Исследование и разработка широкополосных поляризационных устройств Васильев, Дмитрий Викторович

Введение к работе

Актуальность проблемы. В настоящее время за рубежом в развитых странах на линиях спутниковой связи для увеличения объема передаваемой информации широко используется системы с двойным поляризационным уплотнением (ДПУ). В системах космической связи, используемых в настоящее время в России и других странах СНГ, как прием, так и передача до сих пор ведутся только на одной поляризации. Напр 'мер, на наиболее распространенных линиях связи наземные станции осуществляют передачу на частоте в ГГц на волне, имеющей круговую поляризацию с левым направлением вращения , а прием на частоте 4 ГГц - на волне с круговой поляризацией правого направления вращения. Использование на отечественных линиях связи систем с ДПУ может вдвое увеличить их пропускную способность, что особенно важно для России, в которой развитие других видов коммуникации встречает серьезные трудности вследствие больших расстояний между населенными пунктами.

Следует отметить, что оборудование наземных космических станций связи с ДПУ отличается от традиционных, главным образом, лишь поляризационным блоком , то есть комплексом поляризационных устройств, которые выполняют следующие задачи : преобразование одного вида поляризации в другой, разделение сигналов, имеющих разную поляризацию, разделение сигналов приемного и передающего диапазонов и ,в случае необходимости, коррекцию поляризации.

Разработке поляризационных устройств , таких, как поляризаторы , малогабаритные блоки поляризации и поляризационные корректоры, и посвящена настоящая работа. Ее актуальность объясняется

V/

- 4 -тем, что до настоящего времени не существовало отечественных поляризационных устройств, удовлетворяющих международным стандартам и способных работать в системах спутниковой связи с ДПУ.

Цель диссертационной работы состоит в решении ряда научных и технических задач, связанных с разработкой новых схем и методик синтеза широкополосных поляризационных устройств, предназначенных для работы в системах спутниковой связи с двойным поляризационным уплотнением.

Задачами, решаемыми в диссертационной работе, являются:

исследование диапазонных свойств волноводов сложных сече-ний, используемых в поляризационных устройствах;

разработка метода анализа волноводов сложных сечений;

разработка методик синтеза широкополосных фазовращателей с малым уровнем дисперсии дифференциального фазового сдвига;

разработка новых схем и методик синтеза широкодиапазонных поляризаторов с улучшенными крсссполяризационными характеристиками, предназначенными для работы в системах спутниковой сеязи с двойным поляризационным уплотнением;

разработка новых схем малогабаритных поляризационных блоков;

исследование возможности использования волноводных корректоров дифференциального фазового сдвига для коррекции поляризационных искажений, возникающих на линии связи или в антенно-фидер-ном тракте в системах связи с двойным поляризационным уплотнением.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, состоит в следующем:

- предложен новый эффективный метод для решения внутренних

- 5 '-задач электродинамики - модифицированный метод нулевого поля;

разработан новый метод синтеза широкополосных дифференциальных волноводных фазовращателей;

разработан метод синтеза многосекционных поляризаторов с зависимостью дифференциального фазового сдвига от частоты, стремящейся к равнопульсирующей и наименее уклоняющейся от заданной величины;

с помощью модифицированного метода нулевого поля получены значения критических длин волн для ряда волноводов сложных сечений , анализ которых другими методами вызывает серьезные трудности.

Методы исследования. Основные результаты диссертации получены на основе применения модифицированного метода нулевого поля и метода поперечных сечений. Использовались также методы моделирования на ЭВМ и экспериментальные исследования.

Достоверность основных результатов и выводов обусловлена адекватностью используемого в диссертационной работе научного и математического аппарата тем задачам, которые в этой диссертации решаются, а также тем, что полученные данные хорошо согласуются с результатами экспериментальных исследований.

Достоверность нового численного метода анализа волноводов сложных сечений проверена на ряде тестовых задач, для которых имеются достоверные решения, полученные либо аналитическими, либо другими численными методами.

