ПЛАНАРНЫЙ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ СЕЛЕКТОР Российский патент 2018 года по МПК H01P1/161 

Область техники

Изобретение относится к области СВЧ-устройств, в частности, к устройствам разделения или объединения электромагнитных волн с ортогональными поляризациями.

Уровень техники

Одним из приемов увеличения пропускной способности беспроводной системы связи без существенного усложнения оборудования является использование двух ортогональных поляризаций. Благодаря этому становится возможной одновременная передача и/или прием двух потоков информации, каждый из которых переносится в пространстве ортогонально-поляризованными электромагнитными волнами. Ключевыми элементами такой системы являются двухполяризационные антенны и поляризационные селекторы – устройства для выделения с общего входа антенны каждой из двух ортогонально-поляризованных волн на один или более из своих выходов.

Традиционно, поляризационные селекторы выполняются на основе полых металлических волноводов, а именно нескольких волноводов прямоугольного сечения, поддерживающих только одну поляризацию, и одного волновода круглого или квадратного поперечного сечения, поддерживающего два типа ортогонально-поляризованных волн. Выход круглого или квадратного волновода подключается обычно к двухполяризационной антенне. Вариант такого волноводного поляризационного селектора раскрыт в патенте US6087908 и представлен на Фиг. 1. Основными недостатками такого поляризационного селектора являются большие габариты, сложность и, как следствие, высокая стоимость изготовления, обусловленная необходимостью высокоточной фрезеровки или сварки нескольких металлических деталей со сложной внутренней структурой. В связи с этим возникают трудности и в интеграции волноводного поляризационного селектора в радиочастотный тракт приемопередающих устройств.

Устранить недостатки поляризационного селектора, выполненного на основе полых металлических волноводов, можно при использовании планарных поляризационных селекторов на основе зондов. Выделение ортогональных поляризаций в этом случае производится с помощью ортогональных зондов, выполненных на одной или нескольких печатных платах, расположенных поперек круглого или квадратного двухполяризационного волновода, подключенного к выходу двухполяризационной антенны. Поляризационный селектор, устроенный по такому принципу, раскрыт в патенте JPH11308004 и показан на Фиг. 2. В такой структуре оба выхода селектора с ортогональными поляризациями выполнены уже на планарных (обычно микрополосковых) линиях передачи на печатных платах. При этом зонды являются продолжениями этих линий в область волновода.

Технология печатных плат на протяжении последнего десятилетия развивается быстрыми темпами, и производство печатных плат на подложках из диэлектриков с малыми диэлектрическими потерями в СВЧ и КВЧ диапазонах, в том числе и многослойных, стало существенно дешевле производства сложных полых волноводных компонент и, поэтому, выгоднее в массовом производстве. С технической точки зрения использование плат вместо волноводов позволяет существенно уменьшить габариты устройства и облегчить его интеграцию в радиочастотный тракт.

В то же время недостатками поляризационного селектора на основе зондового подхода с использованием печатных плат, представленного выше, является относительно низкий уровень изоляции ортогонально-поляризованных каналов, узкая рабочая полоса, а также необходимость использования согласующей четвертьволновой металлической заглушки для входного двухполяризационного волновода.

Другой способ реализации поляризационного селектора – это замена двухполяризационного волновода (круглого или квадратного сечения), служащего связующим звеном между выходом антенны и собственно поляризационным селектором, непосредственно антенным элементом, который может выступать либо самостоятельной двухполяризационной антенной, либо быть первичным излучателем, который формирует требуемое амплитудное и фазовое распределения на основной антенне (например, линзе или отражающем зеркале).

