ЧАСТОТНО-ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ СЕЛЕКТОР
FREQUENCY-POLARIZATION SELECTOR

Настоящее изобретение относится к области антенной техники, в частности к облучающим системам зеркальных антенн и к глобальным рупорным антеннам, в качестве устройства, выполняющего функцию частотного и поляризационного разделения принимаемых и передаваемых сигналов.
Известно ортомодовое разветвление волноводов в сборе со связанными фильтрами, которое используется в облучающих системах [Patent US 2013/0342282 A1, Filed: Aug. 23, 2013, Pub. Date: Dec. 26, 2013]. Ортомодовый разветвитель разделяет две ортогональные моды высокочастотного сигнала, возникающие в волноводе круглого сечения. В четырех плечах ортомодового преобразователя установлены режекторные фильтры для подавления спектра частот передачи. На выходе преобразователя устанавливается режекторный фильтр для подавления высокочастотного сигнала, далее он подключается к поляризатору, тем самым обеспечивая возможность передачи сигнала с круговой поляризацией в низкочастотном диапазоне. Режекторные фильтры, расположенные вдоль одной оси, попарно соединяются с двойными Т-мостами, на один выход которых устанавливаются нагрузки, а другие подключаются к третьему двойному Т-мосту. За счет введения неоднородностей в последний двойной Т-мост можно добиться разности фаз 90° между двумя сигналами двух ортогональных мод, тем самым получив на выходах сигнал высокочастотного рабочего диапазона с круговой поляризацией.
Недостатками такого ортомодового разветвителя являются его увеличенные массогабаритные показатели, так как для обеспечения широкой рабочей полосы частот необходимо увеличивать размеры режекторных фильтров, потому что используемые резонансные структуры в данных фильтрах узкополосны. Существует необходимость в корректировке длин волноводных секций в местах их сочленений с двойными Т-мостами для обеспечения синфазности принятых сигналов. Кроме того, данная конструкция ортомодового разветвителя не обеспечивает разделения высокочастотных и низкочастотных составляющих сигнала более чем на октаву ввиду заявленных в патенте диапазонов рабочих частот.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков является диплексер с независимо регулируемой двойной поляризацией [Patent US 3,731,236, Filed: Aug. 17, 1972, Pub. Date: May 1, 1973]. Диплексер содержит два ортомодовых преобразователя для разделения высокочастотного и низкочастотного диапазона частот, соединенных между собой посредством четырех секций прямоугольных волноводов. Для выделения высокочастотного рабочего диапазона на выходе первого ортомодового преобразователя устанавливается согласующий трансформатор. За счет введения на выходах ортомодовых преобразователей перестраиваемых поляризаторов с подключаемыми к ним селекторами с перпендикулярными выходами можно принимать/передавать два сигнала с ортогональными поляризациями в диапазонах частот 5,925÷6,425 ГГц и 3,7 до 4,2 ГГц.
Такое выполнение частотно-поляризационного селектора упрощает тракт, уменьшая количество узлов, необходимых для поляризационного и частотного разделения сигналов высокочастотного и низкочастотного диапазонов.
Существенным недостатком данного селектора является невозможность его использования в высоких диапазонах частот. Это объясняется тем, что влияние высших мод на высоких частотах оказывает большее воздействие на распространение сигнала, чем на более низких частотах. Трансформатор, расположенный после ортомодового преобразователя, не обеспечит должного подавления высших мод, возникающих в сечении большего диаметра круглого волновода. Также данный селектор не обеспечивает разделения высокочастотных и низкочастотных составляющих сигнала, разнесенных более чем на октаву, ввиду неоптимальной конструкции ортомодового преобразователя и фильтров, которые не обладают соответствующей амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ).
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в повышении рабочих частот частотно-поляризационного селектора, а также в обеспечении разнесения частот приема и передачи более чем на октаву.
Решение данной задачи достигается за счет того, что в частотно-поляризационном селекторе применяется ортомодовый преобразователь, представляющий собой крестовой разветвитель, в плечах которого установлены емкостные фильтры нижних частот. На выходе первого ортомодового преобразователя установлен поляризатор Q-диапазона, реализованный на круглом волноводе с пазом и с двумя ортогональными выходами. Фильтры соединяются со вторым ортомодовым преобразователем посредством четырех п-образных волноводных секций равной длины. Один выход второго ортомодового преобразователя короткозамкнут, ко второму выходу через трансформатор с круглого на квадратное сечение присоединен септум-поляризатор с двумя ортогональными выходами. Согласно изобретению в первом ортомодовом преобразователе, в узле четырехкратного разветвления, внесены множественные изменения сечения круглого волновода, а также резонансная диафрагма, введенная в область перехода на волновод меньшего диаметра. Для разнесения частот приема и передачи более чем на октаву в плечах ортомодового преобразователя устанавливаются широкополосные емкостные фильтры нижних частот с переменной толщиной диафрагм. Для возможности технологической реализации разделения поляризационных составляющих сигнала в Q-диапазоне частот поляризатор реализован на круглом волноводе с регулируемым пазом.
