Компактные вращатели плоскости поляризации на основе диафрагм с прямоугольными щелями

В работе исследованы предельные характеристики перспективных компактных вращателей плоскости поляризации электромагнитных волн, выполненных на основе структур, обладающих диэдральной симметрией. Диэдрально симметричные структуры образованы резонансными диафрагмами с прямоугольными щелями. Многопарам...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Радіофізика та електроніка
Дата:	2015
Автори:	Кулик, Д.Ю., Мосьпан, Л.П., Перов, А.О., Колмакова, Н.Г.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України 2015
Теми:	Прикладная радиофизика
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/106245
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Компактные вращатели плоскости поляризации на основе диафрагм с прямоугольными щелями / Д.Ю. Кулик, Л.П. Мосьпан, А.О. Перов, Н.Г. Колмакова // Радіофізика та електроніка. — 2015. — Т. 6(20), № 3. — С. 96-101. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-106245
record_format	dspace
spelling	Кулик, Д.Ю. Мосьпан, Л.П. Перов, А.О. Колмакова, Н.Г. 2016-09-21T15:59:00Z 2016-09-21T15:59:00Z 2015 Компактные вращатели плоскости поляризации на основе диафрагм с прямоугольными щелями / Д.Ю. Кулик, Л.П. Мосьпан, А.О. Перов, Н.Г. Колмакова // Радіофізика та електроніка. — 2015. — Т. 6(20), № 3. — С. 96-101. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 1028-821X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/106245 537.874.2:621.372.851.3 В работе исследованы предельные характеристики перспективных компактных вращателей плоскости поляризации электромагнитных волн, выполненных на основе структур, обладающих диэдральной симметрией. Диэдрально симметричные структуры образованы резонансными диафрагмами с прямоугольными щелями. Многопараметрическая оптимизация использована для достижения предельных характеристик устройств в различных частотных диапазонах. Определена область их применимости. Предложены конструкции, позволяющие вращать плоскость поляризации на углы 90 и 45, при приемлемых значениях коэффициентов отражения в заданной полосе частот. Эти конструкции расширяют элементную базу приемопередающей аппаратуры, предназначенную для обеспечения заданного фазового разделения радиосигналов, их фазовой коррекции или поляризационной компенсации. У роботі досліджено граничні характеристики перспективних компактних обертачів площини поляризації електромагнітних хвиль, що є виконаними на базі структур із діедральною симетрією. Діедрально симетричні структури сформовані резонансними діафрагмами із прямокутними щілинами. Багатопараметричну оптимізацію застосовано, щоб отримати граничні характеристики пристроїв у різноманітних частотних діапазонах. Визначено галузь їх застосування. Запропоновано конструкції, які забезпечують обертання площини поляризації на 45 та 90 за прийнятних значень коефіцієнтів відбиття в заданій смузі частот. Ці конструкції поширюють елементну базу приймально-передавальної апаратури, яку призначено для забезпечення заданого фазового розподілу радіосигналів, їх фазової корекції або поляризаційної компенсації. The ultimate performances of perspective compact polarization rotators are examined in the paper. The rotators are formed by the dihedral symmetry structures. The dihedral structures are based on the multi-aperture diaphragms with the rectangular slots. Muti-parameter optimization is used to achieve the ultimate performances in different frequency ranges. The limits for the rotators’ application area are established. The designs, providing polarization plane rotation for arbitrary rotation angle at the acceptable values of the reflection coefficient over the frequency band are proposed. The designs make the elemental base of the receiving and the transmitting equipment broader and they are intended to provide given phase separations of the radio signals, to perform required phase correction or polarization compensation. ru Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України Радіофізика та електроніка Прикладная радиофизика Компактные вращатели плоскости поляризации на основе диафрагм с прямоугольными щелями Компактні обертачі площини поляризації на базі діафрагм із прямокутними щілинами Compact polarization rotators based on the diaphragms with rectangular apertures Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Компактные вращатели плоскости поляризации на основе диафрагм с прямоугольными щелями
spellingShingle	Компактные вращатели плоскости поляризации на основе диафрагм с прямоугольными щелями Кулик, Д.Ю. Мосьпан, Л.П. Перов, А.О. Колмакова, Н.Г. Прикладная радиофизика
title_short	Компактные вращатели плоскости поляризации на основе диафрагм с прямоугольными щелями
title_full	Компактные вращатели плоскости поляризации на основе диафрагм с прямоугольными щелями
title_fullStr	Компактные вращатели плоскости поляризации на основе диафрагм с прямоугольными щелями
title_full_unstemmed	Компактные вращатели плоскости поляризации на основе диафрагм с прямоугольными щелями
title_sort	компактные вращатели плоскости поляризации на основе диафрагм с прямоугольными щелями
author	Кулик, Д.Ю. Мосьпан, Л.П. Перов, А.О. Колмакова, Н.Г.