Такой подход раскрыт в патенте CN104752841 и показан на Фиг. 3. Первичным излучателем здесь служит резонансная петлевая антенна (330), которая выполнена в верхнем уровне металлизации печатной платы. Причем, благодаря квадратной форме этой петли, ее возбуждение возможно одновременно на двух ортогональных поляризациях. Подводящими линиями здесь служат отрезки поверхностного волновода (335, 336) – планарной линии передачи, в которой волновод выполнен внутри печатной платы между двумя уровнями металлизации с помощью переходных металлизированных отверстий. Для получения требуемого уровня изоляции между двумя ортогональными выходами селектора, в центре первичного излучателя расположено переходное отверстие (334), которое препятствует возбуждению резонансной петлевой антенны (330) со стороны ортогонального изолированного поверхностного волновода. В данном исполнении первичный излучатель формирует требуемые амплитудные и фазовые распределения на основной антенне, которая располагается над ним. Поверхностные волноводы ортогональных поляризаций (335, 336) могут быть снабжены на выходах переходами на микрополосковые линии для интеграции с радиочастотным приемопередатчиком. При этом, и первичный излучатель и приемопередатчик могут быть расположены на одной печатной плате.

Однако, у рассмотренного поляризационного селектора, выбранного за прототип настоящего изобретения, имеется несколько технических недостатков:

1. Отсутствие универсальности. Использование первичного антенного элемента в связке с основной антенной существенно ограничивает спектр возможных конструкций антенн, которые могут быть применены вместе с ним. Другими словами, у рассмотренного поляризационного селектора отсутствует универсальный выход, которым обычно является двухполяризационный металлический волновод. Это исключает возможность подключения различных антенн к рассмотренному поляризационному селектору и существенно ограничивает область его применения. В частности, решение не применимо к широко распространенным антеннам рупорного типа, а также к интегрированным линзовым антеннам с волноводным облучателем, помещенным на плоскую поверхность линзы;

2. Узкая рабочая полоса частот. Резонансная петлевая антенна по своей сути представляет щелевую рамку с током, которая начинает излучать при подстройке на определенную частоту, связанную с величиной периметра этой рамки. По этой причине, такой излучатель, а значит и поляризационный селектор, обладают относительно узкой рабочей полосой (4%), что подтверждается экспериментальными данными, приведенными в CN104752841;

3. Малая развязка между поляризациями. Результат измерений уровня поляризационной развязки рассматриваемого поляризационного селектора составляет только 22…23 дБ в рабочей полосе (данные также приведены в CN104752841), что может быть недостаточно для многих приложений радиосвязи;

4. Высокий уровень вносимых потерь. Представленный поляризационный селектор с первичным антенным элементом обладает относительно более высокими вносимыми потерями из-за наличия узкой излучающей щели резонансной петлевой рамки. Узкая щель с током повышает концентрацию поверхностных токов проводимости и интенсивность электрического поля в диэлектрике около щели, внося дополнительные потери сигнала.

Таким образом, возникает потребность в более универсальном устройстве поляризационного селектора, выполненном с возможностью подключения к любым двухполяризационным антеннам с волноводным интерфейсом, которое бы обладало более широкой рабочей полосой, более высоким уровнем поляризационной развязки и меньшим уровнем вносимых потерь, но, при этом, сохраняло простое планарное исполнение.

Раскрытие сущности изобретения

Указанные выше задачи решены посредством раскрытого в настоящем описании планарного поляризационного селектора, содержащего поверхностный резонатор с двумя подключенными к нему подводящими поверхностными волноводами, причем и поверхностный резонатор, и подводящие поверхностные волноводы образованы множеством металлизированных переходных отверстий между двух уровней металлизации печатной платы, и отличающегося тем, что он дополнительно содержит металлический двухполяризационный волновод, а поверхностный резонатор дополнительно содержит щелевую апертуру в одном из двух уровней металлизации, причем металлический двухполяризационный волновод установлен на поверхности печатной платы в области щелевой апертуры поверхностного резонатора, а поверхностный резонатор является резонатором нефундаментальных ортогональных мод.

Технический результат заявляемого изобретения выражается, с одной стороны, в расширении рабочей полосы частот поляризационного селектора, понижении уровня вносимых потерь, повышении уровня поляризационной развязки, а с другой стороны, в обеспечении стандартного волноводного двухполяризационного входа, служащего для подключения планарного поляризационного селектора к антенне произвольного типа.

