ВОЛНОВОДНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОЛЯРИЗАЦИИ ДЛЯ ДВУХ РАБОЧИХ ДИАПАЗОНОВ ЧАСТОТ Российский патент 2022 года по МПК H01P1/17 H01P1/165 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно, к технике СВЧ, и может быть использовано для преобразования линейной поляризации основной волны Н₁₁ круглого волновода в основную волну Н₁₁ круговой поляризации.

Преимущественной областью применения изобретения являются волноводные тракты облучателей антенных систем, выполненные на круглом волноводе и работающие в двух рабочих диапазонах частот. К таким антенным системам относятся, в частности, антенные системы наземных станций связи со спутниками в диапазонах С, Ku и Ka (Фролов О.П., Вальд В.П. «Зеркальные антенны для земных станций спутниковой связи» -Москва, Горячая линия - Телеком, 2008, стр. 27; Catalog 38 Andrew Corporation "System Planning, Product Specifications, Services", pp.393-421).

Известен волноводный преобразователь поляризации для двух рабочих диапазонов частот (патент JPS 59200501, МПК Н01Р 1/165, опубликован 13.11.1984, фигура 1; патент JPS 6333206, МПК Н01Р 1/16, опубликован 03.03.1988; доклад Golberg B.Kh., Guluev R.A. "Polarization Waveguide Devices for Satellite TV and Communication Systems" в трудах XXVII Scientific Conference on Antenna Theory and Technology - Moscow, Russia, JSC "Radiophyzika", 1994, pp.387-390; статья Bornemann J., Amari S., Uher J., Vahldieck R. "Analysis and Design of Circular Ridged Waveguide Components" в журнале IEEE Transactions on MTT, vol. 47, №3, 1999, pp. 330-335, фигура 1e; справочник Фролов О.П., Вальд В.П. «Зеркальные антенны для земных станций спутниковой связи» - Москва, Горячая линия - Телеком, 2008, рис. 6.2.18).

Волноводный преобразователь содержит отрезок круглого волновода диаметром D и группу металлических штырей, продольные оси которых расположены в одной диаметральной плоскости. Металлические штыри диаметром d выполнены в виде двух рядов, размещенных на внутренней стенке отрезка круглого волновода симметрично относительно его продольной оси с постоянным шагом t между продольными осями соседних металлических штырей. Металлические штыри одного ряда соосны металлическим штырям другого ряда, а их высота не убывает по мере приближения от края ряда к его центру.

Недостатком известного волноводного преобразователя является большой продольный габаритный размер. Это обусловлено особенностью зависимости фазы коэффициента передачи от частоты основного элемента конструкции данного устройства - пары одинаковых соосных металлических штырей с поперечным сечением в форме круга, установленных на внутренней стенке отрезка круглого волновода (патент JPS 59200501, МПК Н01Р 1/165, опубликован 13.11.1984; статья Xiao-Hui Zhu, Dai-Zong Chen, Shi-Jin Wang «A Multistrip Moment Method Technique and its Application to the Post Problem in a Circular Waveguide»" в журнале IEEE Transactions on MTT, vol. 39, №10, 1991, pp. 1762-1766).

Также известен волноводный преобразователь поляризации для двух рабочих диапазонов частот (статья Bornemann J., Amari S., Uher J., Vahldieck R. "Analysis and Design of Circular Ridged Waveguide Components" в журнале IEEE Transactions on MTT, vol. 47, №3, 1999, pp.330-335, фигура 1d; статья Eom S.Y., Korchemkin Y.B. "A New Comb Circular Polarizer Suitable for Millimeter-Band Application" в журнале ETRI Journal, vol. 28, №5, 2006, pp. 656-659; патент KR 100763579, МПК Н01Р 1/17, опубликован 04.10.2007; справочник Фролов О.П., Вальд В.П. «Зеркальные антенны для земных станций спутниковой связи» - Москва, Горячая линия - Телеком, 2008, 406 с., рисунок 6.2.18в; патент US 7768362, МПК Н01Р 1/17, опубликован 03.08.2010).

Известный волноводный преобразователь содержит отрезок круглого волновода диаметром D и группу металлических штырей, продольные оси которых расположены в одной диаметральной плоскости. Металлические штыри с поперечным сечением в форме прямоугольника со сторонами d₁ и d₂ выполнены в виде двух рядов, размещенных на внутренней стенке отрезка круглого волновода симметрично относительно его продольной оси с постоянным шагом t между продольными осями соседних металлических штырей. Металлические штыри одного ряда соосны металлическим штырям другого ряда, а их высота не убывает по мере приближения от края ряда к его центру.

Недостатком известного волноводного преобразователя является большой продольный габаритный размер. Это обусловлено особенностью зависимости фазы коэффициента передачи от частоты основного элемента конструкции данного устройства - пары одинаковых соосных металлических штырей с поперечным сечением в форме прямоугольника, установленных на внутренней стенке отрезка круглого волновода. Изменение формы поперечного сечения металлических штырей с круглой формы на прямоугольную форму обусловлено упрощением технологии изготовления устройства, но не приводит к качественному изменению зависимости фазы коэффициента передачи от частоты. При одинаковой высоте металлических штырей зависимость фазы коэффициента передачи от частоты определяется в основном площадью поперечного сечения металлических штырей, а не формой их поперечного сечения (статья Bornemann J., Amari S., Uher J., Vahldieck R. "Analysis and Design of Circular Ridged Waveguide Components" в журнале IEEE Transactions on MTT, vol. 47, №3, 1999, pp.330-335; статья Eom S.Y., Korchemkin Y.B. "A New Comb Circular Polarizer Suitable for Millimeter-Band Application" в журнале ETRI Journal, vol. 28, №5, 2006, pp. 656-659; патент US 7768362, МПК H01P 1/17, опубликован 03.08.2010).