author_facet	Кулик, Д.Ю. Мосьпан, Л.П. Перов, А.О. Колмакова, Н.Г.
topic	Прикладная радиофизика
topic_facet	Прикладная радиофизика
publishDate	2015
language	Russian
container_title	Радіофізика та електроніка
publisher	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
format	Article
title_alt	Компактні обертачі площини поляризації на базі діафрагм із прямокутними щілинами Compact polarization rotators based on the diaphragms with rectangular apertures
description	В работе исследованы предельные характеристики перспективных компактных вращателей плоскости поляризации электромагнитных волн, выполненных на основе структур, обладающих диэдральной симметрией. Диэдрально симметричные структуры образованы резонансными диафрагмами с прямоугольными щелями. Многопараметрическая оптимизация использована для достижения предельных характеристик устройств в различных частотных диапазонах. Определена область их применимости. Предложены конструкции, позволяющие вращать плоскость поляризации на углы 90 и 45, при приемлемых значениях коэффициентов отражения в заданной полосе частот. Эти конструкции расширяют элементную базу приемопередающей аппаратуры, предназначенную для обеспечения заданного фазового разделения радиосигналов, их фазовой коррекции или поляризационной компенсации. У роботі досліджено граничні характеристики перспективних компактних обертачів площини поляризації електромагнітних хвиль, що є виконаними на базі структур із діедральною симетрією. Діедрально симетричні структури сформовані резонансними діафрагмами із прямокутними щілинами. Багатопараметричну оптимізацію застосовано, щоб отримати граничні характеристики пристроїв у різноманітних частотних діапазонах. Визначено галузь їх застосування. Запропоновано конструкції, які забезпечують обертання площини поляризації на 45 та 90 за прийнятних значень коефіцієнтів відбиття в заданій смузі частот. Ці конструкції поширюють елементну базу приймально-передавальної апаратури, яку призначено для забезпечення заданого фазового розподілу радіосигналів, їх фазової корекції або поляризаційної компенсації. The ultimate performances of perspective compact polarization rotators are examined in the paper. The rotators are formed by the dihedral symmetry structures. The dihedral structures are based on the multi-aperture diaphragms with the rectangular slots. Muti-parameter optimization is used to achieve the ultimate performances in different frequency ranges. The limits for the rotators’ application area are established. The designs, providing polarization plane rotation for arbitrary rotation angle at the acceptable values of the reflection coefficient over the frequency band are proposed. The designs make the elemental base of the receiving and the transmitting equipment broader and they are intended to provide given phase separations of the radio signals, to perform required phase correction or polarization compensation.
issn	1028-821X
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/106245
citation_txt	Компактные вращатели плоскости поляризации на основе диафрагм с прямоугольными щелями / Д.Ю. Кулик, Л.П. Мосьпан, А.О. Перов, Н.Г. Колмакова // Радіофізика та електроніка. — 2015. — Т. 6(20), № 3. — С. 96-101. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT kulikdû kompaktnyevraŝateliploskostipolârizaciinaosnovediafragmsprâmougolʹnymiŝelâmi AT mosʹpanlp kompaktnyevraŝateliploskostipolârizaciinaosnovediafragmsprâmougolʹnymiŝelâmi AT perovao kompaktnyevraŝateliploskostipolârizaciinaosnovediafragmsprâmougolʹnymiŝelâmi AT kolmakovang kompaktnyevraŝateliploskostipolârizaciinaosnovediafragmsprâmougolʹnymiŝelâmi AT kulikdû kompaktníobertačíploŝinipolârizacíínabazídíafragmízprâmokutnimiŝílinami AT mosʹpanlp kompaktníobertačíploŝinipolârizacíínabazídíafragmízprâmokutnimiŝílinami AT perovao kompaktníobertačíploŝinipolârizacíínabazídíafragmízprâmokutnimiŝílinami AT kolmakovang kompaktníobertačíploŝinipolârizacíínabazídíafragmízprâmokutnimiŝílinami AT kulikdû compactpolarizationrotatorsbasedonthediaphragmswithrectangularapertures AT mosʹpanlp compactpolarizationrotatorsbasedonthediaphragmswithrectangularapertures AT perovao compactpolarizationrotatorsbasedonthediaphragmswithrectangularapertures AT kolmakovang compactpolarizationrotatorsbasedonthediaphragmswithrectangularapertures
first_indexed	2025-11-26T00:10:41Z
last_indexed	2025-11-26T00:10:41Z
_version_	1850595265931640832
