Разделитель ортогонально-поляризованных волн
SEPARATOR OF ORTHOGONAL POLARIZED WAVES

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано в спутниковой связи и в системах спутникового телевизионного вещания с поляризационным уплотнением для приема ортогональных сигналов, как с линейной, так и с круговой поляризацией.
Цель изобретения - уменьшение мощности, необходимой как для адаптивной подстройки по поляризации при приеме ортогональных линейно-поляризованных волн, так и для подстройки по поляризации при переходе из режима приема линейно-поляризованных волн в режим приема волн круговой поляризации и обратно.
Известен разделитель поляризации с четвертьволновой пластинкой [1], состоящий из π/2-поляризатора с установленной в нем четвертьволновой диэлектрической пластинкой (вносящей дифференциальный фазовый сдвиг, равный 90°) и поляризационного селектора с одним входным и двумя выходными плечами. Недостатком этого устройства является то, что оно осуществляет только разделение волн круговой поляризации с противоположным направлением вращения векторов электрического поля, но не позволяет осуществлять разделение ортогональных линейно-поляризованных волн. Поэтому данное устройство часто называют устройством приема волн круговой поляризации с противоположным направлением вращения векторов электрического поля или просто разделителем волн круговой поляризации.
К конструктивным особенностям такого разделителя волн круговой поляризации относятся:
- по меньшей мере одно из выходных плеч поляризационного селектора является боковым с осью перпендикулярной оси входного плеча,
- между плоскостью четвертьволновой пластинки поляризатора и боковым плечом поляризационного селектора имеет место угол, равный 45°.
В качестве фазосдвигающих элементов в π/2-поляризаторе, кроме диэлектрических пластин, могут также использоваться неоднородности других типов: металлические гребни, ряды металлических диафрагм, штырей, стержней и т.д., как правило, установленные в одной диаметральной плоскости (или в двух взаимно перпендикулярных диаметральных плоскостях).
Принцип работы разделителя волн круговой поляризации основан на следующих свойствах π/2-поляризатора и поляризационного селектора.
Свойство π/2-поляризатора: если на вход π/2-поляризатора поступают две волны круговой поляризации с противоположным направлением вращения векторов электрического поля, то, проходя через π/2-поляризатор, эти волны преобразуются в две ортогональные линейно-поляризованные волны, векторы электрического поля которых ориентированы под углом 45° к плоскости фазосдвигающего элемента π/2- поляризатора.
Свойство поляризационного селектора: если на вход поляризационного селектора поступают две ортогональные линейно-поляризованные волны, при этом вектор электрического поля первой волны параллелен боковому выходному плечу поляризационного селектора, а второй волны перпендикулярен ему, то, проходя через селектор, вторая волна поступит именно в это боковое плечо селектора, а первая волна поступит в другое выходное плечо селектора, которое, в зависимости от выбранной конструкции поляризационного селектора, также может быть боковым [2] или прямым [3].
Из этих свойств π/2-поляризатора и поляризационного селектора следует, что для того, чтобы разделитель волн круговой поляризации, представляющий собой последовательное соединение π/2-поляризатора и поляризационного селектора, осуществлял разделение волн круговой поляризации, необходимо, чтобы угол между плоскостью фазосдвигающего элемента π/2-поляризатора и плоскостью бокового выходного плеча селектора был равен 45°. Эта конструктивная особенность разделителя волн круговой поляризации в той или иной форме используется во всех рассматриваемых далее устройствах, включая заявляемое устройство.
