УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИЕМА ОРТОГОНАЛЬНЫХ ЛИНЕЙНО ПОЛЯРИЗОВАННЫХ ВОЛН
DEVICE FOR RECEPTION OF ORTHOGONAL LINEARLY POLARIZED WAVES

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано в спутниковой связи и в системах непосредственного телевизионного вещания с поляризационным уплотнением.
Известны устройства [1]-[5], которые могут использоваться для приема ортогональных линейно поляризованных волн произвольной ориентации. Особенностью этих устройств является наличие вращающегося отрезка круглого волновода с установленной в нем фазосдвигающей неоднородностью, которая вносит фазовый сдвиг 180°. Вращая этот отрезок круглого волновода, а вместе с ним и фазосдвигающую неоднородность, добиваются требуемой ориентации ортогональных линейно поляризованных волн.
Одним из недостатков этих устройств является использование в них приводов, которые, кроме необходимого вращения фазосдвигающей неоднородности, осуществляют вращение отрезка круглого волновода, для чего требуется дополнительная мощность приводов. Другим недостатком этих устройств является то, что для обеспечения вращения отрезка круглого волновода на его концах должны быть расположены вращающиеся сочленения, в которых используются довольно узкополосные с точки зрения согласования дроссельные соединения.
Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство для приема ортогональных линейно поляризованных волн [6], содержащее два малошумящих усилителя (МШУ), мостовое устройство в виде двойного волноводного тройника, выходные Е и Н плечи которого соединены со входами МШУ, а также соосно расположенные и соединенные между собой отрезок круглого волновода и ответвитель ортогональных линейно поляризованных волн, выполненный на круглом волноводе и снабженный короткозамыкателем, при этом в отрезке круглого волновода размещена в диаметральной плоскости фазосдвигающая неоднородность, закрепленная на конце диэлектрического стержня, пропущенного через отверстие радиусом r<0,1R в короткозамыкателе с возможностью осевого вращения, где R - радиус круглого волновода, а в стенке ответвителя ортогональных линейно поляризованных волн выполнены два отверстия связи, соединенные через идентичные отрезки прямоугольного волновода с входными плечами мостового устройства, и с центрами расположенными в одной поперечной плоскости, лежащей на расстоянии λв/4 от отражающей поверхности короткозамыкателя, и на расстоянии πR/2 один от другого, где λв - длин волны в круглом волноводе на средней рабочей частоте.
Недостатком этого устройства, а также всех устройств, рассмотренных выше, является довольно высокий уровень шумовой температуры, что ухудшает качество приема.
Техническим результатом является уменьшение шумовой температуры устройства для приема ортогонально линейно поляризованных волн. Технический результат достигается уменьшением длины участка между входом устройства и входами МШУ, что приведет к уменьшению потерь этого участка и, следовательно, к уменьшению шумовой температуры устройства. Уменьшение длины этого участка можно добиться, во-первых, за счет использования фазосдвигающей неоднородности, вносящей фазовый сдвиг 90°, вместо фазосдвигающей неоднородности, вносящей фазовый сдвиг 180°, что позволит практически вдвое уменьшить длину отрезка круглого волновода и длину размещенной в нем фазосдвигающей неоднородности и, во-вторых, за счет переноса МШУ с выхода устройства непосредственно к месту расположения отверстий связи в ответвителе ортогональных линейно поляризованных волн.
На фиг. 1 приведены вид спереди и вид сбоку (продольное сечение) заявляемого устройства, которое содержит:
- малошумящие усилители - 1;
- мостовое устройство - 2;
- отрезок круглого волновода - 3;
- ответвитель ортогональных линейно поляризованных волн - 4;
- короткозамыкатель - 5;
- фазосдвигающая неоднородность - 6;
- диэлектрический стержень - 7;
- два отверстия связи - 8;
- идентичные отрезки прямоугольного волновода - 9, 10;
- входные плечи мостового устройства - 11.
