СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫЙ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ

Полезная модель относится к области антенной техники и может быть использована в радиотехнических системах различного назначения в антенных устройствах, как самостоятельно, так и в качестве базового элемента облучателя зеркальных и линзовых антенн для обеспечения режима приема-передачи с одновременно существующими двумя взаимно ортогональными поляризациями.
мин
мин
мин
Известен поляризационный селектор [Патент РФ RU 2265259, С1, Н01, Р 1/161 опубл.27.11.2005], выполненный на волноводе круглого сечения в виде волноводного тройника, содержащего отрезки волноводов круглого и прямоугольного сечений, а также переход с круглого на прямоугольное сечение волновода, при этом в отрезке волновода круглого сечения установлены металлическая пластина, индуктивный стержень, подстроечный винт, а в отрезке волновода прямоугольного сечения согласующие диафрагмы, причем на выходах отрезка волновода прямоугольного сечения и перехода с круглого на прямоугольное сечение волновода установлено по поляризационной решетке, выполненной из металлических проводников диаметром D=0,01 λ, отстоящих на расстоянии I=0,1 λ друг от друга, где λ - минимальная длина волны рабочего диапазона прямоугольного волновода, при этом проводники одной поляризационной решетки расположены параллельно широкой стенке отрезка волновода прямоугольного сечения, а проводники второй поляризационной решетки параллельно широкой стенке перехода с круглого на прямоугольное сечение волновода, причем пространство в отрезке волновода прямоугольного сечения с согласующими диафрагмами заполнено диэлектриком с низким значением диэлектрической проницаемости.
Недостатком этого поляризационного селектора является сложность в изготовлении и настройке, отсутствие возможности расширения полосы рабочих частот. Применение поляризационных решеток в выходных каналах селектора вызывает возникновение паразитных резонансов и снижение переходного ослабления между каналами в диапазоне рабочих частот прямоугольного волновода, а металлическая пластина, индуктивный стержень, подстроечный винт в волноводе круглого сечения сужают диапазон рабочих частот.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому сверхширокополосному поляризационному излучателю является волноводный поляризатор [Патент РФ RU 2265258, H01 C1 H01Р 1/161 опубл. 27.11.2005], принятый за прототип, содержащий отрезок волновода выполненный в виде усеченной пирамиды с размерами α×α с одной стороны, в×с с другой, высотой больше или равной 2λ, причем в отрезок волновода введены два клина, с помощью которых образован переход от квадратного сечения к Т-образному, при этом клинья выполнены с основанием 0,2λ×0,7λ и высотой, равной высоте отрезка волновода, где , λ - длина волны в свободном пространстве.
К недостатком волноводного поляризатора-прототипа, при использовании его в качестве излучателя, следует отнести значительное несовпадение максимумов диаграмм направленности в вертикальной и горизонтальной плоскостях, недостаточное согласование изолированных каналов, узкополосность.
Целью создания полезной модели является улучшение электрических характеристик сверхширокополосного поляризационного излучателя, расширение области применения.
Технический результат от использования предлагаемой полезной модели заключается в повышении уровня сигнала при передаче или в получении более достоверной информации при приеме сверхширокополосного СВЧ сигнала с поляризацией любого вида (линейная, эллиптическая, круговая и др.) за счет улучшения суммирования или повышения точности выделения ортогонально линейно поляризованных сверхширокополосных СВЧ сигналов, в улучшении массо-габаритных характеристик радиоэлектронной аппаратуры за счет сокращения номенклатуры комплектующих при объединении приемо-передающих трактов.
макс
макс
Поставленная цель достигается тем, что сверхширокополосный поляризационный излучатель содержит отрезок волновода в виде усеченной пирамиды, с одной стороны квадратного сечения с размерами α×α, с другой стороны с размерами в×с, два клина с основаниями и вершинами, введенные в отрезок волновода и образующие переход, высота клиньев равна высоте отрезка волновода, причем клинья расположены симметрично в диагонально противоположных углах отрезка волновода, основания и вершины которых выполнены квадратными с размерами сторон А и А·(1+0,228·n) для одного клина, В и В·(1+0,263·n) для другого клина соответственно, с одной стороны перехода образуют основаниями два взаимно перпендикулярных прямоугольных волноводных сечения с размерами А×В соединенных между собой углами в одной точке, с другой стороны вершинами образуют два взаимно перпендикулярных прямоугольника с размерами [α-А·(1+0,228·n)]×[α-В·(1+0,263·n)], объединенных по длине перехода по плоскости, проходящей через точку соединения углов оснований и близлежащие углы вершин, при этом: А=в-В; В=с-А; в=с; α=с·(1+0,5·n); где: n≥2 - число длин волн λ укладывающихся в высоту отрезка волновода в виде усеченной пирамиды, λ - максимальная длина волны рабочего диапазона.
Сущность полезной модели заключается в реализации устройства обеспечивающего в единой конструкции качественное суммирование (в режиме передачи) и выделение (в режиме приема) с высокой точностью ортогонально линейно поляризованных сверхширокополосных СВЧ сигналов.