Известно устройство [4], позволяющее осуществлять прием ортогональных волн, как с линейной, так и с круговой поляризацией. В состав устройства входят разделитель волн круговой поляризации, аналогичный рассмотренному выше, две секции, выполненные на отрезках круглого волновода, с фазосдвигающими элементами, каждый из которых вносит дифференциальный фазовый сдвиг 45°, и по меньшей мере два вращающихся сочленения, обеспечивающих возможность вращения этих двух секций. Устройство имеет несколько недостатков. Одним из них является использование электродвигателей повышенной мощности, которые для подстройки по поляризации с помощью вращающихся сочленений осуществляют вращение двух упомянутых секций, при этом, кроме необходимого вращения одних только фазосдвигающих элементов в этих секциях, электродвигатели осуществляют вращение самих отрезков круглого волновода, а для этого требуется дополнительная мощность электродвигателей. Другим недостатком устройства является использование во вращающихся сочленениях относительно узкополосных дроссельно-фланцевых соединений с кольцевой канавкой, коэффициент отражения от которых обычно достигает 0,02 в полосе ±15% от центральной частоты рабочего диапазона, где он равен 0. Еще один недостаток устройства - существенные потери во вращающихся сочленениях (до 0,2 дБ в каждом сочленении), приводящие к ухудшению шумовой добротности приемной системы, в которой используется это устройство. Таким образом, все перечисленные недостатки данного устройства обусловлены наличием в нем волноводных вращающихся сочленений, необходимых при подстройке по поляризации для обеспечения вращения отрезков круглого волновода вместе с установленными в них фазосдвигающими элементами.
Известен разделитель ортогонально-поляризованных волн [5], выполняющий те же функции, что и устройство [4], но в котором отсутствуют волноводные вращающиеся сочленения. Этот разделитель ортогонально-поляризованных волн содержит два последовательно соединенных π/2-поляризатора и поляризационный селектор. Поляризаторы выполнены в виде отрезков круглого волновода, внутри которых размещены фазосдвигающие элементы, вносящие дифференциальный фазовый сдвиг 90°. Подстройка по поляризации осуществляется не путем механического вращения отрезков круглого волновода с расположенными в них фазосдвигающими элементами, а только посредством вращения самих фазосдвигающих элементов с помощью диэлектрических стержней, а для этого требуется меньшая мощность, чем в устройстве [4].
При работе в режиме адаптивного приема ортогональных линейно-поляризованных волн в устройстве [5] используется способность π-поляризатора изменять ориентацию плоскости поляризации линейно-поляризованной волны [6]. В устройстве [5] π-поляризатор реализуется путем установки в одной плоскости фазосдвигающих элементов обоих π/2-поляризаторов, а требуемая ориентация плоскостей поляризации ортогональных линейно-поляризованных волн, при которой обеспечивается полное выделение сигналов каждой волны в соответствующих выходных плечах поляризационного селектора, достигается посредством синхронного вращения этих фазосдвигающих элементов. Необходимость обеспечения синхронного вращения является основным недостатком работы устройства в этом режиме, т.к., во-первых, для вращения двух фазосдвигающих элементов требуется большая мощность, чем для вращения одного, во-вторых, необходимость одновременной работы двух электродвигателей (вместо одного) уменьшает надежность устройства и, в-третьих, незначительное отклонение в синхронности вращения фазосдвигающих элементов приводит к ухудшению кроссполяризационной развязки устройства.
Для обеспечения работы разделителя ортогонально-поляризованных волн [5] в режиме одновременного приема двух волн круговой поляризации левого и правого направлений вращения необходимо фазосдвигающий элемент в первом поляризаторе установить под углом 45° к плоскости бокового плеча селектора, а во втором поляризаторе - в плоскости бокового плеча селектора. В этом случае первый и второй π/2-поляризаторы вместе работают как один π/2-поляризатор, а все устройство - как рассмотренный выше разделитель волн круговой поляризации [1]. Недостатком работы устройства [5] при переходе из одного режима работы в другой является необходимость поворота во втором поляризаторе фазосдвигающего элемента, вносящего дифференциальный фазовый сдвиг, равный 90°, в то время, как будет показано далее, достаточно осуществлять поворот фазосдвигающего элемента с дифференциальным фазовым сдвигом, равным 45°, для чего требуется меньшая мощность.