Заявляемое устройство содержит два идентичных МШУ (1) с волноводными входами и выходами, мостовое устройство (2), выполненное в виде разбалансированного квадратурного волноводного моста со связью по широкой или по узкой стенке, а также соосно расположенные и соединенные между собой отрезок круглого волновода (3) и ответвитель ортогональных линейно поляризованных волн (4), выполненный на круглом волноводе и снабженный короткозамыкателем (5), при этом в отрезке круглого волновода размещена в диаметральной плоскости фазосдвигающая неоднородность (6), обеспечивающая фазовый сдвиг 90°, и закрепленная на конце диэлектрического стержня (7), пропущенного через отверстие радиусом r<0,1R в короткозамыкателе с возможностью осевого вращения, где R - радиус круглого волновода, а в стенке ответвителя ортогональных линейно поляризованных волн выполнены два отверстия связи (8), соединенные через МШУ (1), волноводные входы которых размещены на максимально близком расстоянии от отверстий связи (8), и идентичные отрезки прямоугольного волновода (9), (10) с входными плечами мостового устройства (11), при этом центры отверстий связи (8) совпадают с центрами поперечных сечений волноводных входов МШУ (1) и находятся в одной поперечной плоскости, лежащей на расстоянии λв/4 от отражающей поверхности короткозамыкателя, и на расстоянии πR/2 один от другого, где λв - длина волны в круглом волноводе на средней рабочей частоте.
Для простоты работоспособность заявляемого устройства рассмотрим в предположении, что все входы и выходы составных частей (элементов) устройства согласованы, а сами составные части не вносят омических потерь. В этом случае работоспособность устройства проще всего и в компактной форме можно подтвердить, используя аппарат матриц и векторов Джонса [7]-[9].
Заявляемое устройство предназначено для приема ортогональных линейно-поляризованных волн (ЛПВ). Ориентация векторов электрического поля этих волн определяет некоторую прямоугольную систему координат (СК), одна ось которой параллельна вектору электрического поля одной волны, другая ось параллельна вектору электрического поля другой волны. Назовем эту систему координат СК1.
Матрица Jin, составленная из векторов Джонса, в которой первый (левый) столбец представляет собой вектор Джонса, соответствующий 1-ой ЛПВ, а второй (правый) столбец - вектор Джонса, соответствующий 2-ой ЛПВ, имеет диагональный вид в СК1.
Матрица, составленная из векторов Джонса на выходе устройства (Jout), связана с матрицей, составленной из векторов Джонса на входе устройства (Jin), следующим матричным соотношением:
где Т - матрица Джонса (матрица передачи) всего устройства.
Если обе ЛПВ на входе устройства имеют единичную амплитуду и нулевую фазу, то матрица Jin имеет вид:
и в этом случае Jout=Т.
Для того, чтобы заявляемое устройство осуществляло прием ортогональных ЛПВ с высоким уровнем кроссполяризационной развязки (КПР), матрица Jout должна быть близка к диагональной.
11
12
22
12
КПР для первой ЛПР определяется как |201g(T/T)|, для второй - как |201g(T/T)|.
Теоретически КПР=∞, если Jout имеет диагональный вид.
или
Рассмотрим матрицу Джонса заявляемого устройства с целью подтверждения его работоспособности и определения условий, при которых обеспечивается максимальная кроссполяризационная развязка.
Матрица Джонса всего устройства представляет собой последовательное произведение матриц Джонса (матриц передачи) его элементов или его составных частей (участков), состоящих из нескольких последовательных элементов.
Матрицу передачи Т определим с точностью до комплексного множителя, на который умножаются все ее элементы, поскольку этот множитель не влияет на кроссполяризационные характеристики устройства.
В выражении (3) матрицы Т(π/4), T(-π/4) и Т(β) - матрицы перехода от одной СК к другой путем операции поворота системы координат на углы +45°, -45° и β, соответственно.
Эти матрицы имеют вид:
где α=π/4, α=-π/4 и α=β, соответственно.
В выражении (3) с помощью указанных матриц осуществляется переход к следующим четырем прямоугольным системам координат, имеющим общий центр, расположенный на общей оси отрезка круглого волновода 3 и ответвителя ортогональных линейно-поляризованных волн (ООЛПВ) 4:
1. СК1 - определена выше (ориентация ее координатных осей совпадает с ориентацией векторов электрического поля двух ортогональных ЛПВ, поступающих на вход заявляемого устройства),
2. СК2 - система координат, одна из осей которой лежит в плоскости, в которой размещена фазосдвигающая неоднородность 6,
3. СК3 - система координат, одна из осей которой лежит в плоскости симметрии ООЛПВ 4,
4. СК4 - система координат, оси которой проходят через центры отверстий связи 8.