Указанный технический результат достигается за счет использования поверхностного резонатора, выполненного между двумя любыми уровнями металлизации печатной платы, образованного металлизированными переходными отверстиями по его периметру. С двух смежных сторон, через окна в переходных отверстиях поверхностного резонатора, к нему подключаются два подводящих поверхностных волновода, расположенных ортогонально. Резонатор является резонатором двух нефундаментальных ортогональных мод электромагнитного поля. За счет этого при возбуждении резонатора одним из подводящих поверхностных волноводов второй остается в невозбужденном состоянии, т.е. обеспечивается высокий уровень изоляции между двумя выходами поляризационного селектора.

В поверхностном резонаторе выполнена щелевая апертура определенной формы, которая реализована в виде выреза в верхнем уровне металлизации печатной платы. Через эту апертуру обеспечивается возбуждение металлического двухполяризационного волновода, который может передавать две ортогонально-поляризованные электромагнитные волны одновременно. При этом каждая поляризация соответствует одной из двух нефундаментальных мод поверхностного резонатора. В результате, при подаче волн двух поляризаций через металлический волновод на вход поляризационного селектора, в резонаторе возбуждаются две моды, каждая из которых в свою очередь возбуждает только один из выходных поверхностных волноводов.

Увеличение полосы пропускания и уменьшение потерь прохождения поляризационного селектора обеспечивается за счет отсутствия резонансных элементов (таких как щелевая рамка) в щелевой апертуре поверхностного резонатора.

Увеличение поляризационной развязки обеспечивается за счет введения в структуру поляризационного селектора поверхностного резонатора нефундаментальных ортогональных мод.

Универсальность селектора обеспечивается за счет введения в структуру поляризационного селектора металлического двухполяризационного волновода, являющегося стандартным интерфейсом многих СВЧ устройств и антенн.

В одном из вариантов реализации настоящего изобретения поверхностный резонатор и подводящие поверхностные волноводы выполнены на печатной плате с одним слоем диэлектрика. В этом варианте реализации возможно оптимизировать толщину слоя печатной платы для уменьшения потерь и лучшего согласования по импедансу.

В другом варианте реализации настоящего изобретения поверхностный резонатор и подводящие поверхностные волноводы выполнены на печатной плате с несколькими слоями диэлектрика. В этом случае и резонатор, и волновод могут быть реализованы как на одном слое диэлектрика печатной платы (например, на верхнем), так и на нескольких слоях между любых двух уровней металлизации.

В другом конкретном варианте реализации настоящего изобретения поверхностный резонатор имеет форму, выбранную из группы форм, включающей квадратную форму, круглую форму, крестообразную форму, Н-образную форму. Эта форма ограничивается множеством переходных металлизированных отверстий, реализованных на печатной плате. Выбор конкретной формы резонатора делается в зависимости от формы двухполяризационного волновода и из соображений простоты согласования по импедансу в широкой полосе частот.

В еще одном варианте реализации настоящего изобретения двухполяризационный металлический волновод имеет форму, выбранную из группы форм, включающей квадратную форму, круглую форму, крестообразную форму, Н-образную форму. Многообразие возможных форм обеспечивает универсальность селектора при подключении к различным антеннам, входной волноводный интерфейс которых также может иметь разные формы.

В еще одном варианте реализации настоящего изобретения щелевая апертура поверхностного резонатора имеет форму, выбранную из группы форм, включающей квадратную форму, круглую форму, крестообразную форму, Н-образную форму. В частных вариантах реализации эта форма совпадает с формой поверхностного резонатора.

В другом варианте реализации настоящего изобретения щелевая апертура поверхностного резонатора содержит проводящие зонды. Такие зонды обычно являются выступами в апертуре резонатора, выполненными на верхнем уровне металлизации печатной платы и служащими для дополнительного согласования по импедансу.

В еще одном варианте реализации настоящего изобретения вдоль боковых стенок металлического двухполяризационного волновода выполнены металлические ребра, служащие для согласования по импедансу поверхностного резонатора и двухполяризационного металлического волновода. В более частном варианте реализации эти металлические ребра вдоль боковых стенок выполнены плавно сужающимися, начиная от печатной платы, т.е. в виде клина.

