Волноводный поляризатор

Изобретение относится к технике СВЧ, в частности к волноводному поляризатору, который содержит отрезок, например, круглого волновода (1) с расположенным в нем продольным плоским широким проводником (2), закрепленным, например, на тонкой диэлектрической пластине (3). На концах проводника (2) в виде зауженных участков выполнены трансформаторы (4). Длина проводника (2) выбрана из условия расположения интерференционного узла согласования поляризатора на первой частоте, расположенной в пределах рабочего диапазона частот, а длина трансформаторов (4) выбрана из условия расположения трансформаторного узла согласования на второй, отличной от первой, частоте, также расположенной в пределах рабочего диапазона частот. При этом отношение высоты трансформатора (4) к высоте проводника (2) должно быть в пределах от 0,42 до 0,72. Коэффициент отражения предлагаемого поляризатора существенно понижается в рабочем диапазоне частот за счет идеального согласования поляризатора на двух различных частотах. Достоинствами поляризатора являются также повышение уровня развязки по поляризации, уменьшение продольного габарита, снижение потерь. 2 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в технике СВЧ, в частности в технике спутникового телевидения.

Известен волноводный поляризатор, состоящий из отрезка волновода и расположенной в нем фазосдвигающей секции в виде диэлектрической пластины [1]. В случае пластины прямоугольной формы согласование обеспечивается за счет выбора длины пластины, равной половине средней длины волны в участке круглого волновода, заполненного пластиной. Точка идеального согласования поляризатора представляет собой интерференционный узел согласования, обусловленный отражением волн от концов пластины и расположенный посередине рабочего диапазона частот.

Недостатками этого устройства являются недостаточно высокое согласование и развязка по поляризации в рабочем диапазоне частот, а также большой продольный габарит и толщина диэлектрической пластины.

Известен также волноводный поляризатор, состоящий из отрезка круглого волновода и расположенной в нем фазосдвигающей секции, состоящей из решетки прямолинейных проводников, выполненных в виде металлических штырей, закрепленных на стенке волновода и установленных в одной плоскости [2]. Штыри могут устанавливаться в два ряда.

Недостатками этого устройства являются недостаточно высокие уровни согласования и развязки по поляризации в рабочем диапазоне частот, а также трудность изготовления.

Известен волноводный поляризатор (прототип), состоящий из отрезка волновода и расположенной в нем фазосдвигающей секции в виде продольного плоского проводника, на концах которого выполнены зауженные участки (трансформаторы сопротивлений), и расположенного на тонкой диэлектрической пластине [3].

Недостатком этого устройства является недостаточно высокое согласование устройства в рабочем диапазоне частот в плоскости проводника. Параметры трансформаторов выбираются из условия согласования поляризатора на средней частоте рабочего диапазона частот. При этом длина трансформатора выбирается равной четверти средней длины волны трансформирующего участка круглого волновода, а волновое сопротивление трансформирующего участка круглого волновода равно среднему геометрическому из волнового сопротивления круглого волновода и волнового сопротивления участка круглого волновода с плоским проводником. При выполнении этих двух условий идеальное согласование поляризатора обеспечивается в трансформаторном узле согласования, расположенном посередине рабочего диапазона частот.

В основу настоящего изобретения положена задача - создать волноводный поляризатор, который обеспечивал бы улучшение согласования в рабочем диапазоне частот. Поставленная задача решается тем, что длина продольного плоского проводника выбрана из условия расположения интерференционного узла согласования поляризатора на первой частоте, расположенной в пределах рабочего диапазона частот, а длина трансформаторов выбрана из условия расположения трансформаторного узла согласования на второй, отличной от первой, частоте, также расположенной в пределах рабочего диапазона частот. Дополнительно для продольного плоского проводника с одноступенчатыми трансформаторами на концах отношение высоты плоского трансформатора к высоте плоского проводника выбрано в пределах от 0,42 до 0,72.

Такое выполнение волноводного поляризатора позволяет обеспечить два узла согласования в пределах рабочего диапазона частот и улучшить согласование поляризатора, что позволяет увеличить уровень развязки по поляризации и снизить потери в устройстве.

Изобретение поясняется чертежами, где

- на Фиг.1 изображен вариант выполнения устройства с фазосдвигающей секцией в виде продольного плоского проводника с одноступенчатыми трансформаторами на концах, расположенного на тонкой диэлектрической пластине;

- на Фиг.2 изображены кривые зависимостей коэффициента отражения поляризатора для различных случаев.

Волноводный поляризатор для формирования волны, например, с круговой поляризацией поля, может быть выполнен на основе круглого волновода. Волноводный поляризатор по Фиг.1 содержит отрезок круглого волновода 1 с расположенной в нем соосно фазосдвигающей секцией, выполненной в виде продольного плоского широкого проводника 2, закрепленного, например, на тонкой диэлектрической пластине 3. На концах проводника 2 выполнены зауженные участки, представляющие собой трансформаторы сопротивлений 4. Плоский проводник 2 расположен симметрично относительно оси 5 круглого волновода 1 и изготовлен, например, методом травления тонкого фольгированного диэлектрического листа. Диэлектрическая пластина 3 закреплена на стенке круглого волновода 1, например, с помощью клея. Возбуждение волновода 1 осуществляется волной линейной поляризации, плоскость поляризации которой ориентирована под углом 45° по отношению к плоскости проводника 2. Поляризатор должен вносить дифференциальный фазовый сдвиг 90 градусов. Длина проводника 2 выбрана из условия расположения интерференционного узла согласования поляризатора на первой частоте, расположенной в пределах рабочего диапазона частот, а длина трансформаторов 4 выбрана из условия расположения трансформаторного узла согласования на второй, отличной от первой, частоте, также расположенной в пределах рабочего диапазона частот. Отношение высоты плоского одноступенчатого трансформатора 4 к высоте плоского проводника 2 выбрано в пределах от 0,42 до 0,72.