Практическая ценность диссертационной работы определяется следующими результатами:

- разработаны методики расчета и проектирования дифференци
альных волноводных фазовращателей, широкодиапазонных поляризато
ров с электрическими параметрами, близкими к оптимальным;

- б -

предложена схема широкодиапазонного поляризатора, превосходящего по своим характеристикам поляризаторы, используемые в отечественных системах спутниковой связи;

предложена новая схема малогабаритного поляризационного

блока;

исследованы вопросы использования двух- и трехсекцисчных волноводных корректоров поляризации в системах связи с двойным поляризационным уплотнением;

разработан ряд конкретных устройств с улучшенными характеристиками для волноводных трактов земных станций спутниковых систем связи ( малогабаритный поляризационный блок, двухдиапазон -ный поляризатор, дифференциальные волноводные фазовращатели).

Реализация результатов. Основные результаты диссертационной работы были использованы и внедрены рядом предприятий, что подтверждает соответствующие документы.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались и получили одобрение на научно-технической конференции ВСНТО РЭС им. А.С. Попова в 1986 г. в городе Фрунзе и на конференции профессорско-преподавательского состава МТУСИ в 1993г.

Публикации по работе. Основные результаты, полученные в работе, опубликованы в восьми научно-технических статьях, в материалах конференций и семинаров, указанных выше (две работы), и в бюллетенях изобретений (дза авторских свидетельства). Всего опубликовано 12 работ.

Объем работы.Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, приложения, списка литературы из 48 наименований. Она содержит 104 страницы основного текста, 56 рисунков на 51 странице и 4 страницы приложений. Общий объем работы - 159 страниц.

Основные положения, выносимые на зашиту

1. Модифицированный метод нулевого поля , предназначенный для решения внутренних задач электродинамики, позволяет рассчитывать критические длины волн волноводов сложных сечений. Данный метод при исследовании волноводов сложных сечений, граничные поверхности которых содержат острые ребра, в отличие от обычного метода нулевого поля, обеспечивает высокую скорость сходимости к точным результатам.

2. Новый метод синтеза дифференциальных волноводных фазовращателей с малой дисперсией дифференциального фазового сдвига позволяет рассчитывать фазовращатели, имеющие зависимость дифференциального фазового сдвига от частоты, близкую к оптимальной.

3. Предлагаются новые схема и метод синтеза волноводного широкодиапазонного поляризатора, которые позволяют рассчитывать и конструировать поляризаторы с улучшенными кроссполяризационными характеристиками по сравнению с ранее используемыми на линиях спутниковой связи в России.

4. Предлагается новая схема малогабаритного блока поляризации, которая позволяет существенно уменьшить габариты антенно-фидерного тракта.

5. Предлагается одна из возможных схем коррекции паразитного дифференциального фазового сдвига, которая может использоваться в системах связи с двойным поляризационным уплотнением.

- 8 -СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, практическая ценность и новизна материалов работы. В краткой форме изложено содержание глав диссертации.

- В первой главе рассматриваются различные способы построения поляризационных блоков систем связи с ДПУ. Даны рекомендации по использованию той или иной схемы построения поляризационных блоков в зависимости от решаемой задачи.

Вторая глава посвящена модифицированному методу нулевого поля и расчету с его помощью критических длин волн основного и нескольких высших типов волн для ряда волноводов, использующихся при создании поляризационных устройств.

В первой части главы приведен вывод основных соотношений, необходимых для расчета критических длин волн волноводных мод как Е-, так и Н-типа.

Рассмотрим кратко суть модифицированного метода нулевого поля. Допустим, что поперечное сечение волновода представляет собой область 'лвого типа D рис.І, т.е. конечную односвязанную область, ограниченную двумя лучами, выходящими из одной точки О, и кусочногладкой кривой L. Таким образом, границей G области D является объединение отрезков ОМ, ОР и кусочногладкой кривой L.

Продольную составляющую электромагнитного поля внутри и вне волновода, обусловленную распределением токов на кривой L, можно вычислить с помощью функции Грина для бесконечной угловой области, т.е. функции Грина, удовлетворяющей соответствующим граничным условиям (условиям Дирихле для волн Е-типа или условиям Неймана для волн Н-типа) на лучах [ОМ) и ГОР).

Используя известное из теории дифракции представление функ-

Ц = *

\S = 0

/

Рисі.