Техническим результатом изобретения является возможность реализации частотно-поляризационного селектора, основанного на последовательном соединении двух ортомодовых преобразователей, в высоких диапазонах частот и разнесенных между собой Ka - и Q-диапазонов частот более чем на октаву.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены:
Фиг. 1 - электродинамическая модель частотно-поляризационного селектора;
Фиг. 2 - ортомодовый преобразователь;
Фиг. 3 - фильтр нижних частот;
Фиг. 4 - АЧХ фильтра нижних частот;
Фиг. 5 - измеренный и расчетный коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) устройства;
Фиг. 6 - график частотной зависимости измеренного и расчетного коэффициента эллиптичности (КЭ) устройства.
Частотно-поляризационный селектор, показанный на фиг. 1, включает ортомодовый преобразователь 1, представляющий собой крестовой разветвитель, в плечах которого установлены фильтры нижних частот 2. На выходе ортомодового преобразователя установлен поляризатор Q-диапазона 4, реализованный на круглом волноводе с пазом, и селектор с двумя ортогональными выходами 5. Фильтры 2 соединяются со вторым ортомодовым преобразователем 6 посредством четырех п-образных волноводных секций равной длины 3. Один выход преобразователя короткозамкнут, ко второму выходу через трансформатор с круглого на квадратное сечение присоединен септум-поляризатор 7. Поляризатор имеет два ортогональных выхода 8.
11
11
Устройство работает следующим образом. Для того чтобы частотно-поляризационный селектор был широкополосным, может быть использована схема разделения частот приема и передачи с помощью двух ортомодовых преобразователей. Первый ортомодовый преобразователь, показанный на фиг. 2, представляет собой волновод круглого сечения, к которому перпендикулярно его оси подключены четыре взаимно перпендикулярных фильтра нижних частот 11. Диаметр волновода круглого сечения 9 был выбран исходя из расчета распространения основной волны Н в диапазоне частот передачи. Выход преобразователя 10 представляет собой переход на сечение меньшего диаметра для распространения основной волны Н в диапазоне частот приема. Конструкция данного преобразователя выполнена таким образом, чтобы селекция ортогональных мод производилась на участке трансформации волноводов переменного сечения, тем самым обеспечивая лучшее согласование крестового сочленения в нижнем диапазоне частот. Для возможности обеспечения требуемых значений прямых и обратных потерь в высокочастотном диапазоне частот, разнесенном относительно низкочастотного более чем на октаву, необходимо подавить высшие моды, возникающие в волноводе большего диаметра. Множественные изменения сечения круглого волновода, а также резонансная диафрагма 12, введенная в область перехода на волновод меньшего диаметра, позволяют подавить паразитные составляющие высших мод, возникающие в круглом сечении волновода большего диаметра. Таким образом, сложное сечение волновода позволяет обеспечить требуемые значения прямых и обратных потерь в высокочастотном диапазоне частот, разнесенном относительно низкочастотного более чем на октаву. Фильтры, установленные в плечах ортомодового преобразователя, показаны на фиг. 3. Они представляют собой емкостные фильтры с переменной толщиной диафрагм, служащие для подавления высокочастотных составляющих спектра частот сигнала. На фиг. 4 изображена АЧХ данного фильтра, по которой видно, что в полосе пропускания 20÷22 ГГц обратные потери составили менее минус 20 дБ (КСВН≤1,2), а в полосе 43÷46 ГГц обеспечивается подавление на уровне менее минус 40 дБ. С помощью четырех взаимно перпендикулярных п-образных волноводов (фиг. 1) равной длины и второго ортомодового преобразователя, который выполняет функцию восстановления сигнала, выполняется условие синфазности и ортогональности двух мод, распространяемых в круглом волноводе. Для дальнейшей возможности передачи сигнала с круговой поляризацией ко второму преобразователю необходимо подключить септум-поляризатор. Для получения разности фаз 90° между ортогональными компонентами электромагнитной волны у такого поляризатора используется ступенчатая металлическая перегородка. К выходу переменного сечения первого преобразователя подключается поляризатор, реализованный на круглом волноводе с развернутым на 45° пазом. Оптимизируя геометрические размеры паза, можно добиться ортогональности мод с равной амплитудой и со сдвигом фаз 90°. Таким образом, с помощью данного поляризатора можно принять сигнал с круговой поляризацией. Также в данном поляризаторе предусмотрена регулировка глубины паза для возможности настройки требуемого коэффициента эллиптичности селектора. На фиг. 5 и фиг. 6 изображены измеренные и расчетные радиотехнические характеристики частотно-поляризационного селектора, по которым видно, что в диапазонах частот 20÷22 ГГц и 43÷46 ГГц КСВН не превышает 1.2 (обратные потери не более минус 20,8 дБ), а КЭ более 0,95, что обеспечивает значение кроссполяризационной развязки не менее 31,8 дБ и соответствует современным требованиям, предъявляемым к облучающим системам зеркальных антенн.