МНОГОПОЛОСНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЕДИНЕНИЯ И РАЗДЕЛЕНИЯ ПЕРЕДАЧИ И ПРИЕМА С ШИРОКОЙ ЧАСТОТНОЙ ПОЛОСОЙ ТИПА ОМТ ДЛЯ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ АНТЕНН
MULTISTRIP DEVICE FOR CONNECTION AND SEPARATION OF TRANSFER AND RECEPTION WITH WIDE FREQUENCY BAND OF OCD TYPE FOR ULTRA-HIGH FREQUENCY TELECOMMUNICATION ANTENNA

Предлагаемое изобретение относится к устройству соединения и разделения многополосного излучения и приема с очень широкой частотной полосой типа ОМТ ("OrthoMode Transducer", то есть ортомодовое соединительное устройство), предназначеному для сверхвысокочастотных телекоммуникационных антенн. Такое устройство также может быть названо "мультиплексором" или "мультиплексирующим устройством типа ОМТ". Для упрощения описания это устройство в последующем изложении будет называться просто "соединительным устройством".
На фиг.1 схематично представлено устройство типа ОМТ, или так называемое "устройство разделения линейных поляризаций", которое реализовано в соответствии с технологией сверхвысокочастотных волноводов. Это устройство типа ОМТ, обозначенное позицией 1, содержит главным образом первый порт 2, предназначенный для соединения с рупорным элементом, располагающимся против сверхвысокочастотной телекоммуникационной антенны, и два других порта 3 и 4, предназначенных для соединения с излучателем или с приемником. Это устройство типа ОМТ функционирует только с линейными поляризациями. Три этих порта располагаются коаксиальным образом. Порт 3 соответствует горизонтальной поляризации и порт 4 соответствует вертикальной поляризации. Порт 3 имеет прямоугольное поперечной сечение и связан с портом 2 при помощи одного или нескольких участков волноводов 5, имеющих размерные параметры, являющиеся промежуточными между размерными параметрами двух этих портов 2 и 3. Порт 4 связан в радиальном направлении с портом 2 при помощи двух участков волноводов 6А и 6В, располагающихся симметрично по отношению к общей оси всех этих трех портов, причем каждый из этих волноводов имеет приблизительно U-образную форму, удлиненную и завершающуюся диаметрально противоположными щелями соединения каждого из портов 2 и 3.
Соединительное устройство 7, показанное на фиг.2, представляет собой так называемое "пирамидальное" устройство типа ОМТ. Это устройство содержит, главным образом, центральную полость, располагающуюся в корпусе, имеющем форму параллелепипеда с поперечным сечением, имеющим квадратную форму, и пирамиду 8, располагающуюся на донной части этой полости. Порты с 9 по 12 завершаются против четырех боковых треугольных поверхностей пирамиды этого корпуса в форме параллелепипеда. С использованием такого устройства типа ОМТ соединение электромагнитных волн между центральным портом, имеющим квадратное поперечное сечение, и четырьмя упомянутыми портами может быть широкополосным. На этот диапазон функционирования может оказываться влияние или он может быть уменьшен при использовании перехода между портами, имеющими круглое поперечное сечение, и корпусом устройства типа ОМТ, имеющим форму параллелепипеда, способствуя распространению мод высших порядков. Кроме того, это соединительное устройство не обладает функцией мультиплексирования.
На фиг.3 представлено устройство 13 типа ОМТ в его классическом варианте реализации, имеющее круглое поперечное сечение. Это устройство, главным образом, содержит три последовательно расположенных и коаксиальных между собой участка 14, 15 и 16 волноводов, которые обычно представляют собой полости. Первый волновод 14 имеет наибольший диаметр и содержит две или четыре прямоугольные щели связи, такие, например, как щель 14А, которая только одна показана на данном чертеже, причем каждая из этих щелей связана с одним из портов, таким, как порт 14В, представленный на чертеже. Аналогичным образом участок 15, имеющий диаметр, несколько меньший, чем диаметр участка 14, содержит две или четыре щели связи 15А, каждая из которых связана с портом 15В. И наконец, участок 16, имеющий диаметр, несколько меньший, чем диаметр участка 15, образует порт распространения полосы наиболее высоких частот, тогда как участок 14 обеспечивает соединение наиболее низких частот, а участок 15 обеспечивает соединение промежуточных частот. Таким образом, такое соединительное устройство позволяет обеспечить многополосное соединение, но ширина этих частотных полос является относительно небольшой.
