка волновода 3a (или 3b) и выполнен из проводящего материала.

Второй отрезок волновода 3a (или 3b) связан с первым отрезком волновода 1a (или 1b), например, посредством фланцевого соединения (не показано) и имеет с ним общую ось симметрии.

Продольная плоскость симметрии диэлектрической пластины 2a (или ступенчатой металлической пластины 2b) параллельна продольной плоскости симметрии первого отрезка волновода 1a (или 1b).

В качестве, по меньшей мере, одного элемента, предназначенного для преобразования волн линейной поляризации в волны круговой поляризации (или наоборот), может быть использован любой, по меньшей мере, один конструктивный элемент, решающий данную задачу, не упомянутый в рамках настоящего изобретения (например, ребра, установленные в стенке первого отрезка волновода или выполненные с ней за одно целое).

Согласно частному варианту, показанному на фиг.1 и 2, каждое глухое цилиндрическое отверстие 4a (или 4b) образовано сквозным отверстием, выполненным в стенке второго отрезка волновода 3a (или 3b), и глухим отверстием, выполненным в цилиндрическом элементе 6a (или 6b), связанном со стенкой (например, выполненном с ней за одно целое) и выступающем за ее наружную поверхность.

Согласно частному варианту, показанному на фиг.4, каждое глухое цилиндрическое отверстие 4a (или 4b) выполнено в стенке второго отрезка волновода 3a (или 3b).

Каждый цилиндрический длинномерный элемент 5a (или 5b) установлен в отверстии 4a (или 4b) любым подходящим технологическим способом. Например, конец каждого элемента 5a (или 5b) может быть закреплен в цилиндрическом элементе 6a (или 6b) болтовым соединением (не показано).

Согласно частным вариантам, показанным на фиг.1 и фиг.2, ось каждого глухого цилиндрического отверстия 4а (или 4b) находится в продольной плоскости симметрии диэлектрической пластины 2а или ступенчатой металлической пластины 2b.

Глубина каждого отверстия 4а (или 4b) L_отв и длина каждого длинномерного элемента 5а (или 5b) L_эл выбраны из соотношений:

L_отв=a₁λ_max, L_эл=a₂λ_max-L_отв, a₂>2a₁;

a₁=0,17÷0,23;

а₂=0,42÷0,61, где

L_отв - глубина отверстия, мм;

λ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона, мм;

L_эл - длина длинномерного элемента, мм.

Известно, что в волноводных поляризаторах, обеспечивающих преобразование волн линейной поляризации в волны круговой поляризации (или волн круговой поляризации в волны линейной поляризации), в широком рабочем диапазоне частот (более 20%) уровень кроссполяризации (УКП) в низкочастотной части диапазона растет по мере приближения к критической частоте волны основного типа. Это происходит из-за роста абсолютной величины дифференциального фазового сдвига (разности электрических длин поляризатора для двух ортогональных волн линейной поляризации). Приведенные выше соотношения выбраны таким образом, чтобы дифференциальный фазовый сдвиг (ДФС) в широком рабочем диапазоне частот поляризатора (включая низкочастотный участок рабочего диапазона) существенно не отклонялся по абсолютной величине от 90 градусов, а коэффициент отражения (КО) не превышал значения минус 10 дБ. Экспериментально подтверждено, что при выборе a₁<0,17 и/или а₂<0,42, а также при выборе a₃>0,23 и/или а₄>0,61 в рабочем диапазоне наблюдается повышение КО более минус 10 дБ и/или наблюдается резонанс, при котором ДФС существенно отклоняется по абсолютной величине от 90 градусов, что, в свою очередь, существенно увеличивает УКП, что в ряде случаев недопустимо (например, для работы в космических системах связи, работающих с поляризационным уплотнением).

