Поляризаційний фазообертач

Корисна модель відноситься до галузі техніки надвисоких частот. Пропонований поляризаційний фазообертач призначається для введення каліброваного зрушення фази і точного виміру різниці фаз електромагнітних коливань, у тому числі для точного і плавного введення і виміру малих зрушень фази. Вимірювання малих зрушень фази необхідне при проведенні радіофізичних досліджень проходження і відбиття електромагнітних хвиль від металів, напівпровідників та діелектриків, а також у біологічних дослідженнях. Відомі хвилеводні фазообертачі, у яких регулювання зрушення фази досягається шляхом уведення діелектрика в хвилевід. Якщо діелектрична пластинка вводиться через щілину в центрі широкої стінки хвилеводу чи переміщується від однієї з вузьких стінок до центра хвилеводу, то довжина хвилі в хвилеводі зменшується і виникає фазове зрушення [Bacon G.E., and Duckworth J.C. "Some Applications of the Principle of Variation of Wavelength in Waveguides by the Internal Movemet of Dielectric Sections" ЛЕЕ, 1946, 93, pt IIIA, №4, p.633 або А.Ф. Харвей. Техника сверхвысоких частот. Пер. с англ., Глава III, раздел 3.5. 3 "Фазовращатели", "Сов. радио", М. 1965]. Такі фазообертачі не є безпосередньовідліковими, вони вимагають градуювання на кожній робочій частоті, з їх допомогою важко забезпечити точне введення малих зрушень фази. Фазообертачі такого типу найчастіше використовуються як настановні. Суттєво кращі характеристики мають безпосередньовідлікові поляризаційні фазообертачі. Найближчим аналогом пропонованої корисної моделі є показаний на фіг.1 безпосередньовідліковий хвилеводний поляризаційний фазообертач Фокса [Fox A.G. "Proc. I.R.E., 1947, 35, p.1489]. Він складається з напівхвильової диференційної фазової секції 3 (обертана поляризації), що обертається навколо осі круглого хвилеводу, по обидва боки якої розташовані чвертьхвильові секції 1, 2 (перетворювач лінійної поляризації в кругову 1 і перетворювач кругової поляризації в лінійну 2). Останні звичайно працюють з лінійними поляризаторами 7, 8 (наприклад, переходами від круглого хвилеводу на прямокутний з поглинаючими пластинами). Лінійно-поляризована хвиля (або лінійно-поляризована складова довільно-поляризованої хвилі, яка виділена вхідним лінійним поляризатором 7), що надходить на вхід фазообертача, перетворюється першим перетворювачем поляризації 1 у круго-поляризовану. На виході обертача поляризації 3 хвиля залишається кругополяризованою, але з протилежним напрямком обертання, вона здобуває набіг фази, що залежить від кута повороту цієї секції навколо осі хвилеводу. В др угому (ви хідному) перетворювачі поляризації 2 хвиля знову перетворюється в лінійно-поляризовану. Поворот напівхвильової секції (обертача поляризації 3) на кут α викликає зміну фази φ вихідної хвилі на величину φ=2α , значення якої відраховується по шкалі 6 фазообертача, що зв'язана з поворотним обертачем поляризації 3. Усі зазначені ознаки такого поляризаційного фазообертача є також істотними ознаками поляризаційного фазообертача, що заявляється в даній корисній моделі. Точність введення і виміру зрушення фази за допомогою поляризаційного фазообертача Фокса обмежується можливостями досить плавного введення і виміру малих кутів повороту обертача поляризації. Дійсно, оскільки зрушення фази φ, що уводиться фазообертачем, дорівнює подвійному куту повороту обертача поляризації а, абсолютна похибка його виміру Δφ, яка обумовлена похибкою установки кута Δα, складає Δφ=2 Δα. При такій залежності є технічно складним одержати похибку введення і відліку зрушення фази, що вводиться, істотно меншу, ніж 1°. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалити поляризаційний фазообертач шляхом забезпечення плавності регулювання та відліку зрушення фази з тим, щоб підвищити точність фазообертача. Поставлена задача вирішується тим, що в поляризаційний фазообертач, що містить послідовно встановлені в лінії передачі перший лінійний поляризатор, перший перетворювач поляризації, обертач поляризації, другий перетворювач поляризації, другий лінійний поляризатор і механізм повороту обертача поляризації навколо осі лінії передачі з шкалою відліку зрушення фази, між обертачем поляризації і другим перетворювачем поляризації введені другий обертач поляризації, виконаний аналогічно першому, і ди ференціальний механізм передачі повороту від першого обертача поляризації до другого у тому ж напрямку, перший і другий лінійні поляризатори встановлені ортогонально, а шкала, яка зв'язана з диференціальним