Также известен волноводный преобразователь поляризации для двух рабочих диапазонов частот (патент US 4672334, МПК Н01Р 1/17, опубликован 09.06.1987, фигура 6А).

Известный волноводный преобразователь содержит отрезок круглого волновода диаметром D и две группы металлических штырей, продольные оси которых расположены в одной диаметральной плоскости. Металлические штыри первой группы и второй группы разнесены вдоль продольной оси отрезка круглого волновода. Металлические штыри диаметром d₁ первой группы выполнены в виде двух рядов, размещенных на внутренней стенке отрезка круглого волновода симметрично относительно его продольной оси с постоянным шагом t₁ между продольными осями соседних металлических штырей. Металлические штыри диаметром d₂ второй группы выполнены в виде двух рядов, размещенных на внутренней стенке отрезка круглого волновода симметрично относительно его продольной оси с постоянным шагом t₂ между продольными осями соседних металлических штырей. В каждой группе металлические штыри одного ряда соосны металлическим штырям другого ряда, а их высота не убывает по мере приближения от края ряда к его центру.

Недостатком известного устройства является большой продольный габаритный размер. Это обусловлено тем, что две группы металлических штырей разнесены вдоль продольной оси отрезка круглого волновода.

Также известен волноводный преобразователь поляризации для двух рабочих диапазонов частот (патент US 4672334, МПК Н01Р 1/17, опубликован 09.06.1987, фигура 4).

Известный волноводный преобразователь содержит первый отрезок круглого волновода диаметром D₁ с первой группой металлических штырей и второй отрезок круглого волновода диаметром D₂>D₁ со второй группой металлических штырей. Первый и второй отрезки круглого волновода установлены соосно и соединены плавным переходом. Продольные оси металлических штырей первой группы и второй группы расположены в одной диаметральной плоскости. Металлические штыри диаметром d₁ первой группы выполнены в виде двух рядов, размещенных на внутренней стенке первого отрезка круглого волновода симметрично относительно его продольной оси с постоянным шагом t₁ между продольными осями соседних металлических штырей. Металлические штыри диаметром d₂ второй группы выполнены в виде двух рядов, размещенных на внутренней стенке второго отрезка круглого волновода симметрично относительно его продольной оси с постоянным шагом t₂ между продольными осями соседних металлических штырей. В каждой группе металлические штыри одного ряда соосны металлическим штырям другого ряда, а высота металлических штырей не убывает по мере приближения от края ряда к его центру.

Недостатком известного волноводного преобразователя является большой продольный габаритный размер. Это обусловлено плавным переходом между первым и вторым отрезками круглых волноводов разных диаметров, а также тем, что две группы металлических штырей разнесены вдоль общей продольной оси двух отрезков круглого волновода.

Также известен волноводный преобразователь поляризации для двух рабочих диапазонов частот (патент JPS 59200501, МПК Н01Р 1/165, опубликован 13.11.1984).

Известный волноводный преобразователь содержит отрезок круглого волновода диаметром D и три группы металлических штырей, продольные оси которых расположены в одной диаметральной плоскости. Первая группа металлических штырей установлена в центре отрезка круглого волновода. Металлические штыри диаметром d₁ первой группы выполнены в виде двух рядов, размещенных на внутренней стенке отрезка круглого волновода симметрично относительно его продольной оси с постоянным шагом t_i между продольными осями соседних металлических штырей. Вторая и третья одинаковые группы металлических штырей размещены встречно во входном и выходном участках отрезка круглого волновода симметрично относительно первой группы металлических штырей. Металлические штыри диаметром d₂>d₁ второй группы выполнены в виде двух рядов, размещенных на внутренней стенке отрезка круглого волновода симметрично относительно его продольной оси с постоянным шагом t₂ между продольными осями соседних металлических штырей. Во второй группе металлические штыри одного ряда соосны металлическим штырям другого ряда. В каждом ряду высота металлических штырей не убывает по мере приближения от внешнего края ряда к первой группе металлических штырей.

Недостатком известного устройства является большой продольный габаритный размер. Это обусловлено тем, что три группы металлических штырей размещены последовательно вдоль общей продольной оси отрезка круглого волновода.

Также известен волноводный преобразователь поляризации для двух рабочих диапазонов частот (патент US 4672334, МПК Н01Р 1/17, опубликован 09.06.1987, фигура 2), содержащий

отрезок круглого волновода диаметром D и две группы металлических штырей, продольные оси которых расположены в одной диаметральной плоскости,

причем, металлические штыри первой группы диаметром d₁ выполнены в виде двух рядов, размещенных на внутренней стенке отрезка круглого волновода симметрично относительно его продольной оси с постоянным шагом t между продольными осями соседних металлических штырей,

металлические штыри второй группы диаметром d₂<d₁ выполнены в виде двух рядов, размещенных в отрезке круглого волновода симметрично относительно его продольной оси с постоянным шагом t между продольными осями соседних металлических штырей,

в каждой группе металлические штыри одного ряда соосны металлическим штырям другого ряда, а высота металлических штырей не убывает по мере приближения от края ряда к его центру.

Металлические штыри первой группы размещены между соседними металлическими штырями второй группы на расстоянии t/2 от них. В каждой группе металлические штыри одного ряда соосны металлическим штырям другого ряда, а их высота не убывает по мере приближения от края ряда к его центру.

Данный волноводный преобразователь поляризации для двух рабочих диапазонов частот выбран в качестве ближайшего аналога заявляемого волноводного преобразователя.

Недостатком данного волноводного преобразователя поляризации для двух рабочих диапазонов частот является большой продольный габаритный размер. Это обусловлено тем, что металлические штыри первой группы и второй группы размещены последовательно вдоль продольной оси отрезка круглого волновода.

Технической проблемой, решаемой настоящим изобретением, является создание волноводного преобразователя поляризации для двух рабочих диапазонов частот лишенного указанного недостатка.