Из особенностей работы устройства [5] вытекает еще один его недостаток - относительно высокая сложность электродвигателя, осуществляющего вращение фазосдвигающего элемента во втором поляризаторе. Это обусловлено тем, что в устройстве [5] он используется как при работе в режиме адаптивного приема ортогонально-поляризованных волн, так и для перехода из одного режима работы устройства в другой. Этот электродвигатель может быть заменен на более простой, если его использовать только для осуществления перехода из одного режима работы устройства в другой посредством простого поворота фазосдвигающего элемента на некоторый фиксированный угол и не использовать его в режиме адаптивного приема ортогонально-поляризованных волн.
Разделитель ортогонально-поляризованных волн [5] был выбран в качестве устройства-прототипа по причине наибольшей близости к заявляемому устройству по конструктивному исполнению и по выполняемым функциям. В заявляемом устройстве так же как в устройстве-прототипе не используются волноводные вращающиеся сочленения.
Заявляемое устройство лишено всех перечисленных выше недостатков устройства-прототипа.
Основным техническим результатом, достигаемым заявляемым устройством, является уменьшение мощности, потребляемой электродвигателями при подстройках по поляризации в режиме приема ортогональных линейно-поляризованных волн, а также при переходе из режима приема ортогональных линейно-поляризованных волн в режим приема волн круговой поляризации и при обратном переходе. Поставленная техническая задача достигается изменением конструкции второго π/2-поляризатора, благодаря чему дифференциальный фазовый сдвиг, вносимый этим поляризатором, может принимать два фиксированных значения: 0° (в режиме приема волн круговой поляризации) и 90° (в режиме приема линейно-поляризованных волн). При этом перевод устройства из одного режима работы в другой режим работы и обратно осуществляется посредством поворота во втором поляризаторе фазосдвигающего элемента, вносящего дифференциальный фазовый сдвиг 45°, а не 90° (как в устройстве-прототипе). Этот фазосдвигающий элемент вдвое меньше и вдвое легче фазосдвигающего элемента поворачиваемого во втором поляризаторе устройства-прототипа. Следовательно, для его поворота при переходе из режима в режим требуется меньшая мощность электродвигателя. При приеме ортогональных линейно-поляризованных волн дифференциальный фазовый сдвиг, вносимый вторым поляризатором в патентуемом устройстве, устанавливается равным 90°, при этом расположенные в нем фазосдвигающие элементы ориентированы под углом 45° к боковому плечу поляризационного селектора и вместе вносят дифференциальный фазовый сдвиг, равный 90°. Как следует из вышеприведенных свойств π/2-поляризатора и поляризационного селектора, в этом случае в заявляемом устройстве второй поляризатор и поляризационный селектор оба вместе выполняют функцию разделителя волн круговой поляризации [1]. Для реализации функции разделителя волн круговой поляризации необходимо, чтобы на вход второго поляризатора заявляемого устройства поступали волны круговой поляризации, а для этого, в свою очередь, необходимо, чтобы первый поляризатор осуществлял преобразование ортогональных линейно-поляризованных волн, поступающих на его вход, в волны круговой поляризации. Как следует из свойств π/2-поляризатора [6], для преобразования волн линейной поляризации в волны круговой поляризации плоскость фазосдвигающего элемента первого поляризатора должна быть ориентирована под углом 45° к плоскостям поляризации ортогональных линейно-поляризованных волн на его входе. Поскольку ориентация векторов электрического поля ортогональных линейно-поляризованных волн на входе устройства может меняться, то и ориентация плоскости фазосдвигающего элемента в первом поляризаторе должна меняться, при этом угол между плоскостью фазосдвигающего элемента этого поляризатора и плоскостями поляризации ортогональных линейно-поляризованных волн на входе устройства должен всегда оставаться постоянным и быть равным 45°. Таким образом, в случае приема ортогональных линейно-поляризованных волн адаптивная подстройка по поляризации в заявляемом устройстве осуществляется посредством вращения фазосдвигающего элемента только в одном первом π/2-поляризаторе, а не посредством синхронного вращения фазосдвигающих элементов в обоих π/2-поляризаторах, как описано в [5]. Очевидно, мощность, необходимая для вращения одного фазосдвигающего элемента, вдвое меньше мощности, необходимой для вращения двух таких же фазосдвигающих элементов.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3).