Полезная модель получена в результате применения новых конструктивных решений и представляет собой линейное волноводное устройство с двумя взаимно перпендикулярными волноводными прямоугольными сечениями, соединенными углами с одной стороны, плавно расширяющимися по длине перехода, постепенно объединяясь друг с другом, и образующими с другой стороны сечение в виде двух взаимно перпендикулярных прямоугольников объединенных одним углом, в результате этого в устройстве формируются два идентичных симметрично расположенных волноводных канала.
Отличительными признаками полезной модели являются: клинья разных размеров с квадратными основаниями А×А, В×В и вершинами А·(1+0,228·n)×А·(1+0,228·n). В·(1+0,263·n)×В·(1+0,263·n), их симметричное расположение в диагонально противоположных углах отрезка волновода, квадратное сечение отрезка волновода в виде усеченной пирамиды с обеих сторон, аналитические выражения для определения размеров вершин, соотношения и условия, выполняемые при определении размеров.
10
макс
Размещение клиньев симметрично в диагонально противоположных углах отрезка волновода со стороны с размерами в×с формирует два взаимно перпендикулярных прямоугольных волноводных сечения, размеры оснований А=в-В, В=с-А при равенстве сторон в=с становятся квадратными А×А, В×В, и образуют два, соединенных углами, волноводных сечения с одинаковыми размерами А×В, обеспечивающими условия распространения чистой волны Н для чего при выборе с необходимо учитывать, что при с>λ присутствует вероятность возникновения высших типов волн, а при значениях  сужается полоса рабочих частот [И.В.Лебедев Техника и приборы СВЧ. Том I. "Техника сверхвысоких частот" "Государственное энергетическое издательство", М-Л., 1961 г., стр.155-159].
макс
Размеры вершин клиньев А·(1+0,228·n)×А·(1+0,228·n) и В·(1+0,263·n)×В·(1+0,263·n) отрезка волновода со стороны с размерами α×α, где α=с·(1+0,5·n), определены математическим моделированием при условиях получения максимального направленного действия перехода, линейности фазовых соотношений в полосе рабочих частот [Г.Б.Белоцерковский "Основы радиотехники и антенны" Часть II. Антенны. "Советское радио". М., 1969 г., стр.211-214], возбуждения взаимно ортогональных волн, исключающих взаимосвязь между каналами, получения хорошей развязки между изолированными каналами, и увязаны с n числом длин волн λ укладывающихся в высоту отрезка волновода в виде усеченной пирамиды, при этом n≥2 - условие получения минимальных величин коэффициента отражения [Под ред. А.М.Чернушенко "Конструкции СВЧ устройств и экранов" М., "Советское радио", 1983 г., стр.99].
Вершины клиньев в квадратном сечении отрезка волновода с размерами α×α образуют два взаимно перпендикулярных прямоугольника с размерами [α-А·(1+0,228·n)]×[α-В·(1+0,263·n)] объединенных по длине перехода по плоскости проходящей через точку соединения углов оснований и близлежащие углы вершин, этим достигается максимальное совпадения диаграмм направленности в вертикальной и горизонтальной плоскостях, поканальная фазовая идентичность, при наилучшей развязке между изолированными каналами.
Технический результат достигается благодаря выполнению клиньев разных размеров с квадратными основаниями и вершинами, симметричного их расположения в диагонально противоположных углах отрезка волновода, квадратным сечением отрезка волновода в виде усеченной пирамиды с обеих сторон, соотношений и условий при определении размеров. Именно совокупность этих решений в устройстве формирует два идентичных симметрично расположенных взаимно перпендикулярных объединенных волноводных канала с хорошими согласованием, развязкой, поканальной фазовой идентичностью, обеспечивающих совпадение максимумов диаграмм направленности в вертикальной и горизонтальной плоскостях, и позволяет улучшить суммирование, повысить точность выделения ортогонально линейно поляризованных сверхширокополосных СВЧ сигналов при улучшении массо-габаритных характеристик радиоэлектронной аппаратуры за счет сокращения номенклатуры комплектующих при объединении приемо-передающих трактов.
На фиг.1 представлен сверхширокополосный поляризационный излучатель (далее излучатель), вид сбоку, в разрезе; на фиг.2 - то же, вид А; на фиг.3 - то же, вид В; цифрами обозначены:
1 - отрезок волновода;
2 - квадратное сечение;
3 - клин;
4 - основание клина;
5 - вершина клина;
6 - переход;
7 - противоположные углы отрезка волновода 1;
8 - прямоугольное волноводное сечение;
9 - точка соединения углов сечений 8;
10 - взаимно перпендикулярные прямоугольники;
11 - плоскость;
12 - близлежащие углы вершин 5.
Излучатель содержит отрезок волновода 1 в виде усеченной пирамиды, с одной стороны квадратного сечения 2, два клина 3 с основаниями 4 и вершинами 5, образующие переход 6.