- 10 -ции Грина для бесконечной угловой области, поле вне волновода при R>po можно разложить в ряд по функциям Ганкеля дробного индекса Hym(rR) , где ут = тл/фо . Критические волновые числа х будем искать из условия, что при этих к существует такое ненулевое распределение токов на кривой L, при котором поле не возбуждается нигде вне области D. Очевидно, что для выполнения этого условия необходимо, чтобы все коэффициенты в разложении поля вне волновода были равны нулю. Представив ток, распределенный на контуре L, в виде разложения в ряд по полной линейно независимой системе функций и, ограничившись в данном разложении конечным числом членов N, потребуем, чтобы были равны нулю первые N коэффициентов в разложении поля при R>po. Таким образом, получим однородную систему из N линейных уравнений, которая имеет ненулевое решение только тогда, когда ее определитель равен нулю. Приравняв определитель системы к нулю, получим характеристическое уравнение, решая которое, можно определить приближенно критические волновые числа.

Основной особенностью модифицированного метода нулевого поля является то, что при выводе характеристического уравнения используется функция Грина для бесконечной угловой области, в отличие от обычного метода нулевого поля, в котором используется функция Грина для свободного пространства. Благодаря этому, учитываются условия Мейкстнера (условия на ребре), что объясняет высокую скорость сходимости метода при анализе волноводов, граничные поверхности которых содержат острые ребра.

В разделе 2.4 исследуются вопросы сходимости данного метода на ряде тестовых примеров, для которых известны либо аналитические решения, либо данные, полученные другими численными методами. Во всех случаях наблюдается высокая скорость'сходимости данного метода к точным результатам.

В разделе 2.5 приводятся расчетные данные, полученные с помощью модифицированного метода нулевого поля для ряда волноводов, которые используются или могут использоваться в различных поляризационных устройствах. Полученные данные приводятся в виде таблиц, графиков и аппроксимационных формул, удобных для практического использования.

Третья глава посвящена вопросам синтеза широкополосных вол-новодных дифференциальных фазовращателей. В этой главе рассматриваются и сравниваются две методики синтеза волноводных дифференциальных фазовращателей : с максимально плоской и пульсирующей зависимостями дифференциального фазового сдвига от частоты.

На рис.2 приведена схема трехсекционного дифференциального волноводного фазовращателя. Данный фазовращатель состоит из двух ветвей, каждая из которых характеризуется не только различной длиной отрезков волновода, но и разной фазовой скоростью волн. У такого фазовращателя одна ветвь выполнена из отрезка стандартного волновода, а другая - из двух отрезков волновода, один из которых с меньшим, чем в первой ветви, размером широкой стенки, другой -с большим. В состав второй ветви входят также трансформаторы (на рисунке не показаны) , обеспечивающие согласование этой ветви фазовращателя с внешними устройствами.

При использовании первой методики длины отрезков волновода Li, L2 и Ьэ находят из следующих условий: фазовращатель должен обеспечивать заданную величину дифференциального фазового сдвига на средней частоте рабочего диапазона частот и равенство нулю первой и второй производных этого фазового сдвига по частоте. Учет этих условий приводит к системе линейных уравнений относительно величин 1л, L2 и Ьз, решая которую, и определяют размеры фазовращателя.

'0

При использовании второй методики длины отрезков Ll , L2 И L3 определяются из условия минимума следующей функции: „

S = L (ф.-<«,)'

где Ф₀ - требуемый дифференциальный фазовый сдвиг,ф_г - дифференциальный фазовый сдвиг, вносимый фазовращателем на частоте fi, лежащей в рабочем диапазоне частот, N - число точек, в которых вычисляется исследуемая функция, р = 2, 4, ... .

При р стремящемся к бесконечности результирующая характеристика дифференциального фазового сдвига, рассчитанная по второй методике, будет стремиться к характеристике равнопульсирующеи и наименее уклоняющейся от заданного значения дифференциального фазового сдвига.

Однако для всех р*2 данная методика приводит к системе нелинейных уравнений, что существенно усложняет алгоритм синтеза.

