УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛЯРИЗАЦИОННОГО И ЧАСТОТНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ДВУХДИАПАЗОННЫХ СИГНАЛОВ

Полезная модель относится к области антенной техники и может быть использована в составе облучателей, предназначенных для зеркальных антенн спутниковых систем связи сантиметрового и миллиметрового диапазонов.
Известно устройство для поляризационного и частотного разделения двухдиапазонных сигналов, содержащее первый отрезок квадратного волновода, обеспечивающий прохождение сигналов низкочастотного и высокочастотного диапазона, второй отрезок квадратного волновода, обеспечивающий прохождение только сигналов высокочастотного диапазона, волноводный переход, связанный с первым и вторым отрезками квадратного волновода и имеющий с ними общую продольную ось симметрии, и четыре отрезка прямоугольного волновода, связанные с первым отрезком квадратного волновода и волноводным переходом, продольная ось симметрии каждого из которых перпендикулярна, а большая сторона параллельна упомянутой общей продольной оси симметрии (см. J.Uher et al. Waveguide Components for Antenna Feed Systems: Theory and CAD, Boston, 1993, p.414).
Недостаток известного устройства состоит в том, что оно не обеспечивает уровень частотной развязки двухдиапазонных сигналов в высокочастотном диапазоне, достаточный для современных антенных систем.
Кроме этого, известно устройство для поляризационного и частотного разделения двухдиапазонных сигналов, содержащее первый отрезок квадратного волновода, обеспечивающий прохождение сигналов низкочастотного и высокочастотного диапазона, второй отрезок квадратного волновода, обеспечивающий прохождение только сигналов высокочастотного диапазона, волноводный переход, связанный с первым и вторым отрезками квадратного волновода и имеющий с ними общую продольную ось симметрии, и отрезок прямоугольного волновода, связанный с первым отрезком квадратного волновода и волноводным переходом, продольная ось симметрии которого перпендикулярна, а большая сторона параллельна упомянутой общей продольной оси симметрии (см. Y.Tao et al. Dual-band Ortho-mode Transducer with irregularly shaped diaphragm, Progress In Elecromagnetics Research Letters, Vol.27, 1-8, 2011).
На входе в отрезок прямоугольного волновода расположена металлическая перегородка (диафрагма), в которой образована щель, предназначенная для прохождения сигналов только низкочастотного диапазона, а перед щелью установлена дополнительная диафрагма несимметричной формы.
Недостаток известного устройства состоит в сложности его изготовления, обусловленной необходимостью использования диафрагмы несимметричной формы.
Известное устройство принято в качестве ближайшего аналога к заявленному устройству.
Задачей заявленной полезной модели является создание устройства для поляризационного и частотного разделения двухдиапазонных сигналов, лишенного данных недостатков.
В результате достигается технический результат, состоящий в обеспечении устройством частотной развязки двухдиапазонных сигналов в высокочастотном диапазоне, достаточной для современных антенных систем, при одновременном сохранении поляризационной развязки для сигналов обоих диапазонов на достаточно высоком уровне, а также простоте конструкции устройства в целом.
Конкретно, указанный технический результат достигается посредством создания устройства для поляризационного и частотного разделения двухдиапазонных сигналов, содержащего первый отрезок круглого или квадратного волновода, обеспечивающий прохождение сигналов низкочастотного и высокочастотного диапазона, второй отрезок круглого или квадратного волновода, обеспечивающий прохождение только сигналов высокочастотного диапазона, волноводный переход, связанный с первым и вторым отрезками круглого или квадратного волновода и имеющий с ними общую продольную ось симметрии, и, по меньшей мере, один отрезок прямоугольного волновода, связанный с первым отрезком круглого или квадратного волновода и/или волноводным переходом, продольная ось симметрии которого перпендикулярна, а большая сторона параллельна упомянутой общей продольной оси симметрии, на входе в который расположена металлическая перегородка, в которой образована основная щель, предназначенная для прохождения сигналов только низкочастотного диапазона. В металлической перегородке, симметрично основной щели, с обеих сторон от нее, образованы две дополнительные щели, при этом продольная ось симметрии каждой из щелей параллельна большей стороне отрезка прямоугольного волновода, а длина каждой из дополнительных щелей выбрана из соотношения:
,
α=0,30÷0,42, где
L - длина каждой из дополнительных щелей;
1
f - нижняя граница низкочастотного диапазона;
2
f - верхняя граница низкочастотного диапазона;
3
f - нижняя граница высокочастотного диапазона;
4
f - верхняя граница высокочастотного диапазона;
0
L - длина основной щели.