Первая самая правая матрица в (3) Т(π/4) представляет собой матрицу перехода от СК1 к СК2. Вторая справа матрица (Тф) - матрица передачи фазосдвигающей неоднородности 6, вносящей фазовый сдвиг 90°. В СК2 она имеет диагональный вид:
Третья справа матрица Т(-π/4) - в выражении (3) - матрица обратного перехода от СК2 к СК1.
Следующая матрица Т(β) - матрица перехода от СК1 к СК3. Угол β в этой матрице - угол между координатными осями систем координат СК1 и СК3. Поскольку ориентация ортогональных ЛПВ на входе устройства является произвольной, то угол β может быть любым.
Пятая справа матрица То в (3) - матрица передачи ООЛПВ в СК3. Поскольку одна из координатных осей СК3 лежит в плоскости симметрии ООЛПВ, то матрица передачи То в этой системе координат имеет диагональный вид:
с
п
с
п
В этом выражении ψ - фаза коэффициента передачи со входа ООЛПВ на входы МШУ, когда вектор электрического поля падающей волны на входе ООЛПВ лежит в плоскости симметрии ООЛПВ. ψ - фаза коэффициента передачи со входа ООЛПВ на входы МШУ, когда вектор электрического поля падающей волны на входе ООЛПВ лежит в плоскости перпендикулярной плоскости симметрии ООЛПВ. Очевидно, в первом случае имеет место синфазное возбуждении отверстий связи 8, во втором - противофазное. Обозначим через δ разность фаз рассмотренных коэффициентов передачи (δ=ψ-ψ), которая, как будет показано далее, является основным фактором, определяющим кроссполяризационные характеристики заявляемого устройства.
c
п
Следующая матрица Т(π/4) в выражении (3) - матрица перехода от СК3 к СК4. Если матрица То определяет фазы коэффициентов передачи со входа ООЛПВ на входы МШУ при синфазном (ψ) и противофазном (ψ) возбуждении отверстий связи, то матрица Т(π/4) определяет значения модулей коэффициентов передачи со входа ООЛПВ на входы МШУ. Из значений элементов этой матрицы следует, что и при синфазном и при противофазном возбуждении отверстий связи на вход каждого МШУ поступает ровно половина мощности волны, возбуждающей отверстия связи 8 со стороны круглого волновода ООЛПВ.
Произведение матриц Тв⋅Ту в (3) представляет собой матрицу передачи участка устройства, заключенного между отверстиями связи 8 и входными плечами мостового устройства 11. Каждая из матриц Ту (матрица участка устройства, заключенного между отверстиями связи 8 и выходами МШУ 1) и Тв (матрица участка устройства, заключенного между входами отрезков прямоугольного волновода 10 и выходами отрезков прямоугольного волновода 9) имеет диагональный вид, а в силу идентичности отрезков прямоугольного волновода 9, 10 и идентичности МШУ 1, диагональные элементы каждой из этих матриц одинаковые. Таким образом, матрицу передачи Тв⋅Ту можно представить в виде:
где А - комплексный множитель, модуль которого равен коэффициенту усиления МШУ, а фаза равна сумме фаз коэффициентов передачи МШУ и отрезков прямоугольного волновода 9, 10.
Перемножая матрицы передачи в (3) и, используя матричное равенство
с точностью до комплексного множителя находим матрицу передачи участка «вход устройства - входные плечи 11 мостового устройства)»:
с
п
где θ=π/4+(ψ-ψ)/2=θ=π/4+δ/2
Последняя самая левая матрица Тм в выражении (3) - матрица передачи мостового устройства, которая для квадратурного волноводного моста имеет вид:
где знак «+» относится к квадратурному мосту со связью по широкой стенке волновода (случай шлейфного моста, см. Рис. 1), знак «-» относится к квадратурному мосту со связью по узкой стенке волновода (случай щелевого моста).
С учетом (4) и (5) матрицу передачи всего устройства Т можно с точностью до комплексного множителя представить в виде:
Перемножая две матрицы передачи слева в (6) и учитывая, что θ=π/4+δ/2, получим искомую матрицу передачи всего устройства:
в случае использования квадратурного моста со связью по широкой стенке волновода и
в случае использования квадратурного моста со связью по узкой стенке волновода.
