ИЗЛУЧАТЕЛЬ НА КВАДРАТНОМ ВОЛНОВОДЕ С ПЛАСТИНЧАТОЙ ЗАМЕДЛЯЮЩЕЙ СТРУКТУРОЙ И ВЫСТУПАМИ

Полезная модель относится к антенной технике и может использоваться в системах радиолокации, радиосвязи и телевещания.
Непрерывное повышение требований к тактико-техническим характеристикам систем спутниковой связи приводит к необходимости создания компактных антенн с широкой рабочей полосой частот и эллиптической поляризацией поля излучения. При этом все элементы антенно-фидерного устройства должны обладать высокой электрической и механической прочностью, включая и распределительные системы. Поэтому элементы фидерного тракта целесообразно выполнять на волноводах, обладающих высокой прочностью и малыми потерями. В системах спутниковой связи часто возникает необходимость преобразования поляризации, например, из линейной в круговую или наоборот. Для преобразования используются поляризационные секции на основе круглых или квадратных волноводов. Поляризаторы на основе квадратных волноводов проще в изготовлении и расчете, т.к. неоднородности, благодаря которым  возникает фазовый сдвиг 90° между ортогональными составляющими поля, размещаются в ортогональных плоскостях декартовой системы координат. В настоящее время для построения поляризаторов на квадратном волноводе широко применяются различные комбинации тонких диафрагм, расположенных на двух противоположных стенках волновода или отрезки гофрированных волноводов. Однако, для возбуждения таких поляризационных секций требуется поворачивать питающий волновод на 45°, а также применять согласующие переходы, что конструктивно не всегда удобно [1-3].  Аналогичные конструкции поляризаторов на квадратном волноводе приведены в пособии [4]. Здесь рассмотрены поляризаторы на квадратном волноводе с металлическими и диэлектрическими вставками.
Известна конструкция поляризатора на квадратном волноводе, в которой питающий волновод не поворачивается относительно поляризационной секции [5] - Патент SU 1798839 A1. Поляризатор выполнен на Т-образном переходе, соединяющем регулярный прямоугольный волновод с квадратной поляризационной секцией. Такая конструкция разработана с целью повышения электрической прочности и имеет большие габариты, чем конструкции, рассмотренные выше.
Известен волноводный поляризатор [6] - SU 1793496, содержащий первый отрезок круглого волновода, соединенный коническим переходом со вторым отрезком круглого волновода, имеющим больший диаметр, и в каждом из которых размещены фазосдвигающие элементы в виде двух рядов емкостных металлических стержней, установленных диаметрально противоположно и в общей продольной плоскости, и две пары металлических гребней, одна из которых установлена диаметрально противоположно в первом отрезке круглого волновода в плоскости, ортогональной общей продольной плоскости, а вторая пара металлических гребней установлена диаметрально противоположно во втором отрезке круглого волновода в общей продольной плоскости и в них установлены емкостные металлические стержни.
Недостатком этого волноводного поляризатора является сложность изготовления, потому что он состоит из множества элементов, которые должны быть строго рассчитаны и установлены в расчетных местах, что является непростой технической задачей. Подстроечных элементов нет и поэтому характеристики зависят от расчета и точности установки. Из-за наличия резонансных элементов волноводный поляризатор имеет узкую частотную полосу. Характеристики (коэффициент эллиптичности < 0,92, коэффициент бегущей волны < 0,8, полоса пропускания < 8%) получаются неудовлетворительными.
Для расширения рабочей полосы в таких поляризаторах применяются различные законы размещения диафрагм или гофров. Существенное расширение рабочей полосы достигается применением волноводов и гофров сложной формы [7-12].
Известны различные конструкции волноводных поляризаторов на прямоугольных и квадратных волноводах с применением волноводов со сложной формой поперечного сечения [13].
Аналогичные конструкции волноводов приведены в статьях [14,15], однако, такие конструкции узкополосны. Рабочая полоса не превышает единиц процентов.