Согласно одному частному варианту выполнения, устройство содержит первый и второй отрезки круглого волновода, имеющие диаметры, выбранные из соотношений:
и , где
c - скорость света, м/с;
D - диаметр первого отрезка круглого волновода, м;
d - диаметр второго отрезка круглого волновода, м;
1
f - нижняя граница низкочастотного диапазона, Гц;
2
f - верхняя граница низкочастотного диапазона, Гц;
3
f - нижняя граница высокочастотного диапазона, Гц.
Согласно другому частному варианту выполнения, устройство содержит первый и второй отрезки квадратного волновода, имеющие стороны с длинами, выбранными из соотношений:
и , где
c - скорость света, м/с;
B - длина стороны первого отрезка волновода, м;
b - длина стороны второго отрезка волновода, м;
1
f - нижняя граница низкочастотного диапазона, Гц;
2
f - верхняя граница низкочастотного диапазона, Гц;
3
f - нижняя граница высокочастотного диапазона, Гц.
На фиг.1 показано схематичное изображение первого альтернативного варианта заявленного устройства, предназначенного для разделения сигналов двух ортогональных поляризаций в двух частотных диапазонах.
На фиг.2 показано схематичное изображение второго альтернативного варианта заявленного устройства, предназначенного для разделения сигналов вертикальной поляризации в низкочастотном диапазоне и сигналов двух ортогональных поляризаций в высокочастотном диапазоне.
На фиг.3 показано схематичное изображение металлической перегородки, в которой образованы основная щель и две дополнительные щели.
На фиг.4 и фиг.5 показаны графики зависимости уровня частотной развязки двухдиапазонных сигналов от величины , где f - частота из высокочастотного диапазона, для заявленных устройств, показанных на фиг.1 и фиг.2, соответственно.
Заявленное устройство содержит первый отрезок 1a круглого волновода, как показано на фиг.1 (или первый отрезок 1b квадратного волновода, как показано на фиг.2), второй отрезок 2a круглого волновода, как показано на фиг.1 (или второй отрезок 2b квадратного волновода, как показано на фиг.2) и волноводный переход 3a (или 3b), связанный с первым и вторым отрезками 1a и 2a круглого волновода (или первым и вторым отрезками 2a и 2b квадратного волновода) и имеющий с ними общую продольную ось симметрии.
Первый отрезок 1a круглого волновода (или первый отрезок 1b квадратного волновода) выполнен таким образом, что он обеспечивает прохождение сигналов низкочастотного и высокочастотного диапазона.
Второй отрезок 2a круглого волновода (или второй отрезок 2b квадратного волновода) выполнен таким образом, что он обеспечивающий прохождение только сигналов высокочастотного диапазона.
В частности, первый и второй отрезки 1a и 2a круглого волновода могут иметь диаметры, выбранные из соотношений:
и , где
c - скорость света, м/с;
D - диаметр первого отрезка круглого волновода, м;
d - диаметр второго отрезка круглого волновода, м;
1
f - нижняя граница низкочастотного диапазона, Гц;
2
f - верхняя граница низкочастотного диапазона, Гц;
3
f - нижняя граница высокочастотного диапазона, Гц.
Аналогично, первый и второй отрезки 1b и 2b квадратного волновода могут иметь стороны с длинами, выбранными из соотношений:
и , где
с - скорость света, м/с;
В - длина стороны первого отрезка волновода, м;
b - длина стороны второго отрезка волновода, м;
1
f - нижняя граница низкочастотного диапазона, Гц;
2
f - верхняя граница низкочастотного диапазона, Гц;
3
f - нижняя граница высокочастотного диапазона, Гц.
Кроме этого, конструктивные элементы устройства и их связи, в частности, симметрия расположения элементов, величины диаметров отрезков 1a и 2a круглого волновода (или длин сторон отрезков 1b и 2b квадратного волновода) и форма волноводного перехода 3a (или 3b) выбраны таким образом, чтобы исключить образование волн высших типов в устройстве.