При р=2 методика синтеза фазовращателя с пульсирующей фазочастотиой характеристикой сводится к решению системы линейных уравнений, причем зависимость дифференциального фазового сдвига от частоты близка к оптимальной, дальнейшее увеличение р, как показано в диссертационной работе, приводит к незначительному изменению размеров фазовращателя и дисперсии дифференциального фазового сдвига.

Таким образом, при р=2 методика синтеза фазовращателей с пульсирующей фазочастотиой характеристикой не сложнее методики синтеза дифференциальных фазовращателей с максимально плоской фазочастотиой характеристикой, в то же время она позволяет:

6. Рассчитывать фазовращатели, у которых дисперсия дифференциального фазового сдвига меньше, чем у фазовращателей с максимально плоской фазочастотиой характеристикой (при одинаковых габаритных размерах).

7. Рассчитывать фазовращатели с меньшими габаритными равме-

-Ik-

га я

- 15 -рами по сравнению с фазовращателями с максимально плоской фазо-частотной характеристикой (при одинаковой дисперсии ДФС).

Преимущества второй методики синтеза тем больше, чем шире относительная полоса рабочего диапазона частот.

Четвертая глава посвящена описанию новой схемы и методики синтеза широкодиапазонного поляризатора.

Схема волноводного поляризатора с малой дисперсией дифференциального фазового сдвига показана на рисунке 3. Волноводнный поляризатор содержит отрезок круглого волновода 1, отрезок круглого волновода 2, имеющий больший диаметр, и конический переход 3 для их соединения. В отрезке круглого волновода 1 установлены фазо-сдвигающие элементы, которые выполнены в виде двух металлических пластин 4 (рис.36). В отрезке круглого волновода 2 также имеются фазосдвигающие элементы (рис.Зв), которые выполнены в виде двух диэлектрических брусков 5 и металлических пластин б. Отметим, что е данном поляризаторе вместо диэлектрических брусков можно использовать структуры, имеющие похожие дисперсионные свойства, например, ряд емкостных стержней, гофрированную пластину и т.д.

Схема данного поляризатора отличается от схем поляризаторов, использующихся до настоящего времени в системах спутниковой связи, наличием дополнительного отрезка волновода меньшего сечения 1 (рис.За) с фазосдвигающими неоднородностями, выполненными в виде металлических пластин. Использование в существовавших ранее схемах поляризаторов фазосдвигающих элементов в виде диэлектрических брусков или емкостных штырей, установленных на продольных металлических пластинах, позволяло скомпенсировать дисперсию дифференциального фазового сдвига на одной частоте. Использование дополнительной секции с продольными металлическими пластинами, установленными в ортогональной плоскости, позволяет скомпенсиро-

вать дисперсию дифференциального фазового сдвига еще на одной частоте, что приводит к улучшению кроссполяризационных характеристик устройства.

Методика синтеза таких поляризаторов подобна методике синтеза фазовращателей с пульсирующей фазочастотной характеристикой, рассмотренной в третьей главе, и основывается на данных исследования волноводов сложных сечений, полученных во второй паве диссертационной работы.

В разделе 4.5 данной главы приведен расчет конкретной схемы двухдиапазонного поляризатора, предназначенного для работы в диапазонах частот 3.4 - 3.9 ГГц и 5.7 - 6.2 ГГц, а также результаты экспериментального исследования. Разработанный поляризатор имеет длину 760 [мм] , коэффициент эллиптичности не более 1.05 и КСВ не более 1.2 в рабочих диапазонах частот.

Пятая глава посвящена описанию схемы и методики расчета малогабаритного блока поляризации. Схема данного устройства показана на рис.4.

Как видно из рисунка, это устройство состоит из двух частей. Первая часть 1, являющаяся основной, представляет собой переход от волновода квадратного сечения к волноводу прямоугольного сечения. Этот переход выполнен на основе Т - образного волновода с изменяющимися размерами поперечного сечения. Плечо перехода квадратного сечения обозначено на рисунке цифрой 3, плечо прямоугольного сечения - цифрой 4.

Вторая часть конструкции 2 - волноводный разветвитель. Он обеспечивает удобство присоединения МБП к элементам волноводного тракта., изготовленным из волновода прямоугольного сечения. Ширина прямоугольного волноводного плеча перехода равна удвоенной ширине прямоугольных плеч 5 или 6 разветвителя.

