Способ поворота плоскости поляризации и стовосьмидесятиградусный поляризатор, его реализующий
METHOD FOR ROTATING POLARISATION PLANE AND 180-DEGREE POLARISER IMPLEMENTING THE METHOD

Область применения изобретения - антенная техника, СВЧ техника.
Заявляемый способ поворота плоскости поляризации и реализующее его устройство могут применяться в составе приемо-передающих антенных систем с целью поворота плоскостей поляризаций ортогональных принимаемых или передаваемых сигналов, имеющих линейную поляризацию, для увеличения кросс-поляризационной развязки ортогональных сигналов и увеличения поляризационной эффективности антенной системы, а также в составе волноводного фазовращателя Фокса [1], поворотного фазовращателя [2].
Плоскость поляризации определяется вектором напряженности электрического поля и вектором Пойтинга.
Из уровня техники известны аналоги заявляемого технического решения. В аналогах [3-5] представлены поляризаторы, которые являются взаимными устройствами, имеют двухполяризационный волноводный вход (выход) с основным типом волны ТЕ11 и реактивную фазосдвигающую схему, реализованную посредством металлических штырей и/или пластин, диэлектрических пластин, диафрагм. Аналог [6] представляет собой взаимное устройство, имеет двухполяризационный волноводный вход (выход) с основным типом волны ТЕ11.
В [3] приведено устройство, выполняющее функции поворота плоскостей поляризаций ортогональных принимаемых или передаваемых сигналов, имеющих линейную поляризацию, реализованное посредством последовательного включения двух широкополосных девяностоградусных поляризаторов. Недостатком данного технического решения является невозможность экспериментальной подстройки для минимизации ошибки дифференциального фазового сдвига каждого поляризатора, возникающей в процессе производства. В результате этого возникает повышенный уровень кроссполяризационной компоненты на выходе всего устройства.
В [4] приведено устройство, выполняющее аналогичные функции, реализованное посредством последовательного включения двух девяностоградусных поляризаторов. Недостатком данного технического решения является большое значение ошибки дифференциального фазового сдвига в рабочей полосе частот, а также отсутствие возможности для ее экспериментальной подстройки с целью минимизации этой ошибки. Данные недостатки приводят к повышению уровня кроссполяризационной компоненты всего устройства.
В [5] приведено устройство, выполняющее функции девяностоградусного поляризатора. Последовательно соединенная пара данных устройств обеспечивает функции стовосьмидесятиградусного поляризатора. В данном варианте экспериментальная подстройка величины ошибки дифференциального фазового сдвига осуществляется посредством регулировки глубины погружения подстрочных винтов. Недостатком данного способа подстройки является значительная трудоемкость выполнения подстройки.
В [6] приведено устройство, выполняющее аналогичные функции, реализованное посредством вращения всей системы, включающей девяностоградусный поляризатор и малошумящий преобразователь частот. Недостатком данного устройства является необходимость вращения всей системы, включая малошумящий преобразователь частот и девяностоградусный поляризатор, а также прием сигнала только одной линейной ортогональной поляризации из двух.
Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение такой зависимости угла плоскости поляризации сигнала на выходе стовосьмидесятиградусного поляризатора от угла поворота стовосьмидесятиградусного поляризатора при заданном угле плоскости поляризации сигнала на входе стовосьмидесятиградусного поляризатора, что уровень кросс-поляризационной компоненты сигнала на выходе стовосьмидесятиградусного поляризатора является принципиально частотно независимым в широкой полосе частот и по мере необходимости минимизируется простой технической настройкой.
На Фиг. 1 представлена схема включения стовосьмидесятиградусного поляризатора в составе антенной системы, осуществляющей прием (передачу) сигналов ортогональных линейных поляризаций.
пол
пол
На Фиг. 2 представлено взаимное угловое расположение декартовых систем координат входного, выходного сигналов - X, Y, стовосьмидесятиградусного поляризатора - Х, Y и векторов напряженности электрического поля входного и выходного сигналов  определяемое углом φ. В общем случае, угловое положение вектора входного сигнала  в системе координат X, Y является произвольным.
Данные системы координат служат для математического описания углового положения плоскости поляризации сигнала через его компоненты, получаемые при разложении по осям данных систем координат.
Стовосьмидесятиградусный поляризатор является взаимным симметричным устройством, поэтому расположение входа и выхода является взаимозаменяемым.