В частном варианте выполнения, показанном на фиг.1, устройство содержит четыре отрезка 4a прямоугольного волновода, связанных с первым отрезком 1a круглого волновода и волноводным переходом 3a.
В частном варианте выполнения, показанном на фиг.2, устройство содержит два отрезка 4b прямоугольного волновода, связанных с первым отрезком 1b квадратного волновода и волноводным переходом 3b.
Продольная ось симметрии каждого из отрезков 4a (или 4b) перпендикулярна, а большая сторона параллельна упомянутой общей продольной оси симметрии.
На входе в каждый из отрезков 4a (или 4b) расположена металлическая перегородка 5a (или 5b), в которой образована основная щель 6a (или 6b), а, симметрично основной щели 6a (или 6b), с обеих сторон от нее, образованы две дополнительные щели 7a (или 7b).
Щели 6a (или 6b) и 7a (или 7b) предназначены для прохождения сигналов только низкочастотного диапазона.
Продольная ось симметрии каждой из щелей 6a (или 6b) и 7a (или 7b) параллельна большей стороне каждого отрезка прямоугольного волновода 4a (или 4b).
Длина каждой из дополнительных щелей 7a (или 7b) выбрана из соотношения:
,
где α=0,30÷0,42, где
L - длина каждой из дополнительных щелей;
1
f - нижняя граница низкочастотного диапазона;
2
f - верхняя граница низкочастотного диапазона;
3
f - нижняя граница высокочастотного диапазона;
4
f - верхняя граница высокочастотного диапазона;
0
L - длина основной щели.
Устройство используют следующим образом.
1
2
При поступлении на вход (порт 1) первого отрезка круглого или квадратного волновода 1a (или 1b) сигналов низкочастотного диапазона f÷f, они проходят через первый отрезок 1a (или 1b), отражаются от перехода 3a (или 3b), выполненного, например, ступенчатым, и поступают через щели 6a (или 6b) и 7a (или 7b) на входы отрезков 4a (или 4b) прямоугольных волноводов.
Например, в частном варианте выполнения, показанном на фиг.1, сигналы вертикальной поляризации (обозначено стрелкой «А») поступают на входы отрезков 4a «горизонтальных» прямоугольных волноводов и, пройдя через них, поступают в порты 3 и 5. Сигналы горизонтальной поляризации (обозначено стрелкой «Б») поступают на входы отрезков 4a «вертикальных» прямоугольных волноводов и, пройдя через них, поступают в порты 4 и 6.
Далее сигналы попарно суммируются в тройниках (не показано).
3
4
При поступлении на вход (порт 1) первого отрезка круглого или квадратного волновода 1a (или 1b) сигналов высокочастотного диапазона f÷f они проходят через первый отрезок 1a (или 1b) и переход 3a (или 3b) во второй отрезок 2a (или 2b) круглого или квадратного волновода.
Пройдя отрезок 2a (или 2b), сигналы поступают на его выход (порт 2) и далее разделяются по поляризации с помощью подходящих известных технических средств, не раскрываемых конкретно в рамках настоящей полезной модели, например, с помощью однодиапазонного поляризационного селектора (не показано).
В заявленном устройстве уровень поляризационной развязки обеспечивается в зависимости от требуемых условий эксплуатации 28-30 и более Дб.
Под уровнем частотной развязки, например, для сигналов вертикальной поляризации, следует понимать отношение мощности сигналов высокочастотного диапазона, поступивших на выход второго отрезка круглого или квадратного волновода (2a или 2b), к мощности сигналов высокочастотного диапазона соответствующей поляризации, поступивших на выходы отрезков 4a (или 4b), выраженное в Дб.
Уровень частотной развязки может быть определен через элементы матрицы рассеяния (см. Сазонов Д.М. и др. Устройства СВЧ, Москва, «Высшая школа», 1981).
a
a
Экспериментально (в том числе, с помощью численных экспериментов), подтверждено, что при выборе >0,3, а также при выборе <0,42 обеспечивается уровень частотной развязки двухдиапазонных сигналов более 28-30 дБ во всем высокочастотном рабочем диапазоне частот, достаточный для современных антенных систем (см. фиг.4 и 5).