Спосіб побудови відгалужувача кругової поляризації на основі смужкового металодіелектричного хвилеводу

Винахід відноситься до мікрохвильової техніки і призначений для поляризаційних вимірювачів КСХН та комплексних параметрів ВВЧ пристроїв. Аналоги відгалужу вачів кругової поляризації (ВКП) на основі смужкового металодіелектричного хвилеводу (СМДХ), що використовується в ВВЧ діапазоні, відсутні. Однак, відомі різні варіанти побудови ВКП на основі металевого хвилеводу прямокутного перетину. Всі вони містять відрізок прямокутного хвилеводу, на широкій стінці якого прорізані отвори зв'язку, та відрізка круглого хвилеводу, встановленого торцем над отворами. Так, наприклад, відомий ВКП Кона (Kohn S.B. Impedance measurement by means of a broadband circular polarization coupler // Proc. IRE. - 1954. — October), що мае три щілини зв'язку: одну поздовжню і дві поперечні; дві ортогональні лінійно поляризовані хвилі, що збуджуються ними в круглому хвилеводі, в сумі дають хвилю кругової поляризації. Така конфігурація щілин не може бути застосована для побудови ВКП на СМДХ, оскільки в цьому хвилеводі поздовжня складова напруженості магнітного поля буде значно менше поперечної складової. Також відомі ВКП, що мають двох- і трьох щілинний зв'язки. У першому варіанті ВКП має дві похилі щілини (Олейников В.Н. Методы построения и применение широкополосных волноводных ответвителей круговой поляризации / В.Н. Олейников // Вопросы радиоэлектроники. Сер. Радиоизмерительная техника. - 1970. — Вып. 8), у другому (Олейников В.Н. Теория и расчет ответвителя круговой поляризации с чебышевским распределением остаточной эллиптичности в диапазоне частот волновода / В.Н. Олейников, В.В. Бойков // Вопросы радиоэлектроники. — Сер. Радиоизмерительная техника. - 1970. - Вып. 8) три; в цьому варіанті додається ще поперечна щілина до двох похилих. Для побудови ВКП на СМДХ такі щілини зв'язку також не придатні з тієї ж самої причини, що і для ВКП Кона. ВКП з круглим отвором або хрестоподібним отвором зв'язку (Альтман Дж. Устройства СВЧ / Дж. Альтман. - Μ., 1968. - С. 192-193), розташованим в площині кругової поляризації напруженості магнітного поля також не можуть бути реалізовані на СМДХ в зв'язку з відсутністю в ньому такій площині. Технічною задачею даного винаходу є створення ВКП на основі СМДХ. Розв'язання поставленої задачі досягається тим, що для вирівнювання амплітуд ортогональних лінійно поляризованих хвиль в круглому хвилеводі, його збудження здійснюється хрестоподібним отвором з поперечною і подовжньою щілинами різного розміру, геометричні параметри яких, а також поперечна координата їх центра, визначається розрахунковим шляхом. Пристрій, що пропонується, є конструктивно простим, малогабаритним і відносно широкосмуговим. Вищенаведене дозволяє зробити висновок про високі споживчі властивості пристрою, що заявляється. Таким чином, характерні ознаки технічного розв'язання, що заявляється, є істотними і це технічне розв'язання відповідає критерію «істотні відмінності». Структура смужкового металодаелектричного хвилеводу і схематичне зображення відгалужувана кругової поляризації подані на фіг.1 і фіг.2, відповідно. При визначенні амплітуд хвиль необхідно враховува ти протяжність щілин. Амплітуда поздовжньої складової магнітного поля Нхм значно менше амплітуди поперечної складової Н хм . Для вирівнювання амплітуд поздовжня щілина хрестоподібного отвору зв'язку С МДХ з відрізком круглого хвилеводу, встановленого торцем на первинний хвилевод, повинна мати більшу довжину в порівнянні з поперечною щілиною. Щілини хрестоподібного отвору зв'язку збуджують в круглому хвилеводі ортогональні лінійно поляризовані хвилі. Вісь круглого хвилеводу збігається з центром хреста. Для випадку, коли довжина щілини значно більше її ширини (L1,2 >> S ), амплітуда збудженої хвилі типу Н11 в круглому хвилеводі може бути визначена таким чином [1 ] iwm a U12 = V , H H , (1) , 2PH m12 x, z r12 де U1, U2 - нормовані амплітуди хвиль, що збуджуються відповідно поперечною і поздовжньою щілинами хреста; РH — одинична нормована потужність; Vm1,2 — магнітна поляризовність щілинних отворів, яка рівна pL3 12 , V1,2 = é æ 4L 1 2 ö ù , ÷ 24ê lnç ç ÷ - 1ú ê è S ø ú ë û Hx і Нz - поперечна і поздовжня складові напруженості магнітного поля СМДХ, що описується виразами [2] e sin2 (Q x ) æ j ö æ j ö Hx = E уm a1 × × cosçk x× - x 0 ÷ × cos(k y × y) × cosç w × t - k z × z + x0 ÷; (2) ç ç ma1 cos(Qz ) 2 ÷ 2 ÷ è ø è ø e a1 æ j ö æ j ö × cos(Qx ) × sinç k x - x0 ÷ × cos(k y × y) × sinç w × t - k z × z + x0 ÷; (3) ç ç ma1 2 ÷ 2 ÷ è ø è ø Hr1,2 — радіальні складові напруженості магнітного поля хвилі Н 11 в круглому хвилеводі, відповідні поперечній щілині з довжиною L1 і поздовжній щілині з довжиною L 2, ширина щілин S; R æ 10848r ö Hr = -i * b H0 z × e - ib z' × J1 ' ç ÷ cos(j) (4) 1. 