В одном конкретном варианте реализации настоящего изобретения планарный поляризационный селектор содержит, по меньшей мере, одно дополнительное металлизированное переходное отверстие между двумя уровнями металлизации внутри поверхностного резонатора. Такие отверстия служат для выравнивания структур ортогональных мод резонатора, нарушения которых связаны с неоднородностями, возникающими в местах подведения сигнала поверхностными волноводами.

В еще одном варианте реализации настоящего изобретения поверхностный резонатор соединен с подводящими поверхностными волноводами через окна в переходных отверстиях поверхностного резонатора, а также через согласующие сужения поверхностных волноводов.

В конкретном варианте реализации настоящего изобретения выходы подводящих поверхностных волноводов соединены с переходами на планарную линию передачи, выбранную из группы линий передач, включающей микрополосковую линию передачи, полосковую линию передачи, копланарную линию передачи, двухпроводную линию передачи. В более конкретной реализации указанные линии передач соединяются с контактными площадками микросхем радиочастотного модуля приемопередатчика.

В другом варианте реализации настоящего изобретения подводящие поверхностные волноводы соединены с поверхностными фильтрами. В этом случае фильтры служат для частотного разделения двух сигналов с разными поляризациями. В частном случае, это могут быть принимаемые и передаваемые сигналы приемопередатчика с частотным разделением приема и передачи.

В еще одном варианте реализации настоящего изобретения подводящие поверхностные волноводы соединены с переходами на металлические волноводы. Этот случай используется при соединении планарного поляризационного селектора с выходами некоторых стандартных приемников и передатчиков с волноводными интерфейсами.

В еще одном варианте реализации настоящего изобретения планарный поляризационный селектор является первичным облучателем апертурных антенн. В этом случае сигнал излучается непосредственно из металлического двухполяризационного волновода в сторону апертурной антенны.

В другом варианте реализации настоящего изобретения вход двухполяризационного металлического волновода подключен к антенне. В более частных реализациях это могут быть различные рупорные антенны, зеркальные антенны или интегрированные линзовые антенны.

Краткое описание чертежей

Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания реализации заявленного технического решения и чертежей, на которых показаны:

Фиг. 1 – структура волноводного поляризационного селектора (уровень техники, патент № US6087908);

Фиг. 2 – структура поляризационного селектора зондового типа, выполненного на печатной плате (уровень техники, патент № JPH11308004);

Фиг. 3 – двухполяризационный излучатель для плоской линзы (уровень техники, патент № CN104752841);

Фиг. 4А – топология печатной платы планарного поляризационного селектора в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения;

Фиг. 4Б – внешний вид планарного поляризационного селектора в соответствии с одном из вариантов реализации настоящего изобретения;

Фиг. 5 – структура поверхностного волновода, выполненного на печатной плате (уровень техники);

Фиг. 6 – результаты компьютерного моделирования характеристик планарного поляризационного селектора, выполненного в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения;

Фиг. 7 – принцип работы планарного поляризационного селектора, выполненного в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения.

На фигурах цифрами обозначены следующие позиции: 1 – поверхностный резонатор; 2 – подводящие поверхностные волноводы; 3 – щелевая апертура поверхностного резонатора; 4 – проводящие зонды; 5 – металлические ребра; 6 – дополнительные металлизированные переходные отверстия; 7 – согласующее сужение поверхностного волновода; 8 – окна в переходных отверстиях поверхностного резонатора, 9 – двухполяризационный металлический волновод; 10 – печатная плата.

Осуществление изобретения

Планарный поляризационный селектор в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения показан на Фиг. 4. Он содержит поверхностный резонатор (1) с двумя подключенными к нему подводящими поверхностными волноводами (2), причем и поверхностный резонатор (1), и подводящие поверхностные волноводы (2) образованы множеством металлизированных переходных отверстий между двух уровней металлизации печатной платы (10). Поверхностный волновод отдельно показан на Фиг. 5. Металлизированные переходные отверстия, соединяющие нижний и верхний уровни металлизации печатной платы (10), образуют боковые стенки подводящих поверхностных волноводов (2). А верхний и нижний уровни металлизации печатной платы (10) образуют соответственно верхнюю и нижнюю стенки подводящих поверхностных волноводов (2). При этом, подводящие поверхностные волноводы (2) имеют диэлектрическое заполнение, состоящее из материала подложки печатной платы (10), в которой они выполнены. Принцип работы подводящих поверхностных волноводов (2) и их характеристики полностью соответствуют прямоугольному металлическому волноводу примерно тех же размеров с соответствующим диэлектрическим заполнением.

