Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
РАЗДЕЛИТЕЛЬ КРУГОВОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ
РАЗДЕЛИТЕЛЬ КРУГОВОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ

РАЗДЕЛИТЕЛЬ КРУГОВОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Разделитель круговой поляризации содержит круглый волновод 1 с короткозамыкателем 2 и продольными щелями возбуждения 3 и 4, выполненными продольными, прямоугольной формы и прорезанными в боковых стенках волновода 1 во взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через ось круглого волновода и продольные оси щелей, два отрезка прямоугольных волноводов 5 и 6, соединенных с боковыми стенками волновода 1 перпендикулярно эти стенкам в местах расположения щелей возбуждения, щели совмещены по сечению с внутренним сечением отрезков прямоугольных волноводов. Размеры длин волноводов, щелей возбуждения и расстояние от короткозамыкателя до середины щелей возбуждения выбраны по приведенным соотношениям с учетом длин волн в волноводах. Технический результат заключается в разделении волн круговой поляризации круглого волновода на две волны линейной поляризации, распространяющиеся каждая по своему волноводу. 3 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2139612
Класс(ы) патента: H01P1/16
Номер заявки: 98106419/09
Дата подачи заявки: 07.04.1998
Дата публикации: 10.10.1999
Заявитель(и): Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно- исследовательский институт экспериментальной физики; Министерство Российской Федерации по атомной энергии
Автор(ы): Помазков А.П.; Ионова С.П.; Коротких Б.П.
Патентообладатель(и): Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно- исследовательский институт экспериментальной физики; Министерство Российской Федерации по атомной энергии
Описание изобретения: Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники, а точнее к волноводным трактам СВЧ. Может быть использовано в трактах СВЧ для разделения волны круговой поляризации круглого волновода на две волны линейной поляризации.
Известен поляризационный разделитель /1/, содержащий отрезок основного волновода квадратного сечения, с одного конца нагруженный на согласованную нагрузку или закороченный короткозамыкателем, два отрезка вторичных волноводов прямоугольного сечения, подсоединенных к взаимно перпендикулярным стенкам основного волновода, и отрезок дополнительного волновода прямоугольного сечения, установленный перпендикулярно одной из стенок основного волновода, при этом вторичные и дополнительный волноводы связаны с основным волноводом щелями возбуждения в стенках основного волновода, а расстояние между щелями возбуждения вторичных и дополнительного волноводов выбрано равным длине волны λв в основном волноводе.
Поляризационный разделитель работает следующим образом. Волна круговой поляризации распространяется по основному волноводу. Во вторичных волноводах через щели возбуждения возбуждаются волны ортогональных линейных поляризаций, амплитуды которых измеряются в анализаторе поляризаций. Часть мощности основного волновода проходит к дополнительному волноводу и через щель возбуждения возбуждает его волной линейной поляризации, величину которой также измеряют в анализаторе поляризаций.
Аналог позволяет определить только относительное содержание ортогональных линейных поляризаций в волне круговой поляризации основного волновода квадратного сечения.
Известен разделитель поляризации /2/, содержащий отрезок круглого волновода (ОКВ), закороченный или незакороченный с одного конца, и два установленных на нем соосно крестообразных соединения (КС) в H-плоскости на расстоянии λв/2 друг от друга, где λв - длина волны в ОКВ, из четырех отрезков прямоугольных волноводов (ОПВ) каждое, причем второе КС установлено под углом 45o по отношению к первому, на широкой стенке первого КС размещен трехступенчатый согласующий шлейф, два противоположных ОПВ каждого КС закорочены короткозамыкателями, а длины закороченных ОПВ установлены равными 0,75 λв1 и λв1, где λв1 - длина волны в ОПВ.
Разделитель поляризаций работает следующим образом. Волна круговой поляризации через ОКВ поступает на второе КС. Составляющие этой волны, поляризованные линейно под углами 45o и 135o к продольной оси второго КС, возбуждает противоположные незакороченные ОПВ этого КС волнами линейной поляризации, которые поступают в анализатор поляризаций. Составляющие же волны ОКВ, поляризованные линейно под углами 90o и 180o к продольной оси первого КС, возбуждают противоположные незакороченные ОПВ этого КС также волнами линейной поляризации, которые поступают на тот же анализатор поляризаций.