Входной и выходной сигналы стовосьмидесятиградусного поляризатора в векторной форме в системе координат X, Y можно представить в виде следующих выражений через комплексные амплитуды компонент напряженностей электрического поля данных сигналов:
где
На Фиг. 3 представлена структурная схема стовосьмидесятиградусного поляризатора, заявленного в настоящем изобретении. Данный поляризатор содержит пару широкополосных турникетных ортоплексеров. На Фиг. 3 цифрами 1-5 обозначены следующие элементы:
1 - входной, выходной ортоплексеры;
2 - первое волноводное плечо;
3 - второе волноводное плечо;
4 - третье волноводное плечо;
5 - четвертое волноводное плечо;
пол
пол
На Фиг. 4 (а) представлен общий вид турникетного ортоплексера. На Фиг. 4(б) представлен общий вид широкополосного турникетного ортоплексера в системе координат Х, Y, где цифрами 6-10 обозначены следующие элементы:
6 - общий вход входного и выходного ортоплексера (роторной части стовосьмидесятиградусного поляризатора);
7 - первый волноводный канал;
8 - второй волноводный канал;
9 - третий волноводный канал;
10 - четвертый волноводный канал;
Элементы 7-10 представляют собой волноводные каналы, являющиеся волноводами прямоугольного сечения; 6 - общий вход, являющийся двухполяризационным волноводом круглого сечения. Основной рабочий тип волны общего входа турникетного ортоплексера - ТЕ11. Основной рабочий тип волны волноводных каналов - ТЕ10. Модель турникетного ортоплексера для работы в относительной полосе частот 33,6% взята из [7]. Модель турникетного ортоплексера для работы в относительной полосе частот 64% взята из [8]. Выбор данных относительных частотных полос обусловлен их частым использованием в спутниковой связи.
При этом компоненты сигнала оси  развязаны с волноводными каналами 8 и 10 и делятся поровну в противофазе между каналами 9 и 7, компоненты сигнала оси  развязаны с волноводными каналами 7 и 9 и делятся поровну в противофазе между каналами 8 и 10.
Плечи 2-5 (Фиг. 3) служат для соединения четырех прямоугольных волноводных каналов 7-10 входного и выходного ортоплексера, и имеют равные электрические длины. При этом плечо 2 подключается к волноводному каналу 7, плечо 3 подключается к волноводному каналу 8, плечо 4 подключается к волноводному каналу 9 и плечо 5 подключается к волноводному каналу 10 входного и выходного ортоплексеров.
В настоящем изобретении представлены три варианта стовосьмидесятиградусного поляризатора. В первом варианте устройства плечи 2-5 (Фиг. 3, Фиг. 5а, б), реализованы посредством использования одинакового количества волноводных Е-, Н- поворотов и прямых волноводных участков, имеющих прямоугольное сечение для относительной рабочей полосы 33,6%, П- либо Н- образное сечение для относительной рабочей полосы 64%, и основной рабочий тип волны ТЕ10. Цифрами 11-13 на Фиг. 5а, б обозначены следующие элементы:
11 - волноводный поворот в Н-плоскости;
12 - волноводный поворот в Е-плоскости;
13 - прямой регулярный отрезок волноводной линии передачи;
Диагональные элементы матриц S-параметров данных волноводных плеч как четырехполюсников являются абсолютно идентичными в широкой полосе частот. Разница между плечами 2, 4 и плечами 3, 5 заключается только в направлениях включения Е- и Н- поворотов, в результате чего недиагональные элементы матриц S-параметров в плечах 2, 4 приобретают знак минус в широкой полосе частот. Таким образом, при подключении к волноводным каналам 7-10 входного и выходного ортоплексеров плеч 2-5 обеспечивается разность фаз 180 градусов коэффициентов передачи компонент сигнала  с общего входа входного ортоплексера (вход стовосьмидесятиградусного поляризатора) на общий вход выходного ортоплексера (выход стовосьмидесятиградусного поляризатора) - образуется средний дифференциальный фазовый сдвиг - средняя в полосе частот результирующая разность фаз.
Во втором варианте заявляемого устройства, представленном на Фиг. 3, Фиг. 6а, б, плечи 2-5 реализованы посредством волноводных ступенчатых скруток, соединенных с волноводными каналами входного и выходного ортоплексеров 7-10 при помощи волноводных Е-поворотов. Цифрой 14 на Фиг. 6а, б обозначена секция ступенчатой волноводной скрутки.