Разделитель ортогонально-поляризованных волн (фиг. 1) содержит последовательно расположенные первый поляризатор 1, первый уголковый изгиб 2, корректор эллиптичности 3, второй уголковый изгиб 4, идентичный первому, второй поляризатор 5 и поляризационный селектор 6 с прямым выходным плечом 7 и с боковым выходным плечом 8, фазосдвигающий элемент 9, фазосдвигающий элемент 10, диэлектрический стержень 11, диэлектрический стержень 12, фазосдвигающий элемент 13.
Первый поляризатор 1 представляет собой отрезок волновода круглого сечения, на оси которого расположен диэлектрический стержень 11 (стержень 11 может быть выполнен, например, из кварцевого стекла) с закрепленным на нем фазосдвигающим элементом 9. Конец диэлектрического стержня 11 от первого поляризатора 1 проходит через отверстие в стенке отрезка круглого волновода между первым уголковым изгибом 2 и вторым уголковым изгибом 4. Размеры фазосдвигающего элемента 9 в первом поляризаторе 1 выбраны таким образом, что фазосдвигающий элемент 9 вносит дифференциальный фазовый сдвиг 90°. Изменение ориентации плоскости фазосдвигающего элемента 9 осуществляется посредством поворота диэлектрического стержня 11.
Корректор эллиптичности 3 может быть выполнен, например, в виде ряда штырей, ввернутых в стенку отрезка круглого волновода между первым уголковым изгибом 2 и вторым уголковым изгибом 4 (фиг. 1).
Второй поляризатор 5 представляет собой отрезок волновода круглого сечения, на оси которого расположен диэлектрический стержень 12 (стержень 12 так же, как и стержень 11, может быть выполнен из кварцевого стекла) с закрепленным на нем фазосдвигающим элементом 10. Конец диэлектрического стержня 12 от второго поляризатора 5 проходит через отверстие в стенке отрезка круглого волновода между первым уголковым изгибом 2 и вторым уголковым изгибом 4 (фиг. 1). Размеры фазосдвигающего элемента 10 во втором поляризаторе 5 выбраны таким образом, что фазосдвигающий элемент 10 вносит, в отличие от фазосдвигающего элемента 9 в первом поляризаторе 1, дифференциальный фазовый сдвиг не 90°, а 45°. Изменение ориентации плоскости фазосдвигающего элемента 9 осуществляется посредством поворота диэлектрического стержня 12. Кроме фазосдвигающего элемента 10 во втором поляризаторе 5 содержится еще один фазосдвигающий элемент 13, вносящий также дифференциальный фазовый сдвиг 45°. Фазосдвигающий элемент 13 может быть выполнен в виде двух диэлектрических пластин или двух рядов металлических штырей, установленных в диаметральной плоскости на внутренней стенке отрезка волновода второго поляризатора 4. При этом угол между плоскостью фазосдвигающего элемента 11 и плоскостью бокового выходного плеча 8 поляризационного селектора 6 составляет 45° (фиг. 2б, фиг. 3б).
Возможны два варианта конструктивного исполнения второго поляризатора 5. В первом варианте (фиг. 1) фазосдвигающие элементы 10 и 13 устанавливаются в одной поперечной плоскости второго поляризатора 5. Во втором варианте фазосдвигающие элементы 10 и 13 устанавливаются последовательно вдоль продольной оси второго поляризатора 5. Ближе ко входу второго поляризатора 5 устанавливается фазосдвигающий элемент 10 с возможностью поворота посредством диэлектрического стержня 12. Ближе к выходу второго поляризатора 5 устанавливается второй фазосдвигающий элемент 13, жестко закрепляемый на внутренней стенке второго поляризатора 5.