Радиус каждого глухого цилиндрического отверстия 4а (или 4b) R_отв и диаметр каждого цилиндрического длинномерного элемента 5а (или 5b) R_эл выбраны из соотношений:

R_отв=a₃λ_max, R_эл=a₄R_отв,

a₃=0,01÷0,1;

a₄=0,05÷0,95, где

R_отв - радиус отверстия, мм;

λ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона, мм;

R_эл - радиус длинномерного элемента, мм;

На графике, представленном на фиг.5, приведено сравнение характеристик, обеспечиваемых при использовании известного поляризатора (пунктирная кривая 1), содержащего отрезок круглого волновода и диэлектрическую пластину, на концах которой образованы согласующие участки в форме «ласточкина хвоста», и частного варианта заявленного поляризатора (сплошная кривая 2), имеющего аналогичную конструкцию, модифицированную в соответствии с настоящим изобретением (см. конструкцию на фиг.1). В рабочем диапазоне частот 3,4-4,2 ГГц УКП известного поляризатора может возрастать до минус 26 дБ.

В заявленном поляризаторе с параметрами: a₁=0,20, а₂=0,49, λ_max=88,23 мм (частота 3,4 ГГц), а₃=0,051, a₄=0,33 в рабочем диапазоне частот 3,4-4,2 ГГц УКП не превышает минус 35 дБ.

На графике, представленном на фиг.6, приведено сравнение характеристик, обеспечиваемых при использовании известного поляризатора, содержащего отрезок квадратного волновода и ступенчатую металлическую пластину, и частного варианта заявленного поляризатора, имеющего аналогичную конструкцию, модифицированную в соответствии с настоящим изобретением (см. конструкцию на фиг.2). В рабочем диапазоне частот 3,4-4,2 ГГц УКП известного поляризатора может возрастать до минус 21 дБ.

В заявленном поляризаторе с параметрами: a₁=0,21, а₂=0,51, λ_max=88,23 мм, а₃=0,052, a₄=0,34 в рабочем диапазоне частот 3,4-4,2 ГГц УКП не превышает минус 35 дБ.

Заявленный поляризатор используют следующим образом. На вход поляризатора поступает волна линейной поляризации. Проходя поляризатор, эта волна преобразуется в две ортогональные волны линейной поляризации с ДФС, близким по абсолютной величине к 90 градусам, сумма которых образует поле волны круговой поляризации. И наоборот, при поступлении на выход волн круговой поляризации на входе образуются волны линейной поляризации.

Изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано в составе облучателей широкополосных антенных систем, работающих на волнах круговой поляризации. Технический результат - уменьшение уровня кроссполяризации за счет уменьшения отклонения абсолютной величины дифференциального фазового сдвига ортогональных волн линейной поляризации поляризатора от 90^о градусов в широком диапазоне частот. Поляризатор содержит первый отрезок волновода, имеющий один элемент, предназначенный для преобразования волн линейной поляризации в волны круговой поляризации или волн круговой поляризации в волны линейной поляризации, продольная плоскость симметрии которого параллельна продольной плоскости симметрии первого отрезка волновода, и второй отрезок волновода, связанный с первым отрезком волновода и имеющий с ним общую ось симметрии. Во втором отрезке волновода имеется одно глухое цилиндрическое отверстие. В отверстии коаксиально установлен цилиндрический длинномерный элемент, проходящий внутрь волновода, выполненный из проводящего материала. Ось отверстия находится в продольной плоскости симметрии одного элемента, предназначенного для преобразования волн линейной поляризации в волны круговой поляризации или волн круговой поляризации в волны линейной поляризации. 17 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Поляризатор, содержащий первый отрезок волновода, имеющий, по меньшей мере, один элемент, предназначенный для преобразования волн линейной поляризации в волны круговой поляризации или волн круговой поляризации в волны линейной поляризации, продольная плоскость симметрии которого параллельна продольной плоскости симметрии первого отрезка волновода, отличающийся тем, что он снабжен вторым отрезком волновода, связанным с первым отрезком волновода и имеющим с ним общую ось симметрии, при этом во втором отрезке волновода имеется, по меньшей мере, одно глухое цилиндрическое отверстие, в котором коаксиально установлен цилиндрический длинномерный элемент, проходящий внутрь второго отрезка волновода, выполненный из проводящего материала, ось отверстия находится в продольной плоскости симметрии, по меньшей мере, одного элемента, предназначенного для преобразования волн линейной поляризации в волны круговой поляризации или волн круговой поляризации в волны линейной поляризации, а глубина отверстия и длина длинномерного элемента выбраны из соотношений:
L_отв=a ₁λ_max, L_эл=a ₂λ_max-L_отв, a ₂>2a ₁;
a ₁=0,17÷0,23;
а ₂=0,42÷0,61, где
L_отв - глубина отверстия, мм;
λ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона, мм;
L_эл - длина длинномерного элемента, мм.