Второй аналог позволяет также определить только относительное содержание ортогональных линейных составляющих в волне круговой поляризации круглого волновода. Однако второй аналог по технической сущности ближе к предлагаемому изобретению и выбран авторами в качестве прототипа.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является задача разделения волны круговой поляризации круглого волновода на две волны линейной поляризации, распространяющиеся каждая по своему волноводу.
Техническим результатом заявляемого решения является устройство, разделяющее волну H11 круговой поляризации круглого волновода на две волны H10 линейной поляризации, распространяющиеся по отрезкам прямоугольных волноводов.
Этот технический результат достигается тем, что в разделителе круговой поляризации, содержащем круглый волновод длиной lB, закороченный с одного конца короткозамыкателем и имеющий в боковых стенках щели возбуждения, и два отрезка прямоугольных волноводов длиной l1 и l2, соединенных с боковыми стенками круглого волновода перпендикулярно этим стенкам в местах расположения щелей возбуждения, новым является то, что щели возбуждения выполнены продольными прямоугольной формы, расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через ось круглого волновода и продольные оси щелей, на расстоянии lк от короткозамыкателя и совмещены по сечению с внутренним сечением отрезков прямоугольных волноводов, так что длина ащ и ширина bщ продольных щелей возбуждения равны соответственно длинам широкой и узкой боковых стенок отрезков прямоугольных волноводов, при этом длина lв круглого волновода, размеры щелей возбуждения и боковых стенок отрезков прямоугольных волноводов, aщ и bщ, расстояние lк от короткозамыкателя до середины продольных щелей возбуждения и длины l1 и l2 отрезков прямоугольных волноводов выбраны из следующих соотношений:
lв≥ 2λв, (1)
aщ≈ (0,61÷0,63)λo; bщ= 0,5aщ (2)
lк= λв/2 (3)
l1≥ λв1; l2≥ λв1, (4)
где λв - длина волны в круглом волноводе, λo - длина волны в свободном пространстве, λв1 - длина волны в отрезках прямоугольных волноводов.
Совокупность существенных признаков предлагаемого технического решения позволяет волну H11 круговой поляризации, распространяющуюся по круглому волноводу, разделить на две волны H10 линейной поляризации, распространяющиеся по отрезкам прямоугольных волноводов.
На фиг. 1 приведен эскиз предлагаемого разделителя круговой поляризации, на фиг. 2 - поперечные распределения полей ортогональных волн H11 линейной поляризации в круглом волноводе, на фиг. 3 - распределения токов проводимости и I на внутренних поверхностях боковых стенок круглого волновода, наводимых ортогональными волнами H11 линейной поляризации.
Разделитель круговой поляризации фиг. 1 содержит круглый волновод (КВ) 1 с короткозамыкателем 2 и продольными щелями возбуждения 3 и 4, прорезанными в боковых стенках КВ1 во взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через ось КВ и продольные оси щелей, и два отрезка прямоугольных волноводов (ОПВ) 5 и 6, соединенных с боковыми стенками КВ1 перпендикулярно этим стенкам в местах расположения щелей 3 и 4, при этом сечения щелей возбуждения (ЩВ) 3 и 4 совмещены с внутренними сечениями ОПВ 5 и 6.
Разделитель круговой поляризации работает следующим образом. Волна H11 круговой поляризации со входа КВ1 "Hкр, Вх." как падающая распространяется вдоль этого волновода по стрелке "Нкр, Вх" в сторону короткозамыкателя 2 и отражается от последнего с коэффициентом отражения образуя отраженную волну, распространяющуюся по КВ1 в обратном направлении (против стрелки "Нкр, Вх"). Падающая и отраженная волны, интерферируя, образуют вдоль КВ1 слева от короткозамыкателя 2 стоячие волны полей в волноводе и поверхностных токов проводимости и I на внутренней поверхности боковых стенок волновода с пучностями магнитного поля и токов проводимости в сечениях КВ, отстоящих от короткозамыкателя 2 на расстояниях lк= mλв/2, где λв - длина волны H11 в КВ, m = 0, 1, 2... . При m ≥ 1 расстояние lк равно: λв/2, 2λв/2, 3λв/2 и т.д.