На одной стороне печатной платы (10) установлен двухполяризационный металлический волновод (9). Этот волновод расположен на печатной плате (10), касается своими стенками верхнего уровня металлизации печатной платы (10) и своим раскрывом накрывает щелевую апертуру поверхностного резонатора (3), которая выполнена в верхнем уровне металлизации печатной платы (10) и имеет ту же квадратную форму, что и форма поперечного сечения металлического волновода (9). Подводящие поверхностные волноводы (2) соединяются с поверхностным резонатором (1) через окна в переходных отверстиях поверхностного резонатора (8) и согласующие сужения поверхностных волноводов (7). Подводящие поверхностные волноводы (2) расположены с двух смежных сторон поверхностного резонатора (1), ортогонально друг другу. При этом, они имеют такие размеры, что в них существует только фундаментальный тип электромагнитных колебаний (волноводы главной моды) в рабочей полосе частот планарного поляризационного селектора.

В то же время в рабочей полосе частот планарного поляризационного селектора поверхностный резонатор (1) имеет такие размеры, что в нем существуют высшие типы ортогональных электромагнитных колебаний – нефундаментальные ортогональные моды TEM21 и TEM12, распределения напряженности электрических полей которых представлены на Фиг. 6. Эти моды имеют такие структуры распределения электромагнитных полей, что электромагнитное поле одной из ортогональных нефундаментальных мод имеет одновременно максимум в месте соединения поверхностного резонатора (1) с одним из подводящих поверхностных волноводов (2) и минимум в месте соединения поверхностного резонатора (1) со вторым из подводящих поверхностных волноводов (2), а распределение модуля электромагнитного поля другой нефундаментальной моды, которая ортогональна первой моде, наоборот, имеет одновременно максимум в месте соединения поверхностного резонатора (1) со вторым из подводящих поверхностных волноводов (2) и минимум в месте соединения поверхностного резонатора (1) с первым из подводящих поверхностных волноводов (2). В конкретном случае ширина стенки поверхностного резонатора нефундаментальных мод выбирается по существу равной длине волны резонирующего сигнала, а ширина подводящих волноводов главной моды равна только половине длины распространяющейся волны.

Печатная плата (10) планарного поляризационного селектора может содержать как один, так и несколько слоев диэлектрика. При этом поверхностный резонатор (1) и подводящие поверхностные волноводы (2) планарного поляризационного селектора могут быть интегрированы как в одном из нескольких слоев диэлектрика печатной платы, так и в нескольких слоях, например, в целях изменения высоты слоя, или материала диэлектрика печатной платы (10), занимаемого планарным поляризационным селектором. Такая универсальность позволяет использовать рассматриваемый планарный поляризационный селектор совместно с любыми другими планарными устройствами, включая и полнофункциональный приемопередающий модуль, который обычно требует нескольких слоев СВЧ печатной платы.

Поверхностный резонатор (1) и двухполяризационный металлический волновод (9) могут иметь разные формы: квадратную, круглую, крестообразную, Н-образную или любые другие с возможностью передачи или возбуждения двух ортогональных мод. При этом для двухполяризационного металлического волновода (9) это будут основные, фундаментальные, моды TEM010 и TEM100, а для резонатора (1), как уже упоминалось, – нефундаментальные моды TEM21 и TEM12. Между собой формы поверхностного резонатора (1) и двухполяризационного металлического волновода (9) могут быть как одинаковыми, так и отличными между собой.

Для согласования по импедансу двухполяризационного металлического волновода (9) и поверхностного резонатора (1) в поляризационном селекторе по Фиг. 4 используются металлические ребра (5), выполненные вдоль боковых стенок двухполяризационного металлического волновода (9). Эти ребра выполняют функцию дополнительного трансформатора импеданса в широкой полосе частот. При этом для плавной трансформации импеданса металлические ребра (5) могут быть выполнены плавно сужающимися (клиновидными) от щелевой апертуры поверхностного резонатора (3) ко входу двухполяризационного металлического волновода (9).