механізмом, проградуйована в значеннях подвійної різниці кутів поворотупершого і другого обертачів поляризації. Введенням другого обертача поляризації, ортогональним розположенням лінійних поляризаторів, введенням диференціального механізму передачі повороту від першого обертача поляризації до другого, а також градуюванням шкали в значеннях подвійної різниці кутів повороту обертачів поляризації досягається підвищення точності фазообертача. В другій конкретній формі виконання (п.2. формули корисної моделі) уведенням додаткової ознаки, а саме: установкою початкової різниці кутів повороту одного обертача поляризації щодо другого на кут 90°, для малих (до±10°) зрушень фази підвищення точності фазообертача досягається в широкій смузі частот, що є додатковим технічним результатом. Сутність корисної моделі пояснюється графічним зображенням фіг.2, на якому представлений пропонований поляризаційний фазообертач (хвилеводний варіант). На фіг.3 схематично показаний один з можливих варіантів здійснення диференціального механізму передачі повороту від першого обертача поляризації до другого і пристрою відліку зрушення фази, що вводиться. Фазообертач (фіг.2) містить встановлені в лінії передачі, що дозволяє поширюватися поляризованій по кругу електромагнітній хвилі (наприклад: у круглому хвилеводі, у квазіоптичній лінії передачі і т.п.), перший претворювач поляризації 1 і аналогічний йому другий перетворювач поляризації 2 і розташовані між ними перший поворотний обертач поляризації 3 і аналогічний йому другий поворотний обертач поляризації 4. Перетворювачі поляризації являють собою чвертьхвильові диференційні фазові секції, а обертачі поляризації - поворотні напівхвильові секції. У хвилеводному варіанті це можуть бути тонкі слюдяні пластинки визначеної довжини, встановлені в діаметральній площині хвилеводу, а в квазіоптичному варіанті - будь-яка структура, що володіє подвійним променезаломленням (наприклад: ножові ґрати, пластина з кристалічного кварцу і т.п.). Перший обертач поляризації 3 і другий обертач поляризації 4 зв'язані між собою диференціальним механізмом передачі повороту 5 від першого обертача поляризації 3 до другого 4 у тому ж напрямку. З ним зв'язана також шкала 6, проградуйована в значеннях подвійної різниці кутів повороту першого і другого обертачів поляризації. На вході і виході фазообертача встановлені зорієнтовані ортогонально один до одного перший лінійний поляризатор 7 і другий лінійний поляризатор 8, що у випадку хвилеводного варіанта можуть являти собою, як і в прототипі, переходи з прямокутного хвилеводу на круглий з поглинаючими пластинами, а в квазіоптичному варіанті частоперіодні дротові ґрати. Пропонований поляризаційний фазообертач працює в такий спосіб. На вхід фазообертача надходить лінійнополяризоване коливання, або довільно-поляризоване, з якого поляризатор 7 виділяє линійно-поляризовану складову. Перетворювач поляризації 1 (чвертьхвильова секція, яка встановлена так, що її площина анізотропії утворює кут 45° із площиною поляризації падаючої на нього хвилі,) перетворює цю линійно-поляризовану хвилю в круго-поляризовану, що надходить на вхід обертача поляризації 3 (напівхвильової секції). На виході обертача поляризації 3 утворюється круго-поляризована хвиля, яка поляризована ортогонально падаючій і має додаткове фазове зрушення φ, величина якого дорівнює подвійному куту повороту α1 обертача поляризації 3. Знак додаткового фазового зрушення φ визначається збігом чи протилежністю напрямку повороту обертача поляризації 3 з напрямком кругової поляризації на його вході. Аналогічне перетворення відбувається при проходженні хвилі через другий обертач поляризації 4, що повертається на кут α2. Оскільки поворот обертачів поляризації 3 і 4 відбувається в тому самому напрямку, а поляризація хвилі, що надходить на вхід обертача поляризації 3, ортогональна поляризації хвилі, що надходить на вхід обертача поляризації 4, додаткове фазове зрушення хвилі на виході обертача поляризації 4 дорівнює подвійній різниці кутів повороту першого 3 і другого 4 обертачів поляризації φ=2(α1-α2). Перетворювач поляризації 2, перетворює цю круго-поляризовану хвилю в лінійно-поляризовану, котра, пройшовши лінійний поляризатор 8, який зорієнтований ортогонально відносно поляризатору 7 надходить на вихід фазообертача зі збереженням придбаного фазового зрушення. Таким чином, зрушення фази, що вводиться пропонованим фазообертачем, визначається тільки різницею кутів повороту обертачів поляризації 3 і 4 і не залежить від кута їхнього спільного