В итоге достигается технический результат, заключающийся в уменьшении продольного габаритного размера волноводного преобразователя поляризации для двух рабочих диапазонов частот, при этом радиотехнические параметры волноводного преобразователя не ухудшаются.

Указанный технический результат достигается созданием волноводного преобразователя поляризации для двух рабочих диапазонов частот, содержащего

отрезок круглого волновода диаметром D и две группы металлических штырей, продольные оси которых расположены в одной диаметральной плоскости,

причем, металлические штыри диаметром d₁ первой группы выполнены в виде двух рядов, размещенных на внутренней стенке отрезка круглого волновода симметрично относительно его продольной оси с постоянным шагом t между продольными осями соседних металлических штырей,

металлические штыри второй группы диаметром d₂<d₁ выполнены в виде двух рядов, размещенных в отрезке круглого волновода симметрично относительно его продольной оси с постоянным шагом t между продольными осями соседних металлических штырей,

в каждой группе металлические штыри одного ряда соосны металлическим штырям другого ряда, а высота металлических штырей не убывает по мере приближения от края ряда к его центру,

металлические штыри второй группы установлены соосно на всех металлических штырях первой группы,

диаметр D отрезка круглого волновода выполнен таким образом, что низкочастотный рабочий диапазон расположен между критической частотой основной волны Нц и критической частотой первого высшего типа волны E₀₁ круглого волновода диаметром D, а высокочастотный рабочий диапазон расположен между критическими частотами высших типов волн H₂₁ и Е₁₁/H₀₁ круглого волновода диаметром D,

металлические штыри первой группы выполнены с диаметром d₁ в диапазоне (0.14-0.18)D,

металлические штыри второй группы выполнены с диаметром d₂ в диапазоне (0.01-0.05)D,

шаг t между осями соседних металлических штырей выполнен в диапазоне (0.20-0.25)D.

Согласно частному варианту выполнения волноводного преобразователя поляризации для двух рабочих диапазонов частот высота h_1i металлических штырей первой группы удовлетворяет соотношению где h₁₁ - высота крайнего металлического штыря первой группы, h₁₁ - высота металлического штыря в центре первой группы, N=n/2 при четном n, N=(n+1)/2 при нечетном n, i=1, 2…N, n - количество металлических штырей в каждой группе.

Согласно другому частному варианту выполнения волноводного преобразователя поляризации для двух рабочих диапазонов частот высота h_2i металлических штырей второй группы удовлетворяет соотношению где h₂₁ - высота крайнего металлического штыря второй группы, h₂N - высота металлического штыря в центре второй группы, N=n/2 при четном n, N=(n+1)/2 при нечетном n, i=1, 2…N, n - количество металлических штырей в каждой группе.

На фигуре 1 представлено схематическое изображение общего вида заявленного волноводного преобразователя поляризации для двух рабочих диапазонов частот в частном варианте выполнения.

На фигуре 2 представлено схематическое изображение общего вида заявленного волноводного преобразователя поляризации для двух рабочих диапазонов частот со стороны входного отрезка круглого волновода в частном варианте выполнения.

На фигуре 3 представлено изображение продольного разреза заявленного волноводного преобразователя поляризации для двух рабочих диапазонов частот в частном варианте выполнения в плоскости, в которой расположены продольные оси металлических штырей первой и второй группы.

На фигуре 4 представлено изображение продольного разреза отрезка круглого волновода диаметром D с одной диагональной парой металлических штырей постоянного по высоте диаметра в плоскости, в которой расположены продольные оси металлических штырей.

На фигуре 5 представлено схематическое изображение общего вида отрезка круглого волновода диаметром D с одной диагональной парой металлических штырей постоянного по высоте диаметра со стороны входного отрезка круглого волновода.

На фигуре 6 представлены зависимости от частоты дифференциального фазового сдвига, который создает в отрезке круглого волновода диаметром D одна диагональная пара металлических штырей первой группы постоянного по высоте диаметра d₁ в частных вариантах выполнения высоты h₁ металлических штырей.

На фигуре 7 представлены зависимости от частоты дифференциального фазового сдвига, который создает в отрезке круглого волновода диаметром D одна диагональная пара металлических штырей второй группы постоянного по высоте диаметра d₂ в частных вариантах выполнения высоты h₂ металлических штырей.

На фигуре 8 представлено изображение продольного разреза отрезка круглого волновода диаметром D с одной диагональной парой металлических штырей переменного по высоте диаметра в плоскости, в которой расположены продольные оси металлических штырей.

На фигуре 9 представлено схематическое изображение общего вида отрезка круглого волновода диаметром D с одной диагональной парой металлических штырей переменного по высоте диаметра со стороны входного отрезка круглого волновода.

На фигурах 10, 11 и 12 представлены зависимости от частоты дифференциального фазового сдвига, который создает в отрезке круглого волновода диаметром D одна диагональная пара металлических штырей заявленного волноводного преобразователя поляризации для двух рабочих диапазонов частот в частных вариантах выполнения их диаметров d₁, d₂ и высот h₁ и h₂.

На фигуре 13 представлено изображение продольного разреза прототипа в частном варианте выполнения в плоскости, в которой расположены продольные оси металлических штырей первой и второй группы.

На фигуре 14 представлено схематическое изображение общего вида прототипа со стороны входного отрезка круглого волновода в частном варианте выполнения.

На фигуре 15 представлена зависимость от частоты дифференциального фазового сдвига, который создает в выходном отрезке круглого волновода заявленный волноводный преобразователь поляризации для двух рабочих диапазонов частот в частном варианте выполнения.

На фигуре 16 представлена зависимость от частоты коэффициента эллиптичности волны Н₁₁ в выходном отрезке круглого волновода, который создает заявленный волноводный преобразователь поляризации для двух рабочих диапазонов частот в частном варианте выполнения.

На фигуре 17 представлена зависимость от частоты коэффициента отражения волны Н₁₁ во входном отрезке круглого волновода поляризованной в плоскости продольных осей металлических штырей заявленного волноводного преобразователя поляризации для двух рабочих диапазонов частот в частном варианте выполнения.