fulltext	ППРРИИККЛЛААДДННААЯЯ РРААДДИИООФФИИЗЗИИККАА _________________________________________________________________________________________________________________ __________ ISSN 1028821X Радиофизика и электроника. 2015. Т. 6(20). № 3 © ИРЭ НАН Украины, 2015 УДК 537.874.2:621.372.851.3 Д. Ю. Кулик, Л. П. Мосьпан, A. O. Перов, Н. Г. Колмакова Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины 12, ул. Ак. Проскуры, Харьков, 61085, Украина E-mail: 4dyk@mail.ru КОМПАКТНЫЕ ВРАЩАТЕЛИ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ НА ОСНОВЕ ДИАФРАГМ С ПРЯМОУГОЛЬНЫМИ ЩЕЛЯМИ Компактность конструктивных элементов антенно-фидерных трактов является обязательным требованием, предъявляемым при разработке современных радиолокационных комплексов гражданского или военного назначения. В работе исследованы пре- дельные характеристики перспективных компактных вращателей плоскости поляризации электромагнитных волн, выполненных на основе структур, обладающих диэдральной симметрией. Диэдрально симметричные структуры образованы резонансными диа- фрагмами с прямоугольными щелями. Многопараметрическая оптимизация использована для достижения предельных характерис- тик устройств в различных частотных диапазонах. Определена область их применимости. Предложены конструкции, позволяющие вращать плоскость поляризации на углы 90 и 45, при приемлемых значениях коэффициентов отражения в заданной полосе частот. Эти конструкции расширяют элементную базу приемо-передающей аппаратуры, предназначенную для обеспечения заданного фазового разделения радиосигналов, их фазовой коррекции или поляризационной компенсации. Ил. 6. Табл. 1. Библиогр.: 9 назв. Ключевые слова: поляризатор, волновод, диафрагма, оптимизация. Выбор поляризации электромагнитных волн в приемо-передающей аппаратуре связи и радиолокации зависит от конкретной решаемой задачи, поскольку каждый тип поляризации обла- дает определенными достоинствами и недостатка- ми. Задачи реализации заданной поляризации радиосигналов успешно решают вращатели плос- кости поляризации. Кроме того, они могут обеспе- чивать требуемое фазовое разделение радио- сигналов, их фазовую коррекцию или поляризаци- онную компенсацию, а также преобразование типа поляризации [1–2]. При этом общим требованием, предъявляемым к элементам радиосистем, является обеспечение требуемых выходных характеристик при максимальной компактности самих устройств. Одним из удачных примеров реализации поляризатора волноводного типа является диэд- ральная ячейка, предложенная и исследованная в работах [3–5]. Конструкция диэдральной ячейки представлена на рис. 1. Простейшая ячейка пред- ставляет собой пару диафрагм (Iris0 и Iris1) с прямоугольными щелями, установленную в вол- новоде квадратного сечения. Каждая диафрагма обладает собственной вращательной симметрией, причем по отношению друг к другу диафрагмы являются комплементарными, то есть вторая по- лучается путем зеркального отражения первой и поворота ее на 90. В работе [5] была показана принципиальная возможность вращения плос- кости поляризации на 90 подобной ячейкой, выполненной на двухщелевых диафрагмах. При этом приемлемый коэффициент отражения обес- печивался в полосе частот шириной 7 %. Прин- ципиальная возможность вращения плоскости поляризации на произвольный угол ячейкой, вы- полненной на четырехщелевых диафрагмах (рис. 1), была показана в работах [3, 4]. dy dx b1 a1 t a Iris0 Iris1 l Рис. 1. Ячейка вращателя плоскости поляризации и образую- щие ее конструктивные элементы (Iris0 и Iris1) Вместе с тем, задача получения такими ячейками предельных характеристик требует до- полнительного исследования. Решению этой за- дачи посвящена данная работа. Поскольку само устройство характеризуется большим количеством геометрических параметров, исследовать зависи- мость характеристик от каждого из них, построив массу сечений многомерного пространства, не представляется возможным. Поэтому использу- ются алгоритмы многомерной оптимизации [6, 7], варьируемыми параметрами которых являются размеры конструкции, а именно ширина и высота щелей диафрагм, их смещения по вертикали и горизонтали, а также расстояние между компле- ментарными диафрагмами. В каждом конкретном примере ожидаемым результатом является обес- печение заданного угла поворота плоскости по- ляризации при минимальном коэффициенте Iris0 a Iris1 dy bl dx al t l mailto:4dyk@mail.ru Д. Ю. Кулик и др. / Компактные вращатели плоскости… _________________________________________________________________________________________________________________ 97 отражения в указанной полосе частот. В свою очередь, обобщение полученных расчетных дан- ных позволяет установить пределы применимо- сти выбранной конфигурации в зависимости от выбранного частотного диапазона. 