Щелевая апертура поверхностного резонатора (3) может также иметь различные формы и содержать проводящие зонды (4), которые также необходимы для эффективного согласования между поверхностным резонатором (1) и двухполяризационным металлическим волноводом (9), особенно в случае использования металлических ребер (5).

Планарный поляризационный селектор может содержать дополнительные металлизированные переходные отверстия (6), выравнивающие структуры электромагнитных мод поверхностного резонатора (1) и расширяющие рабочую полосу планарного поляризационного селектора. Такие металлизированные переходные отверстия (6) эффективно расположены внутри периметра резонатора (1) вне области щелевой апертуры (3) и напротив места подведения сигнала поверхностными волноводами (2). Именно последние и вносят искажения в структуру полей мод, возбуждаемых резонатором (1), в силу своих относительно больших размеров. В планарном поляризационном селекторе по Фиг. 4 дополнительные металлизированные переходные отверстия (6) также расположены и в углу поверхностного резонатора (1) напротив двух подводящих поверхностных волноводов (2).

Благодаря использованию двухполяризационного металлического волновода (9) на входе устройства, планарный поляризационный селектор не содержит дополнительных излучающих элементов и не требует дополнительных элементов для монтажа антенны, за счет чего заявляемое изобретение имеет меньшие габариты по сравнению с аналогами. Кроме этого, возможность выполнения двухполяризационного металлического волновода (9) в разных формах повышает универсальность всего устройства в целом.

Дополнительные металлизированные переходные отверстия (6), а также согласующие сужения (7) в местах подключения подводящих поверхностных волноводов (2) к поверхностному резонатору (1) позволяют повысить уровень поляризационной развязки до 30 дБ и расширить полосу согласования. На Фиг. 6 представлены результаты компьютерного моделирования S-параметров планарного поляризационного селектора, выполненного в соответствии с рассматриваемым вариантом реализации настоящего изобретения. Кривая «S21» соответствует коэффициенту передачи между двухполяризационным металлическим волноводом (9) и первым подводящим поверхностным волноводом (2). При этом на входе двухполяризационного металлического волновода (9) возбуждается только та линейная поляризация, которая проходит с небольшими потерями в этот первый поверхностный волновод. Кривая «S31» соответствует коэффициенту передачи между двухполяризационным металлическим волноводом (9) и вторым подводящим поверхностным волноводом (2), который в данном случае оказывается изолированным. При возбуждении на входе двухполяризационного металлического волновода ортогональной поляризации, кривые меняются между собой. Кривая «S11» остается неизменной и соответствует коэффициенту отражения по входу планарного поляризационного селектора. По графику на Фиг. 6 видно, что в полосе частот 26.8…29.7 ГГц (>10%) коэффициент отражения по входу планарного поляризационного селектора не превышает −10 дБ, уровень поляризационной развязки составляет не менее 30 дБ, а потери составляют не более 0.5 дБ.

Поскольку, планарный поляризационный селектор не содержит в своей конструкции узких излучающих щелей, которые имеют высокую концентрацию токов проводимости на металлических кромках и высокую интенсивность электрического поля в слое диэлектрика печатной платы (10) вблизи щели, а также за счет использования щелевой апертуры поверхностного резонатора (3) большей площади, по сравнению с аналогами, уровень вносимых токами проводимости потерь на высоких частотах ниже, а значит и потери, вносимые поляризационным селектором в рабочей полосе, ниже.

Планарный поляризационный селектор может служить облучателем для диэлектрических или металлических апертурных антенн. Выход двухполяризационного металлического волновода (9) может облучать другую печатную плату, содержащую переизлучающие элементы, либо диэлектрическую линзу. Таким образом, планарный поляризационный селектор может выполнять функцию первичного антенного элемента. Кроме того, выход планарного поляризационного селектора может быть соединен и непосредственно с антенной, имеющей волноводный интерфейс, например, рупорной антенной.