Продольные ЩВ 3 и 4 в боковых стенках КВ1 и являющиеся их продолжением ОПВ 5 и 6 расположены так, что середины продольного размера щелей и широких стенок ОПВ ащ совмещены с пучностями магнитных полей ортогональных волн H11 линейной поляризации, образующих волну H11 круговой поляризации, и токов проводимости и I на внутренней поверхности боковых стенок КВ, наводимых этими ортогональными волнами. Поверхностные токи проводимости, перпендикулярные широким размерам ЩВ и боковых стенок ОПВ ащ, возбуждают продольные ЩВ 3 и 4, а через них и ОПВ 5 и 6 волнами H10 линейной поляризации с ориентацией вектора параллельно узким стенкам этих волноводов. Так как ЩВ находятся в пучностях поверхностных токов проводимости, то практически вся энергия этих токов и ортогональных волн H11 линейной поляризации КВ1 переходит в энергию волн H10 линейной поляризации в ОПВ. Волна H11 круговой поляризации КВ1 полностью преобразуется в две волны H10 линейной поляризации, распространяющиеся вдоль ОПВ 5 и 6 от ЩВ 3 и 4 к выходу волноводов "H10, Вых".
В целях подтверждения осуществимости заявляемого разделителя круговой поляризации изготовлен макет разделителя со следующими размерами и параметрами:
- рабочая частота fo = 6 ГГц;
- длина волны в свободном пространстве λo = 5 см;
- радиус круглого волновода d = 0,38 λo = 1,9 см;
- критическая длина волны в кВ λкрн11 = 3,413а = 6,5 см;
- длина волны в кВ λвн11 = 7,8 см;
- длина щелей и широких стенок ОПВ ащ = 3,1 см = 0,62 λo;
- ширина щелей и узких стенок ОПВ bщ = 1,6 см;
- критическая длина волны в ОПВ λкрн10 = 6,2 см;
- длина волны в ОПВ λвн10 = 8,4 см;
- длина lв кВ lв = 18 см;
- длина l1 и l2 ОПВ l1 = l2 = 10 см;
- расстояние lк от короткозамыкателя до середины ЩВlк = 4 см.
Разделитель круговой поляризации изготовлен из латуни Л69.
Покажем, что разделитель круговой поляризации технически реализуется и позволяет разделить волну H11 круговой поляризации КВ на две волны H10 линейной поляризации в ОПВ.
Согласно /3/ для возбуждения в любом волноводе волны эллиптической поляризации волной линейной поляризации необходимо последнюю разложить на две пространственные составляющие, внести некоторый сдвиг фазы в одну из пространственных составляющих и затем просуммировать векторно обе пространственные составляющие. Для возбуждения волны круговой поляризации в любом волноводе необходимо разделенные пространственные составляющие сделать ортогональными и с равными амплитудами, а сдвиг фазы одной из составляющих сделать равным π/2 (4, стр. 166, 190).
Справедливо и обратное утверждение о том, что поляризованное по кругу поле волны H11 КВ представляет собой векторную сумму двух независимых пространственно ортогональных волн H11 линейной поляризации с равными амплитудами, сдвинутых по фазе на π/2 /4, стр. 191/. Следовательно, в любой момент времени в любом сечении КВ поле волны H11 круговой поляризации представляет собой сумму полей двух независимых пространственно ортогональных волн H11 линейной поляризации с равными амплитудами.
Зафиксируем в произвольный момент времени пространственно ортогональные поля волн H11 линейной поляризации, положив в одной из них вектор параллельно оси OY фиг. 2.а, назовем эту волну параллельной. Тогда вторая пространственно ортогональная волна H11 линейной поляризации будет иметь ориентацию векторов перпендикулярно оси OY фиг. 2.б, назовем ее перпендикулярной. ЩВ7 фиг. 2. а, соответствующая щели 3 на фиг. 1, расположена на боковой стенке КВ в плоскости, параллельной электрическому вектору и плоскости YOZ, а ЩВ8 фиг. 2, б, соответствующая щели 4 фиг. 1 - в плоскости, параллельной вектору и плоскости XOZ, так что ЩВ 3 и 4 фиг. 1 или ЩВ 7 и 8 фиг. 2 расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через ось КВ и продольных оси ЩВ.