Соединительное устройство 17, показанное на фиг.4, представляет собой устройство, содержащее полость 18, имеющую форму прямоугольного параллелепипеда и продолжающуюся полостью, имеющей форму параллелепипеда с квадратным или прямоугольным поперечным сечением, и порт 19, имеющий квадратное или прямоугольное поперечное сечение и коаксиальный с осью упомянутой полости. Полость 18 содержит на каждой из двух (или четырех) своих боковых поверхностей щель 18А связи, связанную с соединительным портом 18В. Такое соединительное устройство функционирует для относительно широкой частотно полосы, но переход (не показанный на чертежах), служащий поверхностью сопряжения с подключением рупорной антенны, имеющей круглое поперечное сечение, и располагающийся между полостью 18, имеющей квадратное или прямоугольное поперечное сечение, и волноводами, имеющими круглое поперечное сечение и связанными с этой полостью, уменьшает диапазон его функционирования по причине наличия мод более высокого порядка, в частности, гармоник, препятствующих распространению полезных сигналов.
На фиг.5 схематично представлено устройство 20 типа ОМТ, известное из патентного документа US 6566976. Это устройство типа ОМТ содержит конический корпус 21, связывающий порт 22, имеющий круглое поперечное сечение, с портом 23, также имеющим круглое поперечное сечение и представляющим диаметр, несколько меньший, чем диаметр порта 22. Щели 21А соединения, связанные с портами 21В, выполнены на коническом корпусе 21. Такое устройство типа ОМТ обеспечивает возможность распространения только достаточно узких частотных полос.
Целью предлагаемого изобретения является многополосное соединительное устройство передачи и приема с очень широкой полосой пропускания типа ОМТ, предназначенное для сверхвысокочастотных телекоммуникационных антенн, которое имеет возможность функционировать для очень широкой полосы пропускания (превышающей одну октаву) и как для линейных, так и для круговых поляризаций.
Соединительное устройство в соответствии с предлагаемым изобретением содержит порт распространения всей совокупности частот, корпус и порт распространения полос высоких частот, причем три эти части являются коаксиальными и все три эти части имеют круглое поперечное сечение, и щели связи для распространения полос низких частот выполнены в упомянутом корпусе, и каждая из этих щелей связана с волноводом, причем это соединительное устройство отличается тем, что его корпус, соединяющий два порта, содержит по меньшей мере одну секцию, содержащую участок соединения и участок блокировки низких частот, то есть связанных частот, и представляет форму тела вращения, профиль которого изменяется в соответствии с полиномиальным законом, постоянно уменьшающимся от порта, имеющего наибольшее поперечное сечение, до порта, имеющего наименьшее поперечное сечение, и каждый участок соединения содержит две или четыре широкополосных щели связи.
Эти щели связи позволяют, после рекомбинации, обеспечить функционирование при наличии линейной и круговой поляризации. Если эти щели связи выполнены в количестве двух и располагаются диаметрально противоположно, речь идет только о линейной поляризации, а если эти щели выполнены в количестве четырех и располагаются под углом 90° по отношению к соседним щелям, речь идет о линейной и круговой поляризации. В режиме связи восстанавливают совокупность связанных сигналов с потерями, предварительно введенными посредством упомянутого соединительного устройства и в результате типа обработки используемых материалов (например, отделочная обработка с использованием серебра позволяет обеспечить очень высокую электрическую проводимость).
Функция блокировки обеспечивает, таким образом, возможность адаптации, позволяющую обеспечить распространение высоких частот через поперечное сечение этого устройства, а с другой стороны, она также способствует общей адаптации данного соединительного устройства (между портами Р1 и Р2).
Предлагаемое изобретение поясняется в приведенном ниже подробном описании не являющихся ограничительными способов его реализации, где даются ссылки на чертежи, на которых представлено следующее:
Фиг.1-5, уже описанные в предшествующем изложении, представляют собой упрощенные схемы известных соединительных устройств;
Фиг.6-8 представляют собой упрощенные схемы трех способов реализации соединительного устройства в соответствии с предлагаемым изобретением.
Предлагаемое изобретение будет описано ниже со ссылками на три достаточно простых примера реализации соединительного устройства, но должно быть понятно, что данное изобретение не ограничивается этими примерами и что корпуса этих соединительных устройств могут представлять большое количество других профилей, причем эти профили в общем случае определяются как профили, изменяющиеся в соответствии с мультиполиномиальным законом, в частности, как профили, непрерывно сокращающиеся в направлении от порта, имеющего наибольшее поперечное сечение, к порту, имеющему наименьшее поперечное сечение.