Принцип действия устройства основан на замедлении составляющей волны, параллельной плоскости проводника 2. В плоскости, перпендикулярной проводнику 2, согласование поляризатора является идеальным из-за малой толщины диэлектрической пластины 3. Улучшение согласования секции в плоскости проводника 2 основано на том, что в рабочем диапазоне частот идеальное согласование обеспечивается на двух различных частотах, соответствующих интерференционному и трансформаторному узлам согласования. Узлы располагаются в пределах рабочего диапазона частот, имеющего граничные частоты F₁ и F₂, как изображено на Фиг.2. Пусть первой нижней частоте f₁ соответствует интерференционный узел, а второй верхней частоте f₂ соответствует трансформаторный узел. Порядок следования узлов не имеет значения. Кривая 6 представляет зависимость коэффициента отражения предлагаемого поляризатора на основе круглого волновода, например, диаметром 61 мм для длины проводника 2 63,6 мм. Длина трансформатора 4 равна 18,85 мм, высота равна 22,1 мм. Высота проводника 2 равна 37,1 мм. Частота F₁ равна 3,45 ГГц, частота F₂ равна 4,2 ГТц, частота f₁ равна 3,55 ГТц, частота f₂ равна 4,08 ГГц. Кривая 7 представляет зависимость коэффициента отражения для поляризатора по прототипу с одним трансформаторным узлом. Длина проводника 2 в этом случае выбрана больше и составляет 80 мм, поэтому интерференционный узел сместился в область нижних частот и вышел за границы рабочего диапазона. Кривые получены на основе расчета с помощью программы электродинамического моделирования, обеспечивающей совпадение с экспериментальными данными. Коэффициент отражения для предлагаемого устройства снижается в 6 раз. На первой частоте f₁ поляризатор согласован вследствие интерференции концов проводника 2. При этом электрическая длина проводника 2 отличается от 180 градусов, как было бы в случае пластины прямоугольной формы. На частоте f₂ согласование обеспечивается трансформаторами 4. Длина трансформаторов 4 выбирается, как обычно, равной четверти длины волны трансформирующего участка круглого волновода 1, соответствующей второй частоте f₂, а волновое сопротивление трансформирующего участка должно быть равно среднему геометрическому из волнового сопротивления круглого волновода и волнового сопротивления участка круглого волновода с продольным плоским проводником 2. Это достигается выбором высоты плоского проводника 2 и высоты трансформатора 4. В результате работы по экспериментальной отработке предлагаемых поляризаторов для различных диаметров круглого волновода обнаружено, что величина отношения К высоты трансформатора 4 к высоте проводника 2 практически постоянна и лежит в пределах от 0,53 до 0,6. Например, в таблице приведены данные для нескольких поляризаторов С-диапазона и Ku-диапазона.

Таблица
№ п/п	Диаметр круглого волновода, мм	Отношение К, в разах	Материал диэлектрической пластины
1.	19	0,53	Стеклотекстолит толщиной 0,18 мм
2.	17,8	0,57	Стеклотекстолит толщиной 0,18 мм
3.	53	0,56	Стеклотекстолит толщиной 0,5 мм
4.	61	0,6	Стеклотекстолит толщиной 0,5 мм
5.	65	0,54	Стеклотекстолит толщиной 0,5 мм

При изменении оптимального отношения К на 20 процентов характеристика согласования поляризатора ухудшается до уровня устройства по прототипу. На Фиг.2 приведены кривые зависимости коэффициента отражения для коэффициента К, равного 0,48 (кривая 8) и 0,72 (кривая 9). Таким образом, выявленная закономерность отношения К для предлагаемых устройств лежит в пределах от 0,42 до 0,72. При выходе за указанные пределы уровень отражения поляризатора не улучшается по сравнению с прототипом.

Для реализации предлагаемого поляризатора требуются большие величины коэффициента замедления волны, что достигается применением продольного плоского широкого проводника 2. Благодаря этому поляризатор получается коротким. Например, в С-диапазоне длина поляризатора с одноступенчатыми трансформаторами на концах составляет около 60 мм. Поляризатор на основе диэлектрической фторопластовой пластины вдвое длиннее.

Достоинствами предложенного технического решения являются также постоянство вносимого фазового сдвига, повышение уровня развязки по поляризации, уменьшение потерь, малый вес.

Настоящее изобретение целесообразно использовать в различных устройствах СВЧ и, в частности, в приемных установках спутникового телевидения для выбора поляризации принимаемого сигнала.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Сазонов Д.М., Гридин А.Н., Мишустин Б.А. Устройства СВЧ. - М.: «Высшая школа», 1981, с.245. Рис.8.6.

2. Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств, М.: «Энергия», 1973 г., стр.146, рис.3-14(в).

3. Патент СССР №2037921, Н01Р 1/161, 1995.

Волноводный поляризатор, состоящий из отрезка, например, круглого волновода и расположенной в нем фазосдвигающей секции, выполненной в виде продольного, широкого, плоского проводника с зауженными участками на концах, закрепленного в отрезке волновода на диэлектрическом основании, отличающийся тем, что длина плоского проводника выбрана из условия расположения интерференционного узла согласования поляризатора на первой частоте, расположенной в пределах рабочего диапазона частот, а длина зауженных участков проводника выбрана из условия расположения трансформаторного узла согласования на второй, отличной от первой, частоте, также расположенной в пределах рабочего диапазона частот, при этом отношение высоты зауженного участка плоского проводника к его высоте лежит в пределах от 0,42 до 0,72.