Волноводные скрутки и Е-повороты имеют прямоугольное сечение для относительной рабочей полосы 33,6%, П- либо Н-образное сечение для относительной рабочей полосы 64%, и основной тип волны ТЕ10. При этом, скрутки в плечах 2, 4 осуществляют поворот плоскости поляризации на 180 градусов, скрутки в плечах 3, 5 - поворот на 90 градусов, затем осуществляют обратный поворот на прежний угол. Плечи 2, 4 и 3, 5 имеют идентичные диагональные элементы матрицы S-параметров и недиагональные элементы, отличающиеся наличием знака минус. Таким образом, при подключении к волноводным каналам 7-10 входного и выходного ортоплексеров плеч 2-5 обеспечивается разность фаз 180 градусов коэффициентов передачи компонент сигнала  с общего входа входного ортоплексера (вход стовосьмидесятиградусного поляризатора) на общий вход выходного ортоплексера (выход стовосьмидесятиградусного поляризатора) - образуется средний дифференциальный фазовый сдвиг - средняя в полосе частот результирующая разность фаз.
В третьем варианте заявляемого устройства, представленном на Фиг. 3, Фиг. 7а, б, плечи 2-5 реализованы посредством последовательно включенных коаксиально-волноводных переходов (КВП), соединенных с волноводными каналами входного и выходного ортоплексеров посредством волноводных Е-поворотов и соединенных между собой коаксиальными участками. Цифрами 15, 16 на Фиг. 7а, б обозначены следующие элементы:
15 - коаксиально-волноводный переход;
16 - прямой регулярный отрезок коаксиальной линии передачи;
Волноводные Е-повороты имеют прямоугольное сечение для относительной рабочей полосы 33,6%, П- либо Н-образное сечение для относительной рабочей полосы 64%, и основной тип волны ТЕ10. КВП содержат участки, имеющие прямоугольное волноводное сечение для относительной рабочей полосы 33,6% и П -либо Н-образное сечение для относительной рабочей полосы 64%, с основным типом волны ТЕ 10 и коаксиальные участки с типом волны ТЕМ. При этом пары КВП в плечах 2, 4 осуществляют поворот плоскости поляризации на 180 градусов, а пары КВП в плечах 3, 5 - поворота плоскости поляризации не осуществляют. Плечи 2, 4 и 3, 5 имеют идентичные диагональные элементы матрицы S-параметров и недиагональные элементы, отличающиеся наличием знака минус. Таким образом, посредством антисимметричного включения коаксиально-волноводных переходов в двух противоположных волноводных плечах, при подключении к волноводным каналам 7 -10 входного и выходного ортоплексеров плеч 2-5 обеспечивается разность фаз 180 градусов коэффициентов передачи компонент сигнала  с общего входа входного ортоплексера (вход стовосьмидесятиградусного поляризатора) на общий вход выходного ортоплексера (выход стовосьмидесятиградусного поляризатора) образуется средний дифференциальный фазовый сдвиг - средняя в полосе частот результирующая разность фаз.
Заявляемое устройство стовосьмидесятиградусный поляризатор в любом из выше описанных вариантов своего осуществления характеризуется следующими существенными отличительными признаками:
1. Отсутствие реактивной фазосдвигающей схемы, приводящей к неравномерности дифференциального фазового сдвига в широкой полосе частот и, как следствие, увеличению уровня кросс-поляризационной компоненты сигнала.
2. Наличие плеч 2-5, обладающих такими свойствами, что обеспечивается разность фаз 180 градусов коэффициентов передачи компонент сигнала с общего входа входного ортоплексера (вход стовосьмидесятиградусного поляризатора) на общий вход выходного ортоплексера (выход стовосьмидесятиградусного поляризатора) образуется средний дифференциальный фазовый сдвиг - средняя в полосе частот результирующая разность фаз.
3. Возможность установки регулировочных прокладок в местах соединения волноводных плеч 2-5 с прямоугольными волноводными каналами 7-10 входного и выходного ортоплексеров для минимизации ошибки дифференциального фазового сдвига и, следовательно, уровня кросс-поляризационной компоненты.
Заявляемый способ поворота плоскости поляризации реализуется посредством любого из описанных выше трех вариантов устройства стовосьмидесятиградусного поляризатора.
пол
пол
Для обеспечения зависимости угла плоскости поляризации сигнала линейной поляризации на выходе стовосьмидесятиградусного поляризатора от угла поворота стовосьмидесятиградусного поляризатора при заданном угле плоскости поляризации сигнала линейной поляризации на входе стовосьмидесятиградусного поляризатора первоначально осуществляют поляризационное разложение входного сигнала в общем канале входного ортоплексера в декартовой системе координат Х, Y, задаваемой взаимной ориентацией четырех прямоугольных волноводных каналов входного и выходного ортоплексеров стовосьмидесятиградусного поляризатора (Фиг. 2). Далее, обеспечивают соединение прямоугольных волноводных каналов 7-10 входного и выходного ортоплексеров при помощи плеч 2-5. При этом, плечо 2 соединяет волноводные каналы 7 входного и выходного ортоплексеров, плечо 3 соединяет волноводные каналы 8 входного и выходного ортоплексеров, плечо 4 соединяет волноводные каналы 9 входного и выходного ортоплексеров, плечо 5 соединяет волноводные каналы 10 входного и выходного ортоплексеров.