На фигуре 18 представлена зависимость от частоты коэффициента отражения волны Н₁₁ во входном отрезке круглого волновода поляризованной в плоскости, ортогональной продольным осям металлических штырей, заявленного волноводного преобразователя поляризации для двух рабочих диапазонов частот в частном варианте выполнения.

Волноводный преобразователь поляризации для двух рабочих диапазонов частот, представленный на фигурах 1, 2 и 3, содержит отрезок 1 круглого волновода диаметром D с входом 2 и выходом 3. В отрезке 1 круглого волновода установлены две группы 4 и 5 металлических штырей 6 и 7, продольные оси 8 которых расположены в одной диаметральной плоскости 9 (смотри фигуры 2 и 3).

Металлические штыри 6 первой группы 4 диаметром d₁ выполнены в виде двух рядов, размещенных на внутренней стенке отрезка 1 круглого волновода симметрично относительно его продольной оси 10 с постоянным шагом t между продольными осями 8 соседних металлических штырей.

Металлические штыри 7 второй группы 5 диаметром d₂<d₁ выполнены в виде двух рядов, размещенных в отрезке 1 круглого волновода симметрично относительно его продольной оси 10 с постоянным шагом t между продольными осями 8 соседних металлических штырей.

В первой группе 4 металлические штыри 6 одного ряда соосны металлическим штырям другого ряда, а высота h_1i металлических штырей 6 не убывает по мере приближения от края ряда к его центру.

Во второй группе 5 металлические штыри 7 одного ряда соосны металлическим штырям другого ряда, а высота h_2i металлических штырей 7 не убывает по мере приближения от края ряда к его центру.

Для уменьшения продольного габаритного размера заявленного волноводного преобразователя поляризации для двух рабочих диапазонов частот металлические штыри 7 второй группы 5 установлены соосно на всех металлических штырях 6 первой группы 4.

Для подавления резонансных отражений диаметр D отрезка 1 круглого волновода выполнен таким образом, что низкочастотный рабочий диапазон f_n расположен между критической частотой основной волны H₁₁ и критической частотой первого высшего типа волны E₀₁ отрезка 1 круглого волновода. Высокочастотный рабочий диапазон f_v расположен между критическими частотами высших типов волн H₂₁ и Е₁₁/Н₀₁ отрезка 1 круглого волновода.

Для уменьшения частотной зависимости (дисперсии) дифференциального фазового сдвига dfz в высокочастотном диапазоне f_v металлические штыри 6 первой группы 4 выполнены с диаметром d₁ в диапазоне (0.14-0.18)D.

Для уменьшения дисперсии дифференциального фазового сдвига dfz в низкочастотном диапазоне f_n металлические штыри 7 второй группы 5 выполнены с диаметром d₂ в диапазоне (0.01-0.05)D.

Для уменьшения продольного габаритного размера и согласования заявленного волноводного преобразователя поляризации для двух рабочих диапазонов частот шаг t между продольными осями 8 соседних металлических штырей выполнен в диапазоне (0.20-0.25)D.

Для согласования заявленного волноводного преобразователя поляризации для двух рабочих диапазонов частот высоту h_1i металлических штырей 6 первой группы 4 следует выбирать из соотношения . В этом соотношении h₁₁ - высота крайнего металлического штыря 6 первой группы 4, h_1N - высота металлического штыря 6 в центре первой группы 4, N=n/2 при четном n, N=(n+1)/2 при нечетном n, i=1, 2…N, n - количество металлических штырей в каждой группе.

Для согласования заявленного волноводного преобразователя поляризации для двух рабочих диапазонов частот высоту h_2i металлических штырей 7 второй группы 5 следует выбирать из соотношения . В этом соотношении h₂₁ - высота крайнего металлического штыря 7 второй группы 5, h_2N - высота металлического штыря 7 в центре второй группы 5, N=n/2 при четном n, N=(n+1)/2 при нечетном n, i=1, 2…N, n - количество металлических штырей в каждой группе.

Заявленный волноводный преобразователь поляризации для двух рабочих диапазонов частот работает следующим образом.

Основная волна Н₁₁ линейной поляризации, поступающая на вход 2 отрезка 1 круглого волновода диаметром D, ориентирована под углом 45 градусов к диаметральной плоскости 9, в которой расположены продольные оси 8 металлических штырей 6 и 7 (смотри фигуры 1, 2 и 3). Электромагнитное поле основной волна Н₁₁ линейной поляризации можно разложить на две ортогональные составляющие - волны H_11ver и H_11hor. Фазовые скорости волн H_11ver и H_11hor в заявленном волноводном преобразователе поляризации для двух рабочих диапазонов частот различны, так как в диаметральной плоскости 9 ориентировано поперечное электрическое поле волны H_11ver и поперечное магнитное поле волны H_11hor.

Диаметр D отрезка 1 круглого волновода, диаметры d₁ и d₂ металлических штырей 6 и 7, высоты h_1i и h_2i металлических штырей 6 и 7, а также расстояние t между продольными осями соседних металлических штырей и количество n металлических штырей обеспечивает на выходе 3 отрезка 1 круглого волновода дифференциальный фазовый сдвиг dfz=90° между волнами H_11ver и H_11hor вблизи центральной частоты каждого из двух рабочих диапазонов f_n и f_v и минимальное отклонение дифференциального фазового сдвига dfz от 90 градусов внутри каждого из двух рабочих диапазонов частот f_n и f_v.

В результате распространения волн H_11ver и H_11hor на выходе 3 отрезка 1 круглого волновода в каждом из двух рабочих диапазонов частот f_n и f_v возбуждается основная волна Н₁₁ эллиптической поляризации, которая близка к круговой поляризации.