2. Поляризатор по п.1, отличающийся тем, что первый и второй отрезки волновода составляют единый волновод.

3. Поляризатор по п.1, отличающийся тем, что первый и второй отрезки волновода соединены посредством фланцевого соединения.

4. Поляризатор по п.1, отличающийся тем, что радиус отверстия и радиус длинномерного элемента выбраны из соотношений:
R_отв=a ₃λ_max, R_эл=a ₄R_отв,
a ₃=0,01÷0,1;
a ₄=0,05÷0,95, где
R_отв - радиус отверстия, мм;
λ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона, мм;
R_эл - радиус длинномерного элемента, мм.

5. Поляризатор по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что он содержит отрезки круглого волновода.

6. Поляризатор по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что он содержит отрезки квадратного волновода.

7. Поляризатор по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что во втором отрезке волновода имеется, по меньшей мере, два диаметрально расположенных глухих цилиндрических отверстия, в каждом из которых коаксиально установлен цилиндрический длинномерный элемент.

8. Поляризатор по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что во втором отрезке волновода имеется, по меньшей мере, два расположенных в ряд глухих цилиндрических отверстия, в каждом из которых коаксиально установлен цилиндрический длинномерный элемент.

9. Поляризатор по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что элемент, предназначенный для преобразования волн линейной поляризации в волны круговой поляризации или волн круговой поляризации в волны линейной поляризации, представляет собой диэлектрическую пластину, на концах которой образованы согласующие участки, установленную в первом отрезке волновода.

10. Поляризатор по п.9, отличающийся тем, что каждый из согласующих участков выполнен с вырезом, образующим среднюю впадину, имеющую форму равнобедренного треугольника, и крайние скосы, имеющие форму половины равнобедренного треугольника.

11. Поляризатор по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что элемент, предназначенный для преобразования волн линейной поляризации в волны круговой поляризации или волн круговой поляризации в волны линейной поляризации, представляет собой ступенчатую металлическую пластину, установленную в первом отрезке волновода и разделяющую его на две части.

12. Поляризатор по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что он содержит, по меньшей мере, три длинномерных элемента, имеющих общую продольную плоскость симметрии, выполненных из проводящего материала, установленных в стенке первого отрезка волновода, предназначенных для преобразования волн линейной поляризации в волны круговой поляризации или волн круговой поляризации в волны линейной поляризации.

13. Поляризатор по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что во втором отрезке волновода имеется, по меньшей мере, одно глухое цилиндрическое отверстие, в котором коаксиально установлен цилиндрический длинномерный элемент, образованное сквозным отверстием, выполненным в стенке второго отрезка волновода, и глухим отверстием, выполненным в цилиндрическом элементе, связанном со стенкой.

14. Поляризатор по п.13, отличающийся тем, что упомянутый цилиндрический элемент выступает за наружную поверхность стенки.

15. Поляризатор по п.14, отличающийся тем, что упомянутый цилиндрический элемент выполнен за одно целое со стенкой волновода.

16. Поляризатор по п.14, отличающийся тем, что упомянутый цилиндрический элемент соединен со стенкой волновода посредством фланцевого соединения.

17. Поляризатор по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что во втором отрезке волновода имеется, по меньшей мере, одно глухое цилиндрическое отверстие, в котором коаксиально установлен цилиндрический длинномерный элемент, образованное сквозным отверстием, выполненным в стенке второго отрезка волновода, и цилиндрическим элементом того же диаметра, установленным в нем.

18. Поляризатор по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что во втором отрезке волновода имеется, по меньшей мере, одно глухое цилиндрическое отверстие, в котором коаксиально установлен цилиндрический длинномерный элемент, выполненное в стенке второго отрезка волновода.