Выходы подводящих поверхностных волноводов могут содержать переходы с подводящих поверхностных волноводов (2) на микрополосковые, копланарные, полосковые, двухпроводные, дифференциальные линии передачи для целей согласования типов линий передач между планарным поляризационным селектором и радиочастотным модулем приемопередатчика.

Выходы подводящих поверхностных волноводов с помощью указанных выше переходов на линии других видов могут быть соединены непосредственно с контактными площадками микросхем радиочастотного модуля приемопередатчика, расположенных на печатной плате (10) планарного поляризационного селектора. Таким образом, планарный поляризационный селектор и радиочастотный модуль приемопередатчика могут быть выполнены на одной печатной плате (10).

Подводящие поверхностные волноводы (2) могут быть соединены с поверхностными фильтрами, содержащими поверхностные резонаторы, образованные двумя уровнями металлизации печатной платы (10) и металлизированными переходными отверстиями. Таким образом, печатная плата планарного поляризационного селектора (10) может содержать встроенные элементы, обеспечивающие частотную фильтрацию в радиочастотном модуле приемопередатчика.

Подводящие поверхностные волноводы (2) могут быть соединены с переходами с поверхностных волноводов на металлические волноводы. Таким образом, планарный поляризационный селектор может быть подключен к устройствам с волноводным интерфейсом, например, к стандартному измерительному оборудованию.

Рассмотренный планарный поляризационный селектор работает следующим образом. Фундаментальные (главные) моды двухполяризационного металлического волновода (9) TEM100 и TEM010 возбуждают в поверхностном резонаторе (1) нефундаментальные ортогональные моды высших типов TEM21 и TEM12. Рассмотрим случай распространения фундаментальной моды TEM100 двухполяризационного металлического волновода (9), в котором электрическая составляющая поля колеблется вдоль оси X. Тогда в поверхностном резонаторе (1) возбуждается нефундаментальная мода TEM21, распределения напряженности электрического поля Ez вдоль осей X и Y которой показаны на Фиг. 7. При этом максимум распределения электрического поля нефундаментальной моды поверхностного резонатора (1) совпадает с максимумом фундаментальной моды одного из подводящих поверхностных волноводов (2), ориентированного вдоль оси X, т.е. расположенного на схеме по Фиг. 7 справа от поверхностного резонатора (1), а на максимум фундаментальной моды второго из подводящих поверхностных волноводов (2), ориентированного вдоль оси Y, приходится ноль распределения электрического поля нефундаментальной моды поверхностного резонатора (1) (точка A). Таким образом, данная поляризация фундаментальной моды в двухполяризационном металлическом волноводе (9) приводит к возбуждению только плеча одного из подводящих поверхностных волноводов (2), а плечо второго из подводящих поверхностных волноводов (2) оказывается изолировано. При изменении поляризации главной моды двухполяризационного металлического волновода (9) на ортогональную, распределение поля нефундаментальной моды (TEM21) в поверхностном резонаторе (1) «поворачивается» на 90º, образуя ортогональную нефундаментальную моду (TEM12), и уже плечо первого из подводящих поверхностных волноводов (2) оказывается изолированным. В общем же случае распространения по металлическому волноводу (9) сигналов двух поляризаций одновременно каждый из них передается только на один свой поверхностный волновод (2), что и обеспечивает поляризационную развязку рассмотренного селектора.

Настоящее изобретение не ограничено конкретными вариантами реализации, раскрытыми в описании в иллюстративных целях, и охватывает все возможные модификации и альтернативы, входящие в объем настоящего изобретения, определенный формулой изобретения.