Все соединительные устройства в соответствии с предлагаемым изобретением, описанные в последующем изложении, главным образом содержат следующие элементы: первый порт Р1, продолжающий корпус устройства, и второй порт Р2, причем все эти три главных элемента имеют круглое поперечное сечение и располагаются коаксиально друг с другом. Внутренний диаметр порта Р1 превышает внутренний диаметр порта Р2, тогда как внутренний диаметр соединительного участка равен внутреннему диаметру порта Р1 на уровне их соединения и постепенно уменьшается между соединением этого участка с портом Р1 и его соединением с портом Р2. Корпус устройства содержит по меньшей мере одну секцию, образованную участком соединения и участком блокировки частот, относящихся к участку соединения той же системы. Каждый из описанных здесь способов реализации содержит только одну такую секцию, но должно быть понятно, что предлагаемое изобретение не ограничивается одной единственной такой секцией и что соединительное устройство в соответствии с предлагаемым изобретением содержит столько таких секций, сколько имеется промежуточных частотных полос, подлежащих обработке (по соединению и по разделению). Профиль участка блокировки может содержать одну или несколько частей с различными законами его изменения. Для каждого из этих соединительных устройств порт Р1 обеспечивает распространение всей совокупности полезных пропускаемых частотных полос (представляющих связь низких частотных поддиапазонов и высоких частотных поддиапазонов) и связан (не представленным здесь образом) с рупором, распространяющим излучаемые и принимаемые электромагнитные волны по аналогии с фокусирующей системой, такой, как сверхвысокочастотные телекоммуникационные антенны, тогда как порт Р2 обеспечивает только распространение высоких частотных поддиапазонов, и соединительные порты участка соединения обеспечивают распространение низких частотных поддиапазонов. Порт Р2 и порты участка соединения связаны (не представленным здесь образом) с системами излучения и приема. Закон изменения продольного профиля каждого участка соединения представляет собой главный элемент предлагаемого изобретения и подробно описан в последующем изложении для каждого из представленных здесь способов реализации.
Здесь следует отметить, что участок соединения может содержать только две или четыре щели связи, поскольку другое их количество будет просто и определенно бесполезным. Примеры профилей участков соединения, описанные в последующем изложении, являются достаточно простыми в реализации при помощи механической обработки, которые будут линейными или определяемыми соответствующими сплайнами.
Корпус 24 соединительного устройства 25, показанного на фиг.6, имеет профиль, состоящий из двух последовательно расположенных линейных частей 26 (определяющей участок соединения) и 27 (определяющей участок блокировки низких частот) с различными наклонами (эти наклоны рассматриваются в плоскости чертежа по отношению к продольной оси данного соединительного устройства). Само собой разумеется, что этот профиль может содержать больше, чем две части с различными углами наклона. В примере реализации, представленном на данной фигуре, наклон части 26 является более значительным, чем наклон части 27, но возможно и обратное соотношение этих наклонов.
Соотношения между величинами этих наклонов могут быть различными в зависимости от конкретного случая реализации, поскольку они зависят от выполняемой задачи, а именно, от процентных соотношений величины частотной полосы, относящейся к поддиапазонам, подлежащим соединению и разделению, и частотному удалению друг от друга этих частотных поддиапазонов. Каждый участок устройства разделения способствует соединению низких частотных полос, представляя наклон на угол θ1 (наклон 26), составляющий примерно от 10° до 15°, и следующий за ним участок с углом наклона θ2 (наклон 27) замыкает накоротко (то есть препятствует) распространению этих же низких частотных полос через устройство соединения. Все это также способствует удовлетворительной адаптации (в терминах ROS, то есть коэффициента стационарных волн) совокупности устройства соединения для всех частотных полос, подлежащих распространению и разделению. Прямоугольные широкополосные щели 24А связи выполнены в корпусе участка 24. Эти щели проходят параллельно продольной оси участка 24. В представленном здесь случае эти щели выполнены в количестве двух или четырех. Две щели служат для связи по меньшей мере одной линейной поляризации и четыре щели служат для связи двух линейных поляризаций и двух круговых поляризаций. Система рекомбинации (не показанная на чертежах) необходима для их восстановления. Одну из этих щелей можно видеть на приведенной в приложении фигуре. Каждая из щелей связана с волноводом 24В, имеющим прямоугольное поперечное сечение. Каждая совокупность щели связи и связанного с ней волновода называется здесь "плечо связи". Размерные параметры щелей связи определяются первоначально как размеры классического волновода прямоугольного поперечного сечения для того, чтобы обеспечить возможность распространения наиболее низких подлежащих соединению частот.
Предпочтительным образом для способа реализации, представленного на фиг.6, как и для всех других способов реализации в соответствии с предлагаемым изобретением, на концах каждого из волноводов плечей связи размещены одна или более фильтрующих ячеек классического типа (на чертежах не показаны), предназначенных для устранения возможных остаточных частот, которые будут располагаться за пределами подлежащей соединению частотной полосы пропускания, относящейся к плечам 24В, и которые должны проходить только в продольном направлении, проникая через участок 24.