Для подавления резонансных отражений диаметр D отрезка 1 круглого волновода выбран так, чтобы в двух рабочих диапазонах частот не было критических частот высших типов волн. Иначе резонансные отражения могут наблюдаться, если в процессе изготовления заявленного волноводного преобразователя поляризации для двух рабочих диапазонов частот возникают отклонения от симметрии в пределах допусков.

Согласно частному варианту выполнения заявленного волноводного преобразователя поляризации для двух рабочих диапазонов частот по аналогии с частным вариантом выполнения прототипа низкочастотный диапазон f_n выбран равным 3.7-4.2 ГГц, а высокочастотный диапазон f_v выбран равным 5.925-6.425 ГГц. Для этих значений f_n и f_v диаметр D отрезка 1 круглого волновода выбран равным 53.975 мм.

При такой величине D критическая частота 3.257 ГГц основной волны Н₁₁ отрезка 1 круглого волновода отстоит на 12.7% от нижней границы f_{n min}=3.7ГГц низкочастотного рабочего диапазона f_n. Критическая частота 4.258 ГГц первого высшего типа волны E₀₁ отрезка 1 круглого волновода превышает на 1.36% верхнюю границу f_{n max}=4.2 ГГц низкочастотного рабочего диапазона f_n. Для уменьшения дисперсии дифференциального фазового сдвига dfz в низкочастотном рабочем диапазоне f_n разность частоты верхней границы f_{n max} этого диапазона и критической частоты первого высшего типа волны E₀₁ отрезка 1 круглого волновода должна составлять 1-3%.

Критическая частота 5.403 ГГц второго высшего типа волны H₂₁ отрезка 1 круглого волновода отстоит на 9.23% от нижней границы f_{v min}=5.925 ГГц высокочастотного рабочего диапазона f_v. Критическая частота 6.781 ГГц третьего и четвертого высших типов волн Е₁₁/H₀₁ отрезка 1 круглого волновода превышает на 5.39% верхнюю границу f_{v max}=6.425 ГГц высокочастотного рабочего диапазона f_v.

Для уменьшения продольного габаритного размера и согласования заявленного волноводного преобразователя поляризации для двух рабочих диапазонов частот шаг t=0.207D (11.17 мм) между продольными осями 8 соседних металлических штырей выполнен вблизи нижней границы интервала (0.20-0.25)D (10.79-13.49 мм). Величины t этого интервала отличаются от четверти (12.14 мм) средней длины волны (48.56 мм) высокочастотного диапазона f_v не более чем на 12%.

Для уменьшения дисперсии дифференциального фазового сдвига dfz в высокочастотном диапазоне f_v металлические штыри 6 первой группы 4 выполнены с диаметром d₁=0.155D (8.37 мм) вблизи центра интервала (0.14-0.18)D (7.56-9.72 мм). Чем больше диаметр d₁ металлических штырей 6 первой группы 4 и чем меньше зазор между металлическими штырями 6, тем меньше дисперсия дифференциального фазового сдвига dfz в высокочастотном диапазоне f_v. При заданном шаге t между продольными осями 8 соседних металлических штырей величина d₁ ограничена сверху только технологией изготовления заявленного волноводного преобразователя поляризации для двух рабочих диапазонов частот.

Этот эффект иллюстрируют результаты расчетов дифференциального фазового сдвига dfz, который создает в отрезке 11 круглого волновода диаметром D с входом 12 и выходом 13 (смотри фигуры 4 и 5) одна диагональная пара металлических штырей 14 постоянного по высоте диаметра d=d₁, равного 0.155D (8.37 мм), в частных вариантах выполнения высоты h=h₁ металлических штырей 14.

На фигуре 6 по оси абсцисс отложена частота в гигагерцах, по оси ординат - дифференциальный фазовый сдвиг dfz в градусах. Вертикальные отрезки прямых линий определяют минимальную частоту f_{n min} и максимальную частоту f_{n max} низкочастотного диапазона f_n, а также минимальную частоту f_{v min} и максимальную частоту f_{v max} высокочастотного диапазона f_v. Графики соответствуют частным значениям высоты h=h₁, равным 0.017D (0.92 мм), 0.034D (1.84 мм), 0.051D (2.76 мм) и 0.068D (3.68 мм), двух диаметральных металлических штырей 14 диаметром d=d₁ (8.37 мм).

Результаты расчетов позволяют заключить, что при высоте h≤0.051D (2.76 мм) в полосе частот от минимальной частоты f_{n min} низкочастотного диапазона f_n до минимальной частоты f_{v min} высокочастотного диапазона f_v дифференциальный фазовый сдвиг dfz плавно убывает. В высокочастотном диапазоне f_v частотная зависимость дифференциального фазового сдвига dfz имеет минимум вблизи центральной частоты, что обеспечивает минимум дисперсии в этом диапазоне.

Металлические штыри 6 диаметром d₁=(0.14-0.18)D (7.56-9.72 мм) создают в низкочастотном диапазоне f_n больший дифференциальный фазовый сдвиг dfz, чем в высокочастотном диапазоне f_v. Причем в низкочастотном диапазоне f_n дифференциальный фазовый сдвиг dfz плавно уменьшается с ростом частоты, а в высокочастотном диапазоне f_v частотная зависимость дифференциального фазового сдвига dfz имеет минимум и минимальную дисперсию.

Для уменьшения дисперсии дифференциального фазового сдвига dfz в низкочастотном диапазоне f_n металлические штыри 7 второй группы 5 выполнены с диаметром d2=0.017D (0.92 мм) вблизи нижней границы интервала (0.01-0.05)D (0.54-2.70 мм). Чем меньше диаметр d₂ металлических штырей 7 второй группы 5, тем меньше дисперсия дифференциального фазового сдвига dfz в низкочастотном диапазоне f_n. Величина d₂ ограничена снизу только технологией изготовления заявленного волноводного преобразователя поляризации для двух рабочих диапазонов частот.