Угол первого уголкового изгиба 2 (или радиус, если изгиб плавный) и угол второго уголкового изгиба 4 (или радиус, если изгиб плавный) определяется требуемой величиной согласования, причем расстояние между осями первого поляризатора 1 и второго поляризатора 5 не должно превышать размеры электродвигателя, вращающего диэлектрический стержень 12 для того, чтобы избежать излишнего затенения раскрыва антенны. Конструкция разделителя ортогонально-поляризованных волн фиг. 1 с аксиальным расположением первого поляризатора 1 и второго поляризатора 5, когда первый уголковый изгиб 2 и второй уголковый изгиб 4 находятся в одной плоскости, предполагает использование в осесимметричных двухзеркальных антеннах. В однозеркальных антеннах рекомендуется использовать, как частный вариант конструкции патентуемого устройства, разделитель ортогонально-поляризованных волн с взаимно перпендикулярным расположением первого поляризатора 1 и второго поляризатора 5, т.е. когда первый уголковый изгиб 2 и второй уголковый изгиб 4 перпендикулярны друг другу - такая конструкция минимально затеняет раскрыв антенны и при этом, что является дополнительным преимуществом этой конструкции, нет необходимости в корректоре эллиптичности.
Предлагаемый разделитель ортогонально-поляризованных волн работает следующим образом.
1. Пусть на вход устройства поступают две ортогональные линейно-поляризованные волны Е1 и Е2 произвольной ориентации, задаваемой некоторым произвольным углом β, заключенным между вектором электрического поля волны Е1 и осью бокового плеча 8 поляризационного селектора 6 (фиг. 2). Посредством поворота диэлектрического стержня 11 фазосдвигающий элемент 9 первого поляризатора 1 устанавливается под углом 45° к вектору электрического поля волны Е1 (фиг. 2а). В этом случае, в силу известных свойств π/2-поляризатора [6], первый поляризатор 1 осуществит преобразование ортогональных линейно-поляризованных волн в волны круговой поляризации с противоположным направлением вращения векторов электрического поля. В частности линейно-поляризованная волна Е1 преобразуется в волну Е1 круговой поляризации, а линейно-поляризованная волна Е2 преобразуется в волну Е2 круговой поляризации с противоположным направлением вращения вектора электрического поля. Далее эти волны Е1 и Е2 круговой поляризации последовательно проходят первый уголковый изгиб 2, корректор эллиптичности 3, второй уголковый изгиб 4 и поступают на вход второго поляризатора 5. Корректор эллиптичности 3 осуществляет компенсацию дифференциального фазового сдвига, вносимого уголковыми изгибами 2 и 4, и вследствие этого волны Е1 и Е2 круговой поляризации поступают с выхода первого поляризатора 1 на вход второго поляризатора 5 без каких-либо поляризационных искажений (фиг. 2б).
При постоянном изменении ориентации векторов электрического поля ортогональных линейно-поляризованных волн (β меняется, фиг. 2а), поступающих на вход устройства, осуществляется адаптивная подстройка по поляризации, при которой ориентация фазосдвигающего элемента 9 меняется постоянно, «отслеживая» изменения угла β, но при которой угол между плоскостью фазосдвигающего элемента 9 и вектором электрического поля линейно-поляризованной волны Е1 остается неизменно равным 45°. Очевидно и в этом более общем случае на выходе первого поляризатора 1 имеют место две Е1 и Е2 круговой поляризации, которые далее поступают на вход второго поляризатора 5.