Изобретение относится к области СВЧ-устройств. Предложен планарный поляризационный селектор, содержащий поверхностный резонатор с двумя подключенными к нему подводящими поверхностными волноводами, металлический двухполяризационный волновод и печатную плату, на которой выполнены поверхностный резонатор и подводящие поверхностные волноводы, причем поверхностный резонатор дополнительно содержит щелевую апертуру в одном из двух уровней металлизации, а металлический двухполяризационный волновод установлен на поверхности печатной платы в области щелевой апертуры поверхностного резонатора, и при этом сам поверхностный резонатор является резонатором нефундаментальных ортогональных мод. Технический результат изобретения заключается в расширении рабочей полосы частот поляризационного селектора, понижении уровня вносимых потерь, повышении уровня поляризационной развязки, а также в обеспечении универсального решения со стандартным волноводным двухполяризационным входом, служащим для подключения планарного поляризационного селектора к СВЧ-устройствам и антеннам разного типа. 16 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Планарный поляризационный селектор, содержащий поверхностный резонатор с двумя подключенными к нему подводящими поверхностными волноводами, причем и поверхностный резонатор, и подводящие поверхностные волноводы образованы множеством металлизированных переходных отверстий между двух уровней металлизации печатной платы, отличающийся тем, что он дополнительно содержит металлический двухполяризационный волновод, а поверхностный резонатор дополнительно содержит щелевую апертуру в одном из двух уровней металлизации, причем металлический двухполяризационный волновод установлен на поверхности печатной платы в области щелевой апертуры поверхностного резонатора, а поверхностный резонатор является резонатором нефундаментальных ортогональных мод.

2. Планарный поляризационный селектор по п. 1, отличающийся тем, что поверхностный резонатор с двумя подключенными к нему подводящими поверхностными волноводами выполнены на печатной плате с одним слоем диэлектрика.

3. Планарный поляризационный селектор по п. 1, отличающийся тем, что поверхностный резонатор с двумя подключенными к нему подводящими поверхностными волноводами выполнены на печатной плате с несколькими слоями диэлектрика.

4. Планарный поляризационный селектор по п. 1, отличающийся тем, что поверхностный резонатор имеет форму, выбранную из группы форм, включающей квадратную форму, круглую форму, крестообразную форму, Н-образную форму.

5. Планарный поляризационный селектор по п. 1, отличающийся тем, что двухполяризационный металлический волновод имеет форму, выбранную из группы форм, включающей квадратную форму, круглую форму, крестообразную форму, Н-образную форму.

6. Планарный поляризационный селектор по п. 1, отличающийся тем, что щелевая апертура поверхностного резонатора имеет форму, выбранную из группы форм, включающей квадратную форму, круглую форму, крестообразную форму, Н-образную форму.

7. Планарный поляризационный селектор по п. 1, отличающийся тем, что щелевая апертура поверхностного резонатора содержит проводящие зонды.

8. Планарный поляризационный селектор по п. 1, отличающийся тем, что вдоль боковых стенок двухполяризационного металлического волновода выполнены металлические ребра.

9. Планарный поляризационный селектор по п. 8, отличающийся тем, что металлические ребра вдоль боковых стенок двухполяризационного металлического волновода выполнены плавно сужающимися, начиная от печатной платы.

10. Планарный поляризационный селектор по п. 1, отличающийся тем, что он содержит по меньшей мере одно дополнительное металлизированное переходное отверстие между двумя уровнями металлизации внутри поверхностного резонатора.

11. Планарный поляризационный селектор по п. 1, отличающийся тем, что поверхностный резонатор соединен с подводящими поверхностными волноводами через согласующие сужения поверхностного волновода.

12. Планарный поляризационный селектор по п. 1, отличающийся тем, что выходы подводящих поверхностных волноводов соединены с переходами на планарную линию передачи, выбранную из группы, включающей микрополосковую линию передачи, полосковую линию передачи, копланарную линию передачи, двухпроводную линию передачи.

13. Планарный поляризационный селектор по п. 12, отличающийся тем, что линии передачи соединяются с контактными площадками микросхем радиочастотного модуля приемопередатчика.

14. Планарный поляризационный селектор по п. 1, отличающийся тем, что подводящие поверхностные волноводы соединены с поверхностными планарными фильтрами.

15. Планарный поляризационный селектор по п. 1, отличающийся тем, что подводящие поверхностные волноводы соединены с переходами на металлические волноводы.

16. Планарный поляризационный селектор по п. 1, отличающийся тем, что планарный поляризационный селектор является первичным облучателем апертурных антенн.

17. Планарный поляризационный селектор по п. 1, отличающийся тем, что вход двухполяризационного металлического волновода подключен к антенне.