Рис A

zf" A

Рис

- 18 -Рассмотрим принцип действия данного устройства. Пусть на вход 3 поступает волна с круговой поляризацией, такую волну всегда можно представить в виде суперпозиции двух линейных волн, находящихся в пространственной и временной квадратуре ( направление векторов напряженности этих волн показано на рис.4 векторами Ev и Eg). Волна с вектором напряженности электрического поля, ориентированным как вектор Ev, преобразуется на выходе 4 перехода 1 в волну Ню, волна с вектором напряженности электрического поля, ориентированным как вектор Eg, преобразуется на выходе 4 перехода 1 в волну Нго. Если длину перехода подобрать таким образом, чтобы дифференциальный фазовый сдвиг, приобретаемый первой волной относительно второй, был равен я/2, то волны на выходе перехода 1

сложатся в одном из плеч 5 или 6 разветвителя 2 ( в зависимости. от направления вращения пришедшей волны).

Данное устройство позволяет осуществить и обратное преобразование, т.е. позволяет преобразовывать линейно поляризованные электромагнитные поля, возбуждаемые в двух его волноводных плечах прямоугольного сечения, в два электромагнитных поля с круговой поляризацией с разными направлениями вращения в волноводном плече квадратного сечения.

Таким образом, малогабаритный блок поляризации' совмещает в себе функции поляризатора и поляризационного селектора.

Анализ кроссполяризационных характеристик данного устройства проводился с помощью методов поперечных сечений и модифицированного метода нулевого поля.

В разделе 5.3 приводятся данные, необходимые для расчета устройств этого типа с линейно меняющимися размерами перехода 1. В разделе 5.4 приводятся конструктивные размеры и данные экспериментального исследования малогабаритного блока поляризации, пред-

- 19 -назначенного для приема передач СТВ в диапазоне 11.7 - 12.5 ГГц. Разработанное устройство имеет длину 55 [мм], КСБ со всех входов не более 1.25 и кроссполяризационную развязку не менее 29 дБ в рабочем диапазоне частот.

Шестая глава посвящена анализу возможности использования в системах связи с двойным поляризационным уплотнением волноводных двухсекционных (рис.5) и трехсекционных корректоров дифференциальных фазовых сдвигов для компенсации поляризационных искажений, возникающих на трассе прохождения сигнала или в антенно-фидерном тракте.

Волноводные корректоры дифференциальных фазовых сдвигов состоят из последовательно включенных отрезков круглого волновода , которые могут вращаться относительно общей оси и в которых помещены фазосдвигающие элементы, выполненные в виде тонких диэлектрических пластин, ряда емкостных штырей и т.п.

Двухсекционные корректоры состоят из двух одинаковых секций. Трехсекционные корректоры состоят из трех секций, причем средняя вносит дифференциальный фазовый сдвиг вдвое больший, чем каждая из крайних, и, кроме того, плоскости анизотропии крайних секций всегда параллельны друг другу.

Поворачивая секции волноводных корректоров дифференциального фазового сдЕига друг относительно друга, можно получать различную величині" дифференциального фазового сдвига, вносимую волноводным корректором.

Для осуществления коррекции ДФС необходимо выполнение следующих условий: базисные плоскости корректора и деполяризатора должны совпадать; значения ДФС, вносимые деполяризатором и корректором, должны быть равны по величине , но противоположны по знаку.

- 20 -Следует отметить, что матрица передачи корректоров ДФС такого типа имеет недиагональные члены, таким образом, рассматриваемые корректоры не могут даже теоретически обеспечить бесконечной кроссполяризационной развязки.

Исследование, проведенное в данной главе, позволяет сделать вывод, что двухсекционные корректоры поляризации можно применять в системах с двойным поляризационным уплотнением для компенсации паразитных ДФС до 50 градусов в режиме круговой поляризации и до 3 0 градусов - в режиме линейной. Использование трехсекционных корректоров поляризации в системах связи с ДПУ целесообразно для компенсации паразитных ДФС до 90 градусов в режиме круговой поляризации и до 85 градусов - в режиме линейной.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

В приложении приведены акты внедрения результатов диссертационной работы.