ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОЛЯРИЗАЦИИ
POLARIZATION TRANSDUCER

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к средствам преобразования поляризации волноводных волн, и может быть использовано в антенных системах с полосой рабочих частот порядка 5%.
Известен преобразователь поляризации, содержащий корпус, внутри которого размещены отрезок круглого волновода и механическое приспособление, которое, в процессе использования преобразователя поляризации, с помощью микрометрического винта деформирует поперечное сечение отрезка круглого волновода в эллиптическое сечение на части продольного размера (см. SU 1631630, МПК Н01Р 1/165, опубл. 28.02.1991).
1
2
1
Известен преобразователь поляризации, содержащий последовательно расположенные и соединенные переходом отрезок круглого волновода диаметром D и отрезок круглого волновода диаметром D>D. На стенках каждого из этих отрезков установлены радиальные металлические стержни (см. US 4672334, МПК Н01Р 1/17, опубл. 09.06.1987).
1
2
1
1
2
Известен преобразователь поляризации, содержащий последовательно расположенные и соединенные коническим переходом отрезок круглого волновода диаметром D и отрезок круглого волновода диаметром D>D. На стенках отрезка круглого волновода диаметром D установлены радиальные металлические стержни и продольные металлические пластины. На стенках отрезка круглого волновода диаметром D установлены поперечные металлические диафрагмы (см. SU 1596407, МПК Н01Р 1/165, опубл. 30.09.1990).
Общим недостатком известных преобразователей поляризации является низкая технологичность их изготовления, обусловленная сложностью конструкции.
1
2
1
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является преобразователь поляризации, содержащий последовательно расположенные и соединенные плавными переходами отрезок входного круглого волновода диаметром D, отрезок промежуточного волновода и отрезок выходного круглого волновода диаметром D, равным D (см. JPH 0197001, МПК Н01Р 1/161, Н01Р 1/17, Н01Р 1/18, опубл. 14.04.1989).
1
3
1
Отрезок промежуточного волновода и переходы имеют поперечные сечения в форме овалов (эллипсов), причем размер большой оси эллипса промежуточного волновода равен D, а размер малой оси эллипса равен D<D.
Данный преобразователь поляризации принят в качестве ближайшего аналога заявляемого преобразователя поляризатора.
Недостатком данного преобразователя поляризации является невозможность его изготовления из единой заготовки путем обработки с одной из ее сторон, что делает невозможным его применение в антенных системах, выполненных в виде моноблока.
Технической проблемой, решаемой настоящим изобретением, является создание преобразователя поляризации, лишенного указанного недостатка.
В результате достигается технический результат, заключающийся в возможности изготовления преобразователя поляризации из единой заготовки путем токарно-фрезерной или электроэрозионной обработки внутренней полости заготовки с одной из ее сторон.
1
2
1
2
1
Указанный технический результат достигается созданием преобразователя поляризации, содержащего последовательно расположенные и соединенные переходами отрезок входного круглого волновода диаметром D, отрезок промежуточного волновода, имеющий поперечное сечение в форме овала, и отрезок выходного круглого волновода диаметром D, в котором размер малой оси овала равен D, а размер большой оси овала равен D>D.
1
max
2
min
max
min
Согласно частному варианту выполнения диаметр отрезка входного круглого волновода D>0,63λ, а диаметр отрезка выходного круглого волновода D<0,73λ, где λ и λ - длины волн в свободном пространстве, соответствующие нижней и верхней границам рабочего диапазона частот.
Согласно другому частному варианту выполнения отрезок промежуточного волновода имеет поперечное сечение в форме эллипса.
Согласно еще одному частному варианту выполнения отрезок промежуточного волновода имеет поперечное сечение в форме овала, образованного двумя параллельными отрезками прямых и двумя полуокружностями, диаметр которых равен расстоянию между двумя параллельными отрезками прямых.
Согласно еще одному частному варианту выполнения переходы выполнены с плавным изменением их поперечного сечения.
Согласно еще одному частному варианту выполнения переходы выполнены со ступенчатым изменением их поперечного сечения.
На фиг. 1 представлено схематичное изображение внутренней поверхности преобразователя поляризации в частном варианте выполнения.
На фиг. 2 представлено схематичное изображение преобразователя поляризации со стороны отрезка выходного круглого волновода в частном варианте выполнения.
На фиг. 3а и 3b представлены два взаимно перпендикулярных продольных разреза преобразователя поляризации в частном варианте выполнения.
На фиг. 4 представлено схематичное изображение антенного устройства, в котором реализован заявленный преобразователь поляризации.
На фиг. 5 представлено поперечное сечение отрезка промежуточного волновода в частном варианте выполнения.
На фиг. 6 представлены зависимости от частоты коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) во входном и выходном отрезках преобразователя поляризации в частном варианте выполнения.
На фиг. 7 представлена зависимость от частоты коэффициента эллиптичности поля излучения антенного устройства в направлении продольной оси.
1
2
1
1
2
Преобразователь поляризации, представленный на фиг. 1, 2, 3а и 3b, содержит последовательно расположенные отрезок входного круглого волновода 1 диаметром D, отрезок промежуточного волновода 2, имеющий поперечное сечение в форме овала, и отрезок выходного круглого волновода 3 диаметром D>D, соединенные переходами 4а и 4b. В различных частных вариантах переходы 4а и 4b могут быть выполнены с плавным или ступенчатым (как показано на фиг. 1) изменением поперечного сечения. Размер малой оси овала отрезка промежуточного волновода 2 равен D, а размер большой оси - D.