Токи проводимости, наводимые на боковых стенках КВ магнитным полем параллельной волны , обозначим и , а наводимые магнитным полем перпендикулярной волны - через Ix⊥ и Iy⊥ .
Отметим следующие особенности полей в КВ и токов проводимости на боковых стенках КВ1, закороченного на конце. Во-первых, поля и токи образуют вдоль волновода слева от короткозамыкателя 2 стоячую волну с пучностями магнитного поля и токов проводимости Ix и Iy в сечениях, отстоящих от короткозамыкателя на расстояниях lк= mλв/2, где λв - длина волны в КВ, m = 0, 1, 2.... /5, стр. 24, рис. 12/. Во-вторых, распределения токов проводимости Ix и Iy вдоль боковых стенок волновода будут разными для параллельной и перпендикулярной волн /6, стр. 648, рис. XVI. 13/. Распределения этих токов во взаимно перпендикулярных плоскостях, параллельным плоскостями YOZ и XOZ, в местах расположения ЩВ приведены на фиг. 3: на фиг. 3.а - для параллельной волны на фиг. 3. б - для перпендикулярной волны Согласно /6, стр. 648, рис. XVI. 13/ щель 9, соответствующая щелям 7 на фиг. 2.а и 3 на фиг. 1, возбуждается током проводимости параллельной волны а щель 10, соответствующая щелям 8 фиг. 2, б и 4 фиг. 1, - током Ix⊥ перпендикулярной волны Через ЩВ 3 и 4 возбуждаются ОПВ 5 и 6 соответственно, примыкающие к щелям 3 и 4, волнами H10 линейной поляризации с ориентацией векторов в каждом из ОПВ 5 и 6 параллельно узким стенкам и соответственно токам и Ix⊥ .
Таким образом, волна H11 круговой поляризации КВ1 разделяется на две волны H10 линейной поляризации в ОПВ 5 и 6 (фиг. 1). С выходов ОПВ 5 и 6 "H10, Вых" волны H10 линейной поляризации могут быть направлены к любому потребителю, в частности в анализатор поляризационных составляющих.
Очевидно, что эффективность возбуждения волн H10 линейной поляризации в ОПВ, а следовательно, и преобразования волны H11 круговой поляризации в волны H10 линейной поляризации, будет максимальной в том случае, когда середины продольных размеров ЩВ совмещены с пучностями токов возбуждения - поверхностных токов проводимости и Ix⊥ , потому что в пучностях амплитуды этих токов максимальны. Эти пучности располагаются на расстояниях от короткозамыкателя lк= mλв/2; это есть формула (3) описания при m = 1.
В теории волноводов доказывается, что высшие типы волн в волноводах практически затухают на длине волновода lв≥ λв /7, стр. 132/ от неоднородности. Считая неоднородностями в ОПВ щели возбуждения на их входах, находим, что длины l1 и l2 ОПВ должны быть l1≥ λв1 и l2≥ λв1 , где λв1 - длина волны в ОПВ. А это и есть формула (4) описания.
Считая неоднородностью КВ щели возбуждения в боковых стенках, находим длину КВ между ЩВ и входом его, равную длине волны λв в КВ. Так как ЩВ находятся на расстоянии lк= λв/2 от короткозамыкателя, от общая длина lв КВ должна быть lв> λвв/2 или lв≥ 2λв, а это и есть формула (1) описания.
При конструировании ОПВ должны выполняться условия одноволновости и условие согласования ОПВ с щелями возбуждения. Условие одноволновости волны H10 выглядит /6, стр. 472/ как 0,51λo≅ dщ≅ 0,75λo, bщ = 0,5 aщ, где aщ - размер широкой стенки ОПВ, λo - длина волны в свободном пространстве, bщ - размер узкой стенки ОПВ.