На заключительном этапе, осуществляется сложение поляризационных компонент четырех прямоугольных волноводных каналов выходного ортоплексера стовосьмидесятиградусного поляризатора в общем канале выходного ортоплексера.
Таким образом, заявляемый способ поворота плоскости поляризации характеризуется следующей последовательностью действий:
пол
пол
Первоначально сигнал, имеющий компоненты в системе координат  и  (Фиг. 2) поступает на вход стовосьмидесятиградусного поляризатора - общий вход входного ортоплексера. Далее, осуществляют векторное разложение компонент  по осям в системе координат стовосьмидесятиградусного поляризатора Х, Y (Фиг. 4,б). Результатом данного разложения является появление поляризационных компонент стовосьмидесятиградусного поляризатора  При этом, компонента  развязана с волноводными каналами ортоплексера 8, 10 и делится поровну противофазно между каналами 7 и 9, образуя противофазные составляющие  компонента  развязана с волноводными каналами ортоплексера 7, 9 и делится поровну противофазно между каналами 8 и 10, образуя противофазные составляющие
Далее, через плечи 2-5, соединяющие волноводные каналы 7-10 входного и выходного ортоплексеров, составляющие компонент  поступают на общий вход выходного ортоплексера - выход стовосьмидсятиградусного поляризатора. В сечении общего входа выходного ортоплексера происходит сложение составляющих плечей 2-5 -  При этом, результирующая компонента  приобретает знак минус, результирующая компонента  сохраняет прежний знак.
После этого осуществляют повторное разложение компонент результирующего вектора напряженности электрического поля устройства поворота плоскости поляризации сигнала по осям декартовой системы координат входного и выходного сигнала - разложение результирующих компонент  по осям в системе координат X, Y (Фиг. 2), в результате чего происходит образование компонент
пол
пол
На Фиг. 9 представлена трехмерная модель стовосьмидесятиградусного поляризатора, включающая плечи 2-5, представленные также на Фиг. 5(а), (б). При этом изменение угла плоскости поляризации сигнала линейной поляризации происходит посредством вращения устройства, представленного на Фиг. 8 вокруг оси вращения, проходящей через центр системы координат Х, Y (см. Фиг. 4,б) ортогонально осям.
На Фиг. 9 представлено условное изображение стовосьмидесятиградусного поляризатора в качестве роторной части в корпусе (статорной части), включающего плечи 2-5, показанные также на Фиг. 5 (а), (б). Цифрами 17-20 на Фиг. 9 обозначены следующие элементы:
17 - корпус стовосьмидесятиградусного поляризатора (статорная часть);
18 - общий вход статорной части стовосьмидесятиградусного поляризатора;
19 - дроссельное соединение роторной и статорной частей стовосьмидесятиградусного поляризатора;
20 - роторная часть стовосьмидесятиградусного поляризатора;
На Фиг. 10 дается пример расчетной частотной зависимости величины дифференциального фазового сдвига стовосьмидесятиградусного поляризатора, представленного на Фиг. 8. Эта зависимость рассчитана для относительной полосы частот 33,6%.
Хотя настоящее изобретение описано на примере конкретных вариантов его осуществления, для специалистов будут ясны возможности многочисленных модификаций данного изобретения, не выходящие за границы объема его правовой охраны, определяемого прилагаемой формулой.
Список литературы:
1. "Антенно-фидерные устройства", А.С. Лавриков, Г.Б. Резников, изд. "Советское радио", 1974 г., стр. 344.
2. "Foundations for Microwave Engineering", second edition, Robert E. Collin, p. 404.
3. Патент US/0057849 A1 (10.03.2011).
4. Патент US/6,963,253 B2 (08.11.2005).
5. Патент РФ 2233513.
6. US 2013/0307721 A1 (21.11.2013).
7. "Design of wideband orthomode transducers based on the turnstile junction for satellite communications", Ignacio Izquierdo Martinez, Universidad Autonoma de Madrid, Escuela Politecnica Superior, Proyecto fin de Carrera, p. 75, Fig.6.11, November 2008.
8. "A Dual Linear Polarization Feed Antenna System for Satellite Communications", A. Tribak, A. Mediavilla, Alicia Casanueva, and K. Cepero, PIERS ONLINE, VOL. 7, NO. 3, 2011.