1
1
max
max
1
11
2
2
min
min
2
01
Для согласования предлагаемого преобразователя поляризации со стороны отрезка входного круглого волновода 1 его диаметр D следует выбирать из выражения D>0,63λ. В этом выражении величина λ определяет длину волны в свободном пространстве, которая соответствует нижней границе рабочего диапазона частот. Такой выбор минимального размера D обеспечивает интервал порядка десяти процентов между критической частотой основной волны Н круглого волновода и нижней границей рабочего диапазона частот. Аналогично, диаметр D отрезка выходного круглого волновода 3 следует выбирать из выражения D<0,73λ. В этом выражении величина λ определяет длину волны в свободном пространстве, которая соответствует верхней границе рабочего диапазона частот. Такой выбор максимального размера D обеспечивает интервал порядка пяти процентов между критической частотой первой высшей волны E круглого волновода и верхней границей рабочего диапазона частот.
1
2
2
1
Для уменьшения продольного габаритного размера преобразователя поляризации диаметры D и D следует выбирать таким образом, чтобы отношение D к D было максимально возможным (с учетом вышеприведенных неравенств).
Преобразователь поляризации может быть изготовлен путем токарно-фрезерной или электроэрозионной обработки внутренней поверхности заготовки с одной из ее сторон.
Заявленный преобразователь поляризации работает следующим образом.
11
1
11в
11г
11в
11г
11в
11г
11
Волна Н линейной поляризации, поступающая в отрезок входного круглого волновода 1 диаметром D, ориентирована под углом 45 градусов к осям симметрии поперечных сечений отрезка промежуточного волновода 2 и переходов 4а и 4b в форме овалов. Электромагнитное поле этой волны можно разложить на две ортогональные составляющие Н и Н, ориентированные параллельно осям 5а и 5b, соответствующим малой и большой осям овала. Фазовые скорости волн Н и Н в волноводах, имеющих поперечные сечения в форме овалов, различны (см., например, книгу «Гибкие волноводы в технике СВЧ» / Под редакцией Э.А. Альховского, Москва, Радио и Связь, 1986, с. 17-22). Продольные и поперечные размеры отрезка промежуточного волновода 2 и переходов 4а и 4b выбраны так, что обеспечивают дифференциальный фазовый сдвиг девяносто градусов вблизи центральной частоты рабочего диапазона и минимальное отклонение дифференциального фазового сдвига от этой величины внутри рабочего диапазона частот. Профиль и длина переходов 4а и 4b выбраны так, что обеспечивают согласование преобразователя поляризации со стороны отрезков входного и выходного круглых волноводов 1 и 3 соответственно. В результате распространения волн Н и Н в предлагаемом преобразователе поляризации в отрезке выходного круглого волновода 3 в рабочем диапазоне частот возбуждается волна Н эллиптической поляризации, которая близка к круговой поляризации.
Примером использования предлагаемого преобразователя поляризации может являться его применение в составе моноблока 6, состоящего из поляризационного селектора 7, предлагаемого преобразователя линейной поляризации в круговую поляризацию и облучателя осесимметричной параболической антенны 8 с отношением 0,4 фокусного расстояния к диаметру апертуры (см. фиг. 4).
Моноблок 6 изготовлен на универсальном фрезерном обрабатывающем центре «Maho» и предназначен для работы в диапазоне частот шириной 0,3 ГГц с центральной частотой 8,5 ГГц. Ширина рабочей полосы частот в процентах составляет 3,53%.
Отрезок промежуточного волновода 2 и переходы 4а и 4b (как показано на фиг. 5) имеют поперечные сечения в форме овалов, ограниченных двумя параллельными отрезками прямых 9а и 9b и двумя полуокружностями 10а и 10b, диаметр d которых равен расстоянию между двумя параллельными отрезками прямых. Переходы 4а и 4b выполнены в виде одной ступени.
Оптимизация геометрических размеров преобразователя поляризации выполнена с помощью программного комплекса «CST Microwave Studio». Измерения радиотехнических параметров моноблока выполнены с помощью векторного измерителя цепей «Agilent N5224A» с модулями восстановления калибровки 85540А.
1
3
11
Результаты расчета зависимости от частоты КСВН в отрезке входного круглого волновода 1 (KCBH) и отрезке выходного круглого волновода 3 (КСВН) для рабочего положения преобразователя поляризации приведены на фиг. 6. В этом положении преобразователя поляризации линейно поляризованная падающая волна Н в отрезках входного круглого волновода 1 и выходного круглого волновода 3 ориентирована под углом 45 градусов к осям симметрии поперечных сечений отрезка промежуточного волновода 2 и переходов 4а и 4b в форме овалов. В рабочей полосе частот 8,35-8,65 ГГц уровень КСВН в отрезках входного круглого волновода 1 и выходного круглого волновода 3 не превышает 1,010 и 1,017, а амплитуда отраженной волны составляет не более минус 45 дБ и минус 41 дБ.
Результаты измерения зависимости от частоты коэффициента эллиптичности поля излучения моноблока в направлении продольной оси приведены на фиг. 7. В рабочей полосе частот 8,35-8,65 ГГц коэффициент эллиптичности не превышает 0,92 дБ, а амплитуда кросс-поляризованной волны составляет не более минус 25,5 дБ.