Для согласования ОПВ с ЩВ в боковых стенках КВ необходимо добиться равенства внешней проводимости щелей Gщ и волновой проводимости Gо ОПВ /8, стр. 108/, где Gо = 1/Zон, Zон - волновое сопротивление прямоугольного волновода с волной типа H. Согласно /8, ст. 110, табл. 1.1 или 9, стр. 202/ равенство Gщ ≈ Gо достигается при dщ ≈ (0,61 - 0,63) λo, bщ ≈ 0,5 ащ, где ащ - продольный размер щели и размер широкой стенки прямоугольного волновода, bщ- поперечный размер щели и размер узкой стенки прямоугольного волновода. Эти размеры ащ и bщ одновременно удовлетворяют и условиям одноволновости волны H10 и условиям согласования ОПВ со ЩВ в боковых стенках КВ. Но это и есть формула (2) описания.
Проведенный анализ показывает, что предлагаемый разделитель круговой поляризации отвечает критериям "новизна" и "изобретательский уровень", является техническим решением, технически реализуется и может быть использован в трактах СВЧ для разделения волны круговой поляризации на две волны линейной поляризации.
Источники информации
1. К. Л. Афанасьев, В. И. Саплин. Поляризационный разделитель. А.С. N 514386 от 10.04.74. H 01 P 1/16. Оп. 15.05.76. Бюл. N 18.
2. О. В. Епифанов, А.В. Хохлов. Разделитель поляризаций. А.с. N 1370685 от 02.12.85. H 01 P 1/16. Оп. 30.01.88. Бюл. N 4.
3. О. В. Епифанов, А.В. Хохлов. Способ преобразования волны с линейной поляризацией в волну эллиптической поляризации. А.с. N 1660079 от 12.07.88. H 01 P 1/65 Оп. 30.06.91. Бюл. N 24.
4. Я.Д. Ширман. Радиоволноводы и объемные резонаторы, М, Связь и радио, 1959.
5. Измерения на сверхвысоких частотах. Пер. с англ. под ред. В.Б. Штейншлейгера, М, Сов. Радио, 1952.
6. А.Л. Драбкин, В.Л. Зузенко. АФУ, М, Сов. Радио, 1961.
7. И. В. Лебедев. Техника и приборы СВЧ. Ч. 1. Техника СВЧ, М. Высшая школа, 1970.
8. Антенны и устройства СВЧ (проектирование фазированных антенных решеток). Под ред. проф. Д.И. Воскресенского, М., Радио и Связь, 1981.
9. М.С. Жук, Ю.Б. Молочков. Проектирование АФУ, М. - Л. Энергия, 1966.
Формула изобретения: Разделитель круговой поляризации, содержащий круглый волновод длиной lв, закороченный с одного конца короткозамыкателем и имеющий в боковых стенках щели возбуждения, и два отрезка прямоугольных волноводов длиной l1 и l2, соединенных с боковыми стенками круглого волновода перпендикулярно этим стенкам в местах расположения щелей возбуждения, отличающийся тем, что щели возбуждения выполнены продольными прямоугольной формы и расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через ось круглого волновода и продольные оси щелей, на расстоянии lк от короткозамыкателя и совмещены по сечению с внутренним сечением отрезков прямоугольных волноводов, так что длина aщ и ширина bщ продольных щелей возбуждения равны соответственно длинам широкой и узкой боковых стенок отрезков прямоугольных волноводов, при этом длина lb круглого волновода, размеры щелей возбуждения и боковых стенок отрезков прямоугольных волноводов aщ и bщ, расстояние lк от короткозамыкателя до середины продольных щелей возбуждения и длины l1 и l2 отрезков прямоугольных волноводов выбраны из следующих соотношений:
lb≥ 2λb,
aщ= (0,61-0,63)λ0;
bщ≈0,5 aщ,
lк= λb/2,
l1≥ λb1,l2≥ λb1,
где λb - длина волны в круглом волноводе;
λ0 - длина волны в свободном пространстве;
λb1 - длина волны в отрезках прямоугольных волноводов.