Из (7) и (8) следует, что КПР заявляемого устройства при использовании в нем идеального квадратурного волноводного моста с переходным ослаблением 3 дБ равна:
Теоретически добиться X=∞ возможно только при использовании разбалансированного квадратурного волноводного моста, у которого переходное ослабление не равно 3 дБ. Матрица передачи такого моста имеет вид:
где γ≠π/4, знак «+» относится к квадратурному мосту со связью по широкой стенке волновода, знак «-» относится к квадратурному мосту со связью по узкой стенке волновода.
Подставляя γ вместо π/4 в (6) и осуществляя перемножение матриц, получим:
Из (11) следует, что при использовании разбалансированного квадратурного волноводного моста КПР заявляемого устройства равна (теоретически) бесконечности, если: θ-γ=0 в случае моста со связью по широкой стенке и θ+γ=π/2 в случае моста со связью по узкой стенке.
Подставляя θ=π/4+δ/2 в равенства θ-γ=0 и θ+γ=π/2, получим γ=π/4+δ/2 и γ=π/4-δ/2, соответственно.
Из формулы (9) следует, что если γ будет отличаться от полученных значений (π/4±δ/2) не более чем на один градус, то значение кроссполяризационной развязки на выходе заявляемого устройства будет не менее 35 дБ, что достаточно для качественного приема сигналов обеих поляризаций.
Оценим степень «разбалансировки» квадратурного волноводного моста, используемого в заявляемом устройстве. Она определяется величиной δ/2.
Для оценки величины δ/2 рассмотрим случай, когда на вход ООЛПВ 4 поступает ЛПВ (волна Н11 в круглом волноводе), плоскость поляризации которой совпадает с диаметральной плоскостью, проходящей через центр одного из двух отверстий связи 8 (т.е. вектор электрического поля параллелен одной из осей СК4). Для определенности назовем отверстие связи, лежащее в плоскости перпендикулярной плоскости поляризации падающей волны, первым, а отверстие связи, лежащее в плоскости поляризации падающей волны, вторым. Падающая волна Н11 в круглом волноводе с заданной поляризацией возбудит первое отверстие связи и не возбудит второе. Однако, реактивные поля, рассеиваемые первым отверстием связи в круглом волноводе в виде нераспространяющихся высших типов волн Н21, Н41, Н61…, возбудят также второе отверстие связи. В результате основная часть мощности падающей волны Н11 в круглом волноводе поступит через первое отверстие связи на вход одного МШУ, а значительно меньшая часть мощности падающей волны Н11 поступит через второе отверстие связи на вход другого МШУ. В обоих случаях переносчиком мощности от отверстий связи к МШУ будет волна Н10, поскольку входы МШУ выполнены в виде волноводов прямоугольного сечения. Расчеты и эксперименты показывают, что отношение этих мощностей примерно равно 18÷20 дБ. Это означает, что
|201g tg(δ/2)|≈18÷20 (дБ), откуда δ/2≈5°÷8°.
Из изложенного следует, что технический результат настоящего изобретения, уменьшение шумовой температуры, достигается за счет уменьшения числа элементов и уменьшения расстояния между входом всего устройства и входами малошумящих усилителей, что приводит к увеличению шумовой добротности устройства и, следовательно, к увеличению отношения сигнал/шум на его выходе. В результате на выходе заявляемого устройства улучшается качество сигналов, принимаемых на волнах обеих поляризаций. Уровень кроссполяризационной развязки на выходе устройства также влияет на отношение сигнал/шум и, следовательно, на качество сигналов. Поэтому использование разбалансированного квадратурного волноводного моста, обеспечивающего уровень кроссполяризационной развязки на выходе устройства не менее 35 дБ, является необходимым условием реализации настоящего изобретения.
Литература
1. Патент США №3215957, кл. 333-21.
2. Патент США №4090137, кл. 325-60.
3. Патент США №4233576, кл. 333-16.
4. Патент США №4507665, кл. 343-786.
5. Патент США №5583515, кл. 342-361.
6. Антоненко В.М., Берлявский И.З. и др. "Устройство для приема ортогональных линейно поляризованных волн" АС N 1821846 от 12.02.90 Н01Р 1/16. Опубл. 15.06.93. Бюл. N22.
7. Горшков М.М. "Эллипсометрия" - М.: Сов. Радио, 1974 г., стр. 62-76.
8. Корнблит "СВЧ оптика. Оптические принципы в приложении к конструированию СВЧ антенн". - М.: Связь, 1980 г., стр. 245-274.
9. Аззам, Башара "Эллипсометрия и поляризованный свет". - М.: Мир, 1981 г.