848 è R ø де β - фазова стала в круглому хвилеводі; z’, r, φ — поздовжня, радіальна і кутова циліндричні координати; R - радіус круглого хвилеводу; J 1’ - похідна функції Бесселя 1-го порядку; Еym, ΗΟz - постійні; εα1= ει ·ε0, μα1=μ 1·μ0 ~ діелектрична і магнітна проникність матеріалу смужка СМДХ; Hz = -E уm 2 p e1m1 2 p e1m1 2 p e1m1 cos(Q x ), k y = cos(Q y ), k z = cos(Qz ), проекції хвильового вектора на осі l l l координат; cos(θx), cos(θy) cos(θz) — спрямовуючі косинуси вектора Пойнтінга плоских однорідних хвиль, kx = результат додавання яких утворює поле в СМДХ; λ - довжина хвилі у вільному просторі; φx0 - фаза коефіцієнта відбиття хвилі на межі двох діелектриків (смужка і підкладки) при повному внутрішньому відбитті é e m ù sin2( Q x - 2 2 ) ú ê e1m1 ú m j x 0 = 2arctgê 1 × êm ú cos(Qx ) ê 2 ú ê ú ë û ε1, μ,, ε2 , μ2 - відносна діелектрична і магнітна проникність матеріалу смужка і підкладки. Основною хвилею в СМДХ є Ε y00, для якої θy=90ο, θz=90°-θy, і зв'язок нормованої довжини хвилі λΗ = λ/α з кутом θx визначається виразом p e1m1 cos(Q x ) é e m ù sin2 (Q x - 2 2 ) ú ê (5) e1m1 ú m 2arctgê 1 × êm ú cos(Q x ) ê 2 ú ê ú ë û де а - розмір широкої стінки смужка. Усереднене магнітне поле по довжині щілини відрізняється від його значення в центрі щілини [3]. Для урахування впливу протяжності щілини на амплітуду хвилі необхідно проштегрувати напруженість магнітного пола вздовж щілини. Визначення амплітуд хвиль здійснюється у відповідності з (1). З урахуванням усереднення напруженості магнітного поля по довжинах щілин маємо L L2 x0 + 1 2 2 1 æ j ö 1 1.848 U1 = U0 × Vm1 × sin(Q x ) × × ò cosç k x × x - x0 ÷dx × × ò J'1( )dr, ç ÷ L1 2 ø L1 R è L1 L2 x0 2 2 wm a e a1 R де U0 = E × H0z × b× cos(j); 2PH ym ma1 1.848 x0 - поперечна координата центра щілини зв'язку. Вирішуючи рівняння (6) і (7), отримаємо вираз для відношення U1/U2 æ k ×L ö æ 1.848 × L1 ö sinç x 1 ÷ J1ç ç ÷ ç ÷ ÷ jx 0 ö 2 ø 2R æ è ø Vm1 sin(Q x ) cosç k x × x 0 ÷× × è ç k x × L1 1.848 × L1 2 ÷ è ø U1 2 2R = (8) U2 æ k x × L2 ö æ 1. 848 × L2 ö sinç ç ÷ ç ÷ ÷ J1ç ÷ æ j ö 2R è 2 ø× è ø Vm1cos(Q x ) sinç k x × x0 - x0 ÷ × ç k x × L2 1.848 × L2 2 ÷ è ø 2 2R При рівності U1/U2-=1 в круглому хвилеводі буде поширюватися хвиля з круговою поляризацією, оскількі складаючі її лінійно поляризовані хвилі с ортогональними в просторі, мають 90 — градусний часової зсув та їх амплітуди однакові. Однак із зміною частоти співвідношення U1/U2 змінюється і поширювана хвиля буде мати еліптичну поляризацію. Для зменшення еліптичності хвилі в заданій смузі частот треба знайти такі геометричні параметри щілин зв'язку (L1, L2, х0, S), при яких відмінність U1/U2 від одиниці буде мінімальна. Підставляючи в рівняння (8) значення поляризовності Vm1 і Vm2, нормуючи всі параметри і перетворюючи його, отримаємо é æ 4 × L2H ö ù æ 1.848 × L1H ö ÷ - 1ú × tg2 (Q x ) × sinæ k xH × L1H ö L1 × êlnç ç ÷ ÷ J1ç H ç ÷ ç ÷ ç ÷ 2 2RH U1 ê è SH ø ú è ø ë û è ø (9) = × U2 é æ 4 × L1H ö ù 1 æ k zH × L 2H ö J æ 1. 848 × L2H ö ÷ ÷ - 1ú × tg(x 0H - ) × sinç L 2H × ê lnç ç ÷ ÷ × 1ç ç ÷ ç ÷ 2RH 2 2 ê è SH ø ú è ø è ø ë û Нормування зроблене відносно розміру а смужка СМДХ, при цьому L1H=L1/a; L2H =L2 /а; RH=x/a; R H=R/a; хОн=х/а ; λH= λ/α; 2p e1 k xH = cos(Q x ), lH lH = l = a 2p e1 cos(Qz ), lH Для отримання однохвшіьового режиму роботи СМДХ повинна виконуватися умова lK = l KH = 2 × e1 - e2 , a де lк - мінімальна довжина хвилі робочого діапазону. Якщо обмежитися 20-ти відсотковою смугою робочих частот, то максимальна нормована довжина хвилі k zH = l длр = l дл = l KH = 2,5 × e1 - e 2 , a Умова однохвильового режиму роботи круглого хвилеводу визначається нерівністю 2,61*R