Для осуществления дальнейшего разделения волн Е1 и Е2 круговой поляризации участок заявляемого устройства, заключенный между входом второго поляризатора 5 и выходными плечами 7, 8 поляризационного селектора, выполняет функцию разделителя волн круговой поляризации [1]. Для этого, как отмечалось выше, этот участок должен представлять собой последовательное соединение π/2-поляризатора и поляризационного селектора, а угол между плоскостью фазосдвигающего элемента π/2-поляризатора и плоскостью бокового выходного плеча селектора должен быть равен 45°. Для выполнения этого условия необходимо с помощью диэлектрического стержня 12 во втором поляризаторе 5 повернуть фазосдвигающий элемент 9 до совмещения его плоскости с плоскостью фазосдвигающего элемента 11 (фиг. 2б). Тогда суммарный фазовый сдвиг, вносимый обоими фазосдвигающими элементами 10 и 13 во втором поляризаторе 5, станет равен 45°+45°=90°. В результате выполнения этого условия две волны Е1 и Е2 круговой поляризации преобразуются в втором поляризаторе 5 в ортогональные линейно-поляризованные волны, соответственно Е1 и Е2, которые затем поступают на вход поляризационного селектора 5 (фиг. 2в), пройдя через который, волна Е1 поступает в прямое выходное плечо 6, а волна Е2 - в боковое выходное плечо 7.
2. Пусть на вход заявляемого устройства поступают две волны Е1 и Е2 круговой поляризации с противоположным направлением вращения векторов электрического поля (фиг. 3а). Очевидно, в этом случае все устройство должно выполнять функцию разделителя волн круговой поляризации. Для разделения волн круговой поляризации необходимо [1] установить фазосдвигающий элемент 9 в первом поляризаторе 1 таким образом, чтобы угол между его плоскостью и плоскостью бокового плеча 8 поляризационного селектора составлял 45°. Кроме того, во втором поляризаторе 5 фазосдвигающий элемент 10 необходимо повернуть так, чтобы угол между его плоскостью и плоскостью фазосдвигающего элемента 13 был равен 90° (фиг. 3б). Тогда суммарный фазовый сдвиг, вносимый вторым поляризатором 5, станет равен 45°-45°=0° и, следовательно, влияние поляризатора 5 на работу устройства в этом случае можно не учитывать. В результате, при таких взаимных ориентациях фазосдвигающих элементов 9, 10, 13 все устройство представляет собой рассмотренный выше разделитель волн круговой поляризации [1], состоящий из последовательно соединенных поляризатора 1, вносящего дифференциальный фазовый сдвиг 90°, и поляризационного селектора 6, при этом угол между плоскостью фазосдвигающего элемента 9 поляризатора 1 и плоскостью бокового выходного плеча 8 поляризационного селектора равен 45°. Как и в исходном разделителе волн круговой поляризации [1], на выходе поляризатора 1 и на входе поляризационного селектора 6 имеют место две ортогональные линейно-поляризованные волны Е1 и Е2 (фиг. 3б), векторы электрического поля которых ориентированы под углом 45° к плоскости фазосдвигающего элемента 9 поляризатора 1 и под углом 0°/90° к оси бокового плеча 8 поляризационного селектора 6 (фиг. 3а, фиг. 3б). И, как было рассмотрено выше, пройдя через поляризационный селектор 6, волна Е1 поступает в прямое выходное плечо 7, а волна Е2 поступает в боковое выходное плечо 8 (фиг. 3в).
Источники информации
1. Канарейкин Д.Б., Павлов Н.Ф., Потехин В.А. 1966 Поляризация радиолокационных сигналов. М.: Сов. радио, 1966, стр. 349, рис. 11.26.
2. Каменский Н.Н., Модель A.M., Надененко Б.С. и др.; Под ред. С.В. Бородича. Справочник по радиорелейной связи. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1981, стр. 74, Рис. 4.6.
3. Каменский Н.Н., Модель A.M., Надененко Б.С. и др.; Под ред. С.В. Бородича. Справочник по радиорелейной связи. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1981, стр. 73, Рис. 4.4.
4. Патент США N6166610, кл. 333-21А.
5. Авторское свидетельство SU №1830560, Н01Р 1/165.
6. Аксинази Г.Б., Быков В.Л., Дьячкова М.Н. и др. под ред. Кантора Л.Я. "Справочник по спутниковой связи и вещанию". - М.: Радио и связь, 1983 г., стр. 181-182.