Этот эффект иллюстрируют результаты расчетов дифференциального фазового сдвига dfz, который создает в отрезке 11 круглого волновода диаметром D с входом 12 и выходом 13 (смотри фигуры 4 и 5) одна диагональная пара металлических штырей 14 постоянного по высоте диаметра d=d₂, равного 0.017D (0.92 мм), в частных вариантах выполнения высоты h=h₂ металлических штырей 14.

На фигуре 7 по оси абсцисс отложена частота в гигагерцах, по оси ординат - дифференциальный фазовый сдвиг dfz в градусах. Вертикальные отрезки прямых линий определяют минимальную частоту f_{n min} и максимальную частоту f_{n max} низкочастотного диапазона f_n, а также минимальную частоту f_{v min} и максимальную частоту f_{v max} высокочастотного диапазона f_v. Графики соответствуют частным значениям высоты h=h₂, равным 0.086D (4.65 мм), 0.103D (5.58 мм), 0.120D (6.51 мм) и 0.138D (7.44 мм), двух диаметральных металлических штырей 14 диаметром d=d₂, равным 0.017D (0.92 мм).

Результаты расчетов позволяют заключить, что при высоте h≤0.120D (6.51 мм) минимум дифференциального фазового сдвига dfz расположен вблизи верхней границы f_{n max} низкочастотного диапазона f_n. В низкочастотном диапазоне f_n дифференциальный фазовый сдвиг dfz монотонно убывает при минимальной дисперсии. В высокочастотном диапазоне f_v дифференциальный фазовый сдвиг больше, чем в низкочастотном диапазоне f_n, и монотонно возрастает.

Для уменьшения продольного габаритного размера заявленного волноводного преобразователя поляризации для двух рабочих диапазонов частот достоинства металлических штырей 6 первой группы 4 и достоинства металлических штырей 7 второй группы 5 объединены в одном конструктивном элементе. Металлические штыри 7 второй группы 5 установлены соосно на всех металлических штырях 6 первой группы 4 (смотри фигуры 1, 2 и 3).

Этот эффект иллюстрируют результаты расчетов дифференциального фазового сдвига dfz, который создает в отрезке 15 круглого волновода диаметром D с входом 16 и выходом 17 (смотри фигуры 8 и 9) одна диагональная пара металлических штырей 18 переменного по высоте диаметра d₁=0.155D (8.37 мм) и d₂=0.017D (0.92 мм) в частных вариантах выполнения высот hi и h₂ металлических штырей 18.

На фигурах 10, 11 и 12 по оси абсцисс отложена частота в гигагерцах, по оси ординат - дифференциальный фазовый сдвиг dfz в градусах. Вертикальные отрезки прямых линий определяют минимальную частоту f_{n min} и максимальную частоту f_{n max} низкочастотного диапазона f_n, а также минимальную частоту f_{v min} и максимальную частоту f_{v max} высокочастотного диапазона f_v.

На фигуре 10 графики соответствуют частному значению высоты h₁=0.017D (0.92 мм) и частным значениям высоты h₂, равным 0.078D (4.19 мм), 0.086D (4.65 мм), 0.095D (5.12 мм) и 0.103D (5.58 мм), двух диаметральных металлических штырей 18.

На фигуре 11 графики соответствуют частному значению высоты h₁=0.034D (1.84 мм) и частным значениям высоты h₂, равным 0.078D (4.19 мм), 0.086D (4.65 мм), 0.095D (5.12 мм) и 0.103D (5.58 мм), двух диаметральных металлических штырей 18.

На фигуре 12 графики соответствуют частному значению высоты h₁=0.051D (2.76 мм) и частным значениям высоты h₂, равным 0.078D (4.19 мм), 0.086D (4.65 мм), 0.095D (5.12 мм) и 0.103D (5.58 мм), двух диаметральных металлических штырей 18.

Результаты расчетов позволяют заключить, что одна диагональная пара металлических штырей 18 (смотри фигуры 8 и 9) переменного по высоте диаметра d₁=0.155D (8.37 мм) и d₂=0.017D (0.92 мм) смещает минимум дифференциального фазового сдвига dfz к центру диапазона частот между верхней границы f_{n max} низкочастотного диапазона f_n и нижней границей f_{v min} высокочастотного диапазона f_v. Причем, в низкочастотном диапазоне f_n дифференциальный фазовый сдвиг dfz монотонно убывает, а в высокочастотном диапазоне f_v дифференциальный фазовый сдвиг dfz монотонно возрастает. При каждом значении высоты h_b равном 0.017D (0.92 мм), 0.034D (1.84 мм) и 0.051D (2.76 мм), есть такое значение высоты h₂, при котором средние значения дифференциального фазового сдвига dfz в диапазонах f_n и f_v совпадают по величине.

Согласование заявленного волноводного преобразователя поляризации для двух рабочих диапазонов частот обеспечивают профили высоты h_1i и h_2i металлических штырей 6 и 7 первой и второй группы 4 и 5 (смотри фигуры 1, 2 и 3). Анализировались несколько зависимостей высоты металлических штырей от продольной координаты, в частности, линейная, синусоидальная, тангенциальная и экспоненциальная зависимости. В результате предпочтение было отдано профилям типа (sin(x)), а именно, и . В этих выражениях h₁₁ и h₂₁ - высота крайних металлических штырей 6 и 7 первой и второй группы 4 и 5, h_1N и h_2N - высота металлических штырей 6 и 7 в центре первой и второй группы 4 и 5, N=n/2 при четном n, N=(n+1)/2 при нечетном n, i=1, 2…N, n - количество металлических штырей в каждой группе.

Прототип в частном варианте выполнения для низкочастотного диапазона f_n=3.7-4.2 ГГц и высокочастотного диапазона f_v=5.925-6.425 ГГЦ содержит отрезок 19 круглого волновода диаметром D и две группы 20 и 21 металлических штырей 22 и 23, продольные оси 24 которых расположены в одной диаметральной плоскости 25 (смотри фигуры 13 и 14).