Излучатель выполнен в виде единой конструкции состоящей из перехода 6, который образован двумя клиньями 3, расположенными в отрезке волновода 1 симметрично в диагонально противоположных углах 7, основания 4 и вершины 5 у клиньев 3 выполнены квадратными, основания 4 выполнены с размерами сторон А×А и В×В, и в переходе 6 со стороны с размерами в×с, образуют два взаимно перпендикулярных прямоугольных волноводных сечения 8 с размерами А×В соединенных между собой углами в одной точке 9, форма, размещение и размеры оснований 4 обеспечивают равенство в=с. Вершины 5 выполнены с размерами А·(1+0,228·n) и В·(1+0,263·n) и в переходе 6 со стороны с размерами α×α образуют два взаимно перпендикулярных прямоугольника 10 с размерами [α-А·(1+0,228·n)]×[α-В·(1+0,263·n)] объединенных между собой по длине перехода 6 по плоскости 11 проходящей через точку 9 соединения углов сечений 8 и близлежащие углы 12 вершин 5.
Взаимное положение, размеры и состав элементов конструкции излучателя получены математическим моделированием и окончательно определены экспериментально.
Принцип работы предлагаемого излучателя.
Синфазные сверхширокополосные СВЧ сигналы подаются в два прямоугольных волноводных сечения 8, по мере прохождения через излучатель суммируются в отрезке волновода 1 и через квадратное сечение 2 излучаются в пространство. В зависимости от поставленной задачи в прямоугольные волноводные сечения 8 могут подаваться сигналы с разными фазовыми сдвигами, при этом в волноводе 1 на выходе квадратного сечения 2 формируется сигнал с любой поляризацией.
Конструкция излучателя взаимная, то есть электромагнитная волна произвольной поляризации, поступающая со стороны квадратного сечения 2, проходит по волноводу 1 к двум взаимно перпендикулярным прямоугольным волноводным сечениям 8, постепенно разделяясь на две ортогональные составляющие, выделяется в ортогонально линейно поляризованные сверхширокополосные СВЧ сигналы.
Пример реализации излучателя.
При математическом моделировании излучателя использовался метод конечных элементов для решения трехмерных и двухмерных задач электродинамики, моделировалась картина распределения электромагнитного поля распространяющегося в полости волноводной структуры, по которой производилась оценка прохождения волны. Моделирование проводилось на ПЭВМ Pentium V, тактовая частота 3,2ГГц, объем оперативной памяти 8Гб, операционная система Windows 2003XP.
Изготовлен сверхширокополосный поляризационный излучатель в см диапазоне длин волн с параметрами:
квадратное сечение α×α - 77×77 мм,
сечение в×с - 33×33 мм,
основания клиньев - 23×23 мм, 10×10 мм,
вершины клиньев - 37×37 мм, 17×17 мм,
На фиг.4-7 представлены электрические характеристики излучателя, полученные экспериментально.
На фиг.4 - приведена частотная зависимость КСВН в волноводных сечениях излучателя, где максимальных значений, не более 1,14, КСВН достигает в нижней части диапазона. Незначительное несовпадение кривых поканальных частотных зависимостей КСВН объясняется погрешностью измерений.
На фиг.5 - приведена частотная зависимость развязки между волноводными сечениями излучателя, принимает наихудшее значение не менее минус 30 дБ и улучшается с увеличением частоты.
На фиг.6 - приведены нормированные диаграммы направленности излучателя в двух плоскостях для трех точек рабочего диапазона частот (8ГГц, 13ГГц, 18ГГц) на совпадающей поляризации, ширина диаграммы направленности с ростом частоты обужается, боковые лепестки диаграммы направленности присутствуют на средней и верхней частотах диапазона и не превышают уровня минус 17дБ, несовпадение максимумов диаграмм направленности в вертикальной и горизонтальной плоскостях с осью излучателя не более 1 градуса.
Представленная на фиг.7 - расчетная объемная диаграмма направленности излучателя на средней частоте рабочего диапазона при подаче синфазных сигналов с одинаковыми амплитудами, наглядно показывает совпадение максимума с осью излучателя, низкий уровень бокового излучения, совпадение парциальных диаграмм направленности.
Полученные результаты подтверждают реализуемость технического результата от использования предлагаемого излучателя, заключающегося в повышении уровня сигнала при передаче или в получении более достоверной информации при приеме сверхширокополосного СВЧ сигнала с поляризацией любого вида (линейная, эллиптическая, круговая и др.) в улучшении массо-габаритных характеристик радиоэлектронной аппаратуры за счет сокращения номенклатуры комплектующих при объединении приемных и передающих трактов.
Практическая реализация излучателя обеспечивается простотой конструкции, технологичностью изготовления.
Излучатель может быть применен в радиотехнических системах различного назначения в антенных устройствах, как самостоятельно, так и в качестве базового элемента облучателя зеркальных и линзовых антенн для обеспечения режима приема-передачи с одновременно существующими двумя взаимно ортогональными поляризациями в сверхширокополосном диапазоне длин волн, для сокращения номенклатуры АФУ многочастотных радиотехнических средств.