повороту при будь-якому незмінному куті між ними. Ця нова обставина дозволяє сформулювати набагато м'якші, ніж у прототипа, вимоги до пристрою регулювання і відліку фазового зрушення у фазообертачі, що забезпечує високу точність введення і виміру різниці фаз електромагнітних коливань, у тому числі високу точність введення і виміру малих зрушень фази. Зазначений уведений пристрій - диференціальний механізм передачі 5 - здійснює поворот обертачів поляризації 3 і 4 у тому самому напрямку з заданою досить малою різницею швидкостей повороту. Це значить, що зв'язок між кутами повороту α1 і α2 обертачів поляризації 3 і 4 здійснюється за законом α2=kα1, де k - постійний коефіцієнт, що вибирається близьким до одиниці. При цьому фазове зрушення φ, що вводиться фазообертачем, складає: φ=2(α2-α1)=2(k-1)α1, а його абсолютна похибка Δφ, яка обумовлена неточністю установки кута повороту обертача поляризації Δα1, складає величину Δφ=2(k-1)Δα 1, значно меншу аналогічної похибки найближчого аналога (фазообертача Фокса) 2Δα, тому що k≈1. Отже, введення в схему фазообертача додаткового обертача поляризації при ортогональному розташуванні лінійних поляризаторів, а також диференціального механізму передачі повороту від першого обертача поляризації до другого в тому ж самому напрямку дозволило істотно (в 1/(k-1) разів) зменшити похибку зрушення фази через неточність установки кутів повороту обертачів поляризації і тим самим істотно підвищити точність введення і відліку зрушення фази. На фіг.3 схематично показано один з можливих варіантів здійснення диференціального механізму передачі повороту обертачів поляризації і відліку зрушення фази. Він являє собою три пари механічних передач зубчасти х, фрикційних чи інших - між рівнобіжними валами, ведучі ланки яких 9, 10, 11 жорстко закріплені на валу І привода, а ланки 12, 13, 14, що ведуться, закріплені, відповідно, на першому обертачі поляризації 3, на другому обертачі поляризації 4 і на шкалі 6, які обертаються навколо загальної осі II (осі лінії передачі). Вибором необхідних коефіцієнтів передачі (співвідношення діаметрів, що сполучаються,) забезпечується необхідна різниця швидкостей повороту обертачів поляризації і швидкість повороту шкали. Введення каліброваного фазового зрушення і його прямий відлік забезпечуються в пропонованому фазообертачі при дотриманні умови, що секції перетворювачів поляризації забезпечують диференційні фазові зрушення π/2, а секції обертачів поляризації – π радіан. При відхиленні диференційного фазового зрушення в секціях на величину δi; (індекс і відповідає нумерації секцій на фіг.2), виникає похибка, максимальне абсолютне значення якої в пропонованому фазообертачі, як і у фазообертачі Фокса, при δ1= δ2=δ і δ3=δ4=2δ досягає δ2 [Яновский М.С., Князьков Б.Н. О возможности уменьшения спектральних искажений и расширения диапазона непрерывных волноводных фазовращателей. Радиотехника, 1966, №7. с.69]. Тобто для реалізації похибки, наприклад, менш ±0,05° (~ ±10 -3рад.) досить зробити настроювання чвертьхвильових секцій з точністю не гірше ±1,7°, а напівхвильових - не гірше ~ ±3,5°, що цілком досяжне в умовах заводської лабораторії. Разом з тим слід зазначити, що при положенні обертачів поляризації, коли кут між площинами їхньої анізотропії ( тобто різниця кутів повороту) лежить поблизу 90°, вплив відхилень одного знаку від диференційного фазового зрушення π у першому δ 3 і другому δ4 обертачах поляризації на похибку фазообертача взаємно компенсуються. Ця взаємна компенсація зберігається при роботі в смузі частот, оскільки δ3 і δ4 мають однаковий частотний хід. Ця обставина дозволяє одержати для малих зрушень фази ( до ±10°), що відповідають різниці кутів установки першого і другого обертачів поляризації в межах від 87,5° до 92,5°, вищу точність фазообертача в широкій смузі частот. Таким чином, пропонований фазообертач, завдяки новим додатковим ознакам, а саме: уведенню між першим обертачем поляризації і другим перетворювачем поляризації другого обертача поляризації і диференціального механізму передачі повороту від першого обертача поляризації до другого, зв'язаного зі шкалою, що проградуйована у значеннях подвійної різниці кутів повороту обертачів поляризації, а також взаємному початковому розвороту першого і др угого лінійних поляризаторів на кут 90°, забезпечує досягнення поставленої мети - підвищення точності введення зрушення фази. Крім того, початковий розворот обертачів поляризації на 90° забезпечує для малих зрушень фази підвищення точності у широкій смузі частот.