Известны конструкции диафрагменных поляризаторов на квадратном волноводе, рассмотренные в работе [16]. Данный класс устройств применяется в бортовых и наземных станциях космической связи для преобразования линейно поляризованных волн в волны круговой поляризации и обратно. Во многом конструкция поляризатора аналогична конструкции, приведенной в статье [3]. Отличие ее состоит в более оптимальном с точки зрения расширения рабочей полосы, выборе закона, по которому меняется высота гребней замедляющей структуры в диафрагме. Поляризатор обеспечивает дифференциальный фазовый сдвиг с точностью 1.2° в выделенных диапазонах, при КСВ<1,038. В расширенном частотном диапазоне с коэффициентом перекрытия 1,29 погрешность реализации дифференциального фазового сдвига не превышает 1.5° при КСВ<1,045. Однако эти характеристики реализуются с помощью замедляющей структуры, состоящей из 20 элементов.
ср
ср
ср
Более простой по своей конструкции волноводный поляризатор, описанный в патенте [17]. Он содержит отрезок волновода, выполненный в виде усеченной пирамиды, и два клина, с помощью которых образован переход от квадратного сечения к Т-образному. Клинья выполнены с основанием 0,2λ ×0,7λ и высотой, равной высоте отрезка волновода, где λ- длина волны в свободном пространстве. Введены две группы настроечных элементов, причем каждая группа состоит их трех элементов и расположена по осевым линиям широких стенок волноводов, образующих Т-образное сечение. Первый элемент отстоит от торца Т-образного сечения на расстоянии λ/4, а последующие - на расстоянии λ/8 друг от друга, где λ - средняя длина волны в волноводе. Поляризатор обеспечивает коэффициент эллиптичности = 0,98, коэффициент бегущей волны = 0,95, полосу пропускания 18% и упрощение конструкции. Однако конструкция имеет сравнительно большие габариты и требует подстройки параметров.
В антенне, приведенной в Пат. SU 1798839 A1, используется свернутый Т-образный переход от поляризационной секции к двум прямоугольным волноводам и требуемый фазовый сдвиг между волнами, возбуждаемыми в волноводах, достигается только за счет разности хода волн в поляризационной секции. Такая конструкция поляризатора имеет высокую электрическую прочность, но, как, следствие применения плавного Т-образного перехода, большие продольные габариты. Поэтому возникает необходимость разработки конструкции поляризатора, обладающего высокой электрической прочностью при меньших продольных габаритах.
В монографии [18] описывается наиболее близкий аналог поляризатора. Поляризатор построен на базе прямоугольного волновода, во внутренней полости которого расположена перегородка, выполненная так, что при углублении в волновод скачкообразно уменьшается как ее толщина, так и высота. Однако, описанный поляризатор имеет значительные продольные габариты.
Технической задачей заявляемой полезной модели является уменьшение массогабаритных параметров за счет оптимального выбора закона распределения замедляющей структуры в поляризационной секции.
Заявленный технический результат достигается тем, что известный волноводный излучатель с пластинчатой ступенчатой замедляющей структурой, согласно заявляемой полезной модели снабжен выступами, расположенными антисимметрично относительно замедляющей структуры, при этом высота и ширина выступов увеличивается к раскрыву излучателя по экспоненциальной огибающей.
Для решения поставленной задачи в поляризаторе применена замедляющая структура в виде пластины и двух металлических выступов с оптимально подобранным изменением выступов по высоте и ширине. Для определения этого распределения применялся метод параметрической оптимизации по критерию минимума длины поляризационной секции и коэффициента отражения.
Полезная модель поясняется чертежами.
Общий вид волноводного излучателя на квадратном волноводе с пластинчатой замедляющей структурой и выступами показан на фиг.1. На фиг.2 обозначены следующие позиции: 1 – волноводный вход; 2 – замедляющая система; 3 – выступ. На фиг.3 приведен общий вид излучателя - прототипа. На фиг.4. показана ступенчатая замедляющая структура с габаритными размерами. Характеристики излучателя приведены на фиг.5-7. На фиг.5 показана зависимость КСВ от частоты. На фиг.6 показана зависимость коэффициента эллиптичности от пространственного угла. На фиг.7 приведена пространственная диаграмма направленности.