Профиль соединительного участка 28 устройства 29 соединения, представленного на фиг.7, рассматриваемый от порта Р1 до порта Р2, содержит сплайн 30, за которым располагается линейный сегмент 31. Уравнение, определяющее этот сплайн, может иметь различные формы при условии, чтобы, как отмечено выше, диаметр соответствующей части участка 28 был постоянно уменьшающимся от порта, имеющего наибольшее поперечное сечение, до порта, имеющего наименьшее поперечное сечение, или, говоря более конкретно, до соединения с частью, определяемой профилем 31.
Соединительное устройство 32, представленное на фиг.8, содержит участок 33 соединения, профиль которого состоит из двух последовательно расположенных различных сплайнов 34, 35, каждый из которых отвечает тем же условиям, что и сплайн 30, показанный на фиг.7. Разумеется, должно быть понятно, что профиль участка соединения соединительного устройства в соответствии с предлагаемым изобретением может содержать больше, чем два таких сплайна. Количество этих сплайнов вытекает из размеров подлежащих соединению частотных полос пропускания (процентного содержания относительной частотной полосы), из количества подлежащих соединению частотных полос пропускания и из их частотного удаления друг от друга. Возможности механической реализации такого соединительного устройства также могут ограничивать это количество сплайнов: при этом будет необходимо использовать компромиссное решение. В качестве примера, функция синуса в квадрате была использована для определения сплайна 35 в соединительном устройстве, реализованном для соединения частотной полосы L и разделения частотных полос С и Ku. Этот сплайн определяет зону короткого замыкания, благоприятствующую соединению низких частотных полос (L) и удовлетворительной адаптации более высоких частотных полос (С и Ku), распространяющихся через соединительное устройство. Сплайн 34, обеспечивающий соединение, представляло собой полином первого порядка (линейный профиль).
BR
В соответствии с примером реализации, который не является ограничительным, соединительное устройство в соответствии с предлагаемым изобретением обрабатывает широкие частотные поддиапазоны Ku и Ка как на излучении, так и на приеме (функция соединения и разделения соединительного устройства) и при линейной поляризации или при круговой поляризации, что дает в целом четыре поддиапазона, как об этом будет сказано ниже. В частотной полосе Ku полоса излучаемых частот простирается от 10,95 ГГц до 12,75 ГГц и полоса принимаемых частот простирается от 13,75 ГГц до 14,5 ГГц. В частотной полосе Ка полоса излучаемых частот простирается от 17,7 ГГц до 20,2 ГГц и полоса принимаемых частот простирается от 27,5 ГГц до 30 ГГц. Поскольку наименьший известный волновод круглого поперечного сечения представляет собой волновод С890 (имеющий радиус = 1,194 мм), самые маленькие соединительные устройства могут быть реализованы путем электролитического осаждения или электроформования, если классическая механическая обработка ограничивает возможности реализации. Сложность полиномиального закона формирования участков должна быть выбрана таким образом, чтобы учесть существующие технические требования, не выдвигая при этом слишком жестких условий к возможностям реализации. Таким образом, подобное соединительное устройство может быть квалифицировано как "весьма широкополосное", поскольку общая частотная полоса пропускания (в диапазоне от 10,95 ГГц до 30 ГГц) располагается на более чем одной октаве. В этом примере реализации сигналы в частотной полосе Ка представляют круговую поляризацию (правую и левую при излучении и при приеме) и сигналы в частотной полосе Ku представляют линейную поляризацию (ортогональную в горизонтальном направлении и в вертикальном направлении при излучении и при приеме). Совокупность частотной полосы Ku (излучение и прием) проходит через четыре рукава соединения корпуса соединительного устройства и представляет 27,9% относительной соединяемой частотной полосы, тогда как частотная полоса Ка, проходящее через соединительное устройство, представляет 51,6% относительной разделенной частотной полосы. Процентное содержание относительной частотной полосы P определяется следующим образом:
Расстояние между одной или несколькими подлежащими соединению низкими частотными полосами и одной или несколькими высокими частотными полосами, подлежащими распространению через устройство соединения и разделения (здесь этот частотный диапазон распространяется от 14,5 ГГц до 17,7 ГГц, то есть имеется в виду промежуточная частотная полоса между частотными полосами Ku и Ка) указывает на возможность реализации соединительного устройства. Это частотное расстояние не должно быть слишком малым, поскольку в противном случае существует опасность соединения также начала наиболее высоких частотных полос. Использование селективного фильтра (сверхвысокочастотная диафрагма, имеющая круглый контур определенной толщины и содержащая вырез крестообразной формы), размещенного между участком соединения и участком блокировки, или же сразу за участком блокировки, может оказаться полезным в том случае, когда полосы пропускания при соединении и при разделении являются очень близкими друг к другу. Это соединительное устройство позволяет использовать одну единственную антенну с очень широкой частотной полосой для передачи (излучение и прием) четырех поддиапазонов.