Металлические штыри 22 первой группы 20 диаметром d₁=0.075D (0.16 дюйма = 4.064 мм) одинаковой высоты выполнены в виде двух рядов, размещенных на внутренней стенке отрезка 19 круглого волновода симметрично относительно его продольной оси 26 с постоянным шагом t=0.34D (0.72 дюйма = 18.288 мм) между продольными осями 24 соседних металлических штырей 22. В первой группе 20 металлические штыри 22 одного ряда соосны металлическим штырям другого ряда. Количество диагональных пар металлических штырей 22 первой группы 20 составляет 28.

Металлические штыри 23 второй группы 21 диаметром d₂=0.052D (0.11 дюйма = 2.794 мм) одинаковой высоты выполнены в виде двух рядов, размещенных на внутренней стенке отрезка 19 круглого волновода симметрично относительно его продольной оси 26 с постоянным шагом t-0.34D (0.72 дюйма = 18.288 мм) между продольными осями 24 соседних металлических штырей 23. Во второй группе 21 металлические штыри 23 одного ряда соосны металлическим штырям другого ряда. Количество диагональных пар металлических штырей 23 второй группы 21 составляет 29.

Металлические штыри 22 первой группы 20 размещены между соседними металлическими штырями 23 второй группы 21 на расстоянии t/2 от них.

Продольный габаритный размер LP прототипа между продольными осями 24 крайних металлических штырей 23 второй группы 21 составляет LP=9.487D (20.16 дюйма = 512.064 мм).

Прототип в частном варианте выполнения для низкочастотного диапазона f_n=3.7-4.2 ГГц и высокочастотного диапазона f_v=5.925-6.425 ГГЦ (патент US 4672334, МПК Н01Р 1/17, опубликован 09.06.1987) имеет следующие радиотехнические параметры:

- коэффициент эллиптичности (Axial Ratio) AR_n=1.30 дБ в диапазоне f_n;

- коэффициент эллиптичности (Axial Ratio) AR_V=0.75 дБ в диапазоне f_v;

- коэффициент отражения (Return Loss) RL_n = минус 28 дБ в диапазоне f_n;

- коэффициент отражения (Return Loss) RL_v = минус 31 дБ в диапазоне f_v.

Геометрические размеры d₁=0.155D (8.37 мм), h₁₁=0.009D (0.47 мм), h_1N=0.052D (2.79 мм), d₂=0.017D (0.92 мм), h₂₁=0.052D (2.79 мм), h_2N=0.110D (5,96 мм), t=0.207D (11.17 мм), n=41, N=21 заявленного волноводного преобразователя поляризации для двух рабочих диапазонов частот в частном варианте выполнения обеспечивают такие же значения коэффициентов эллиптичности AR_n=1.30 дБ и AR_v=0.75 дБ (смотри фигуры 15 и 16), как прототип, при продольном габаритном размере LZ=8.276D (466.69 мм).

На фигуре 15 по оси абсцисс отложена частота в гигагерцах, по оси ординат - дифференциальный фазовый сдвиг dfz в градусах. Вертикальные отрезки прямых линий определяют минимальную частоту f_{n min} и максимальную частоту f_{n max} низкочастотного диапазона f_n, а также минимальную частоту f_{v min} и максимальную частоту f_{v max} высокочастотного диапазона f_v. Горизонтальный отрезок прямой линии определяет значение дифференциального фазового сдвига dfz равного 90 градусов. График соответствует зависимости от частоты дифференциального фазового сдвига dfz заявленного волноводного преобразователя поляризации для двух рабочих диапазонов частот в частном варианте выполнения.

На фигуре 16 по оси абсцисс отложена частота в гигагерцах, по оси ординат - коэффициент эллиптичности (Axial Ratio) в децибелах. Вертикальные отрезки прямых линий определяют минимальную частоту f_{n min} и максимальную частоту f_{n max} низкочастотного диапазона f_n, а также минимальную частоту f_{v min} и максимальную частоту f_{v max} высокочастотного диапазона f_v. Горизонтальные отрезки прямых линий определяют значение коэффициента эллиптичности AR_n=1.30 дБ прототипа в низкочастотном диапазоне f_n и значение коэффициента эллиптичности AR_v=0.75 дБ прототипа в высокочастотном диапазоне f_v. График соответствует зависимости от частоты коэффициента эллиптичности AR заявленного волноводного преобразователя поляризации для двух рабочих диапазонов частот в частном варианте выполнения.

Коэффициенты отражения (Return Loss) волны H_11ver заявленного волноводного преобразователя поляризации для двух рабочих диапазонов частот в частном варианте выполнения равны RL_n = минус 39 дБ в низкочастотном диапазоне f_n и RL_v = минус 41 дБ в высокочастотном диапазоне f_v (смотри фигуру 17). В прототипе, соответственно, RL_n = минус 28 дБ и RL_v = минус 31 дБ.

На фигуре 17 по оси абсцисс отложена частота в гигагерцах, по оси ординат - коэффициент отражения волны H_11ver в децибелах. Вертикальные отрезки прямых линий определяют минимальную частоту f_{n min} и максимальную частоту f_{n max} низкочастотного диапазона f_n, а также минимальную частоту f_{v min} и максимальную частоту f_{v max} высокочастотного диапазона f_v. Горизонтальные отрезки прямых линий определяют значение коэффициента отражения RL_n = минус 28 дБ волны Н₁₁ прототипа в низкочастотном диапазоне f_n и значение коэффициента отражения RL_v = минус 31 дБ волны Нц прототипа в высокочастотном диапазоне f_v. График соответствует зависимости от частоты коэффициента отражения RL волны H_11ver заявленного волноводного преобразователя поляризации для двух рабочих диапазонов частот в частном варианте выполнения.