10
01
01
Излучатель работает следующим образом. Сигнал подается на волноводный вход, обозначенный позицией 1 на фиг.2 на поляризационную секцию. Комбинированная замедляющая система, состоящая из ступенчатой пластины и выступов, показанная позициями 2 и 3 на фиг.2, представляет собой квадратный волновод с пластинчатой замедляющей структурой и выступами, размещенными антисимметрично относительно замедляющей структуры. Высота и ширина выступов изменяется по экспоненциальному закону и увеличивается в направлении излучающего раскрыва. В поляризационной секции возбуждаются две волны Н иН. Волна Нзамедляется пластинчатой замедляющей системой. Параметры пластины и размеры выступов, из которых состоит замедляющая система, подбирались таким образом, чтобы получить минимальное отражение от замедляющей структуры и минимальную длину поляризационной секции.
Таким образом, разработана конструкция широкополосного волноводного излучателя, обладающая простотой практической реализации и уменьшенным, по сравнению с антенной прототипом продольным размером на 23 мм.
Источники информации:
1. Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств/ М. С. Жук, Ю. Б. Молочков. - Москва : Энергия, 1973.
2. M. B. A1-Hariri, A. D. Olver, and P. J. B. Clarricoats, “Low-attenuation properties of corrugated rectangular waveguide,” Electron. Lett.,vol. 10, pp. 304–305, 1974. G. H. Bryant, “Propagation in corrugate Field Theory Design of Square Waveguide... (PDF Download Available). Available from: https://www.researchgate.net/publication/3129452_Field_Theory_Design_of_Square_Waveguide_Iris_Polarizers [accessed Apr 03 2018].
3. Simmons A. J. Phase shift by periodic loading of waveguide and its application to broad-band circular polarization / A. J. Simmons // IRE Trans. Microwave Theory Tech. – 1955. − 3, N 6. − P. 18−21.
4. Методические указания к лабораторнымработам 3, 4 по курсам «Электродинамика и распространение радиоволн» и «Электромагнитные поля и волны» / сост. И. П. Соловьянова, М. П. Наймушин, С. Н. Шабунин. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУУПИ, 2006. 37 с.
5. Патент SU 1798839 A1
6. Россия, SU 1793496, 7 МПК Н01P 1/165, 1989 г.
7. Rebollar J. Broad-band corrugated polarisers using different kinds of corrugations / J. Rebollar // IEEE AP-S Int. Symp.: digest. – Vancouver, 1985. – P. 639−642.
8. A novel design tool for waveguide polarizers / G. Virone, R. Tascone, M. Baralis et al. // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. – 2005. − 53, N 3. − P. 888−894.
9. Combined-phase-shift waveguide polarizer / G. Virone, R. Tascone, O. A. Peverini et al. // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. – 2008. − 18, N 8. − P. 509−511.
10. Tucholke U. Field theory design of square waveguide iris polarizers / U. Tucholke, F. Arndt, T. Wriedt // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. – 1986. − 34, N 1. − P. 156−160.
11. Design and optimization of wide and dual band waveguide polarizer / Y. Liu, F. Li, X. Li, H. He // Global Symp. Millimeter Waves: symp. proc. – Nanjing, 2008. − P. 384−386.
12. Rebollar J. M. Dual-band compact square waveguide corrugated polarizer / J. M. Rebollar, J. de Frutos // IEEE AP-S Int. Symp. : symp. digest. − Orlando, 1999. − P. 962−965.
13. Электродинамическая модель и характеристики поляризаторов на отрезках квадратного волновода с диагонально расположенными квадратными выступами / Л.А. Рудь, К.С. Шпаченко // Радиофизика и электроника. — 2012. — Т. 3(17), № 1. — С. 3-10.
14. . Toyama N. A cross-shaped horn and a square waveguide polarizer for a circularly polarized shaped beam antenna for a broadcasting satellite / N. Toyama // IEEE MTT-S Int. Symp.: symp. digest. – Washington, 1980. − P. 299−301.
15. Levy R. The relationship between dual mode cavity crosscoupling and waveguide polarizers / R. Levy // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. – 1995. − 43, N 11. − P. 2614−2620.
16. Мануилов М. Б. Электродинамический анализ конечных волноводных антенных решеток, частотно-селективных и распределительных устройств на гребневых и прямоугольных волноводах. Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. Ростов-на-Дону, 2007 г.
17. Пат. RU № 2 298 862 С2
18. Фролов О.П., Вальд В.В. зеркальные антенны для земных станций спутниковой связи. M.: Горячая линия - Телеком, 2008. — 496 с., стр.401.