Коэффициенты отражения RL волны H_11hor заявленного волноводного преобразователя поляризации для двух рабочих диапазонов частот в частном варианте выполнения равны RL_n = минус 40 дБ в низкочастотном диапазоне f_n и RL_v = минус 59 дБ в высокочастотном диапазоне f_v (смотри фигуру 18). В прототипе, соответственно, RL_n = минус 28 дБ и RL_v = минус 31 дБ.

На фигуре 18 по оси абсцисс отложена частота в гигагерцах, по оси ординат - коэффициент отражения RL волны H_11hor в децибелах. Вертикальные отрезки прямых линий определяют минимальную частоту f_{n min} и максимальную частоту f_{n max} низкочастотного диапазона f_n, а также минимальную частоту f_{v min} и максимальную частоту f_{v max} высокочастотного диапазона f_v. Горизонтальные отрезки прямых линий определяют значение коэффициента отражения RL_n = минус 28 дБ волны Н₁₁ прототипа в низкочастотном диапазоне f_n и значение коэффициента отражения RL_v = минус 31 дБ волны Н₁₁ прототипа в высокочастотном диапазоне f_v. График соответствует зависимости от частоты коэффициента отражения RL волны H_11hor заявленного волноводного преобразователя поляризации для двух рабочих диапазонов частот в частном варианте выполнения.

В результате заявленный волноводный преобразователь поляризации для двух рабочих диапазонов частот в частном варианте выполнения позволяет на 12.77% уменьшить продольный габаритный размер устройства с LP=9.487D (20.16 дюйма = 512.064 мм) до LZ=8.276D (466.69 мм). При этом сохраняется значение коэффициента эллиптичности AR в низкочастотном диапазоне AR_n=1.30 дБ и сохраняется значение коэффициента эллиптичности в высокочастотном диапазоне AR_v=0.75 дБ. Кроме того, улучшается согласование устройства в низкочастотном диапазоне с RL_n = минус 28 дБ до RL_n = минус 39 дБ и улучшается согласование устройства в высокочастотном диапазоне с RL_v = минус 31 дБ до RL_v = минус 41 дБ.

Изобретение относится к радиотехнике. Волноводный преобразователь поляризации для двух рабочих диапазонов частот содержит отрезок круглого волновода диаметром D и две группы металлических штырей, продольные оси которых расположены в одной диаметральной плоскости. Металлические штыри диаметром d₁ первой группы выполнены в виде двух рядов, размещенных на внутренней стенке отрезка круглого волновода симметрично относительно его продольной оси с постоянным шагом t между продольными осями соседних металлических штырей. Металлические штыри второй группы диаметром d₂<d₁ выполнены в виде двух рядов, размещенных в отрезке круглого волновода симметрично относительно его продольной оси с постоянным шагом t между продольными осями соседних металлических штырей. В каждой группе металлические штыри одного ряда соосны металлическим штырям другого ряда, а высота металлических штырей не убывает по мере приближения от края ряда к его центру. Металлические штыри второй группы установлены соосно на всех металлических штырях первой группы. Диаметр D отрезка круглого волновода выполнен таким образом, что низкочастотный рабочий диапазон расположен между критической частотой основной волны Н₁₁ и критической частотой первого высшего типа волны E₀₁ круглого волновода диаметром D, а высокочастотный рабочий диапазон расположен между критическими частотами высших типов волн H₂₁ и Е₁₁/H₀₁ круглого волновода диаметром D. Металлические штыри первой группы выполнены с диаметром d₁ в диапазоне (0.14-0.18)D, металлические штыри второй группы выполнены с диаметром d₂ в диапазоне (0.01-0.05)D, шаг t между осями соседних металлических штырей выполнен в диапазоне (0.20-0.25)D. Технический результат – уменьшение размеров. 2 з.п. ф-лы, 18 ил.

1. Волноводный преобразователь поляризации для двух рабочих диапазонов частот, содержащий отрезок круглого волновода диаметром D и две группы металлических штырей, продольные оси которых расположены в одной диаметральной плоскости, причем, металлические штыри диаметром d₁ первой группы выполнены в виде двух рядов, размещенных на внутренней стенке отрезка круглого волновода симметрично относительно его продольной оси с постоянным шагом t между продольными осями соседних металлических штырей, металлические штыри второй группы диаметром d₂<d₁ выполнены в виде двух рядов, размещенных в отрезке круглого волновода симметрично относительно его продольной оси с постоянным шагом t между продольными осями соседних металлических штырей, в каждой группе металлические штыри одного ряда соосны металлическим штырям другого ряда, а высота металлических штырей не убывает по мере приближения от края ряда к его центру, металлические штыри второй группы установлены соосно на всех металлических штырях первой группы, диаметр D отрезка круглого волновода выполнен таким образом, что низкочастотный рабочий диапазон расположен между критической частотой основной волны Н₁₁ и критической частотой первого высшего типа волны E₀₁ круглого волновода диаметром D, а высокочастотный рабочий диапазон расположен между критическими частотами высших типов волн H₂₁ и Е₁₁/H₀₁ круглого волновода диаметром D, металлические штыри первой группы выполнены с диаметром d₁ в диапазоне (0.14-0.18)D, металлические штыри второй группы выполнены с диаметром d₂ в диапазоне (0.01-0.05)D, шаг t между осями соседних металлических штырей выполнен в диапазоне (0.20-0.25)D.

2. Волноводный преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что, высота h_1i металлических штырей первой группы удовлетворяет соотношению где h₁₁ - высота крайнего металлического штыря первой группы, h_1N - высота металлического штыря в центре первой группы, N=n/2 при четном n, N=(n+1)/2 при нечетном n, i=1, 2…N, n - количество металлических штырей в каждой группе.

3. Волноводный преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что высота h_2i металлических штырей второй группы удовлетворяет соотношению где h₂₁ - высота крайнего металлического штыря второй группы, h_2N - высота металлического штыря в центре второй группы, N=n/2 при четном n, N=(n+1)/2 при нечетном n, i=1, 2…N, n - количество металлических штырей в каждой группе.