1. Метод решения задачи. Для расчета характеристик вращателей поляризации на диа- фрагмах с прямоугольными щелями, обла- дающих диэдральной (D4) симметрией, был ис- пользован обобщенный метод частичных облас- тей [8, 9]. В оптимизационных процедурах исполь- зовались как градиентные алгоритмы, так и метод роя частиц, позволяющий с большей вероят- ностью находить глобальные экстремумы целе- вой функции в указанной полосе частот. Во всех случаях использовалась целевая функция вида: ___________________________________________     max 0 2121 ),)())(((min i i RLRLILxpxpcpcpIL RLSwSILILwf  (1) ___________________________________________ где )Slg(20 10 00LILcp  – уровень кополяризован- ной компоненты поля, дБ; )Slg(20 10 10LILxp  – уро- вень кросс-поляризованной компоненты поля, дБ; )Slg(20 00 00LRL  – коэффициент отражения па- дающей волны, дБ; cp и xp – коэффициенты, cоотношение которых задает требуемый угол по- ворота плоскости поляризации; ILS и RLS – тре- буемые по заданию уровни вносимых и обратных потерь; ILw и RLw – весовые коэффициенты, опре- деляющие компромисс между величиной ко- эффициента отражения и степенью поворота плоскости поляризации. Величина imax определяет количество фиксированных частот, расположен- ных равномерно в требуемой заданием полосе, на которых проводятся вычисления. Физические ограничения на варьируемые параметры определялись формулой ,11 adydxba   (2) где  определяет допустимый технологический зазор между щелями диафрагмы. Исследованная ячейка была реализована на диафрагмах толщиной 0,05 мм, установленных в волноводе квадратного сечения 2323 мм. Одномодовым (с точностью до вырождения по поляризации) для него является диапазон частот 6,52…13,04 ГГц, рабочим же диапазоном принято считать диапазон 8…12 ГГц. Для расчета вращателей плоскости поля- ризации использовался параметр точности cutf , равный 100 ГГц, что соответствует 374 модам, учитываемым в базисе квадратного волновода при реализации численного алгоритма, который обеспечивает точность расчета частот резонанс- ных пиков 0,01 ГГц (1 %). 2. Результаты численного моделирова- ния. Двухдиафрагменная ячейка. Оптимизация конструкции ячейки, представленной на рис. 1, производилась следующим образом. На началь- ном этапе для низкочастотной части рабочего диапазона формулировалось входное задание на синтез ячейки. В частности, требуемый угол по- ворота плоскости поляризации должен был со- ставлять 90, что соответствовало cp  0 в целевой функции. Задавалась ширина диапазона сканирования 0,5 ГГц (5 %) для частотной выборки. По достижении оптимизационной про- цедурой заданных требований диапазон сканиро- вания итерационно смещался на 0,5 ГГц в область высоких частот, входное задание на синтез ячей- ки изменялось соответствующим образом, и про- цедура оптимизации повторялась. Итерационный процесс завершался, когда совпадали высокочас- тотные границы диапазона сканирования и рабо- чего диапазона. Примеры полученных характеристик для нижней, средней и верхней частей рабочего диа- пазона представлены на рис. 2, где )S(abs 00 00 пред- ставляет коэффициент отражения падающей волны, )S(abs 10 00 – коэффициент прохождения ко- поляризованной, а )S(abs 10 10 – коэффициент про- хождения кросс-поляризованной компоненты электромагнитного поля соответственно. На правой оси отложена зависимость угла поворота плоскости поляризации от частоты. Серой полосой обозначены границы частотного диапазона, для которого проводилась оптимиза- ция. Из этого рисунка видно, что спроектирован- ное устройство обладает достаточно низким коэффициентом отражения и частотной диспер- сией угла поворота плоскости поляризации по- рядка 10. Такая величина частотной дисперсии характерна для всего сканируемого диапазона частот, за исключением низкочастотной части рабочего диапазона, где невозможно получить фильтроподобную характеристику устройства из- за ограничений, накладываемых геометрией (2). Обобщенные результаты частотного ска- нирования в диапазоне 9,75…12 ГГц представле- ны в таблице. Д. Ю. Кулик и др. / Компактные вращатели плоскости… _________________________________________________________________________________________________________________ 98 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 -50 -40 -30 -20 -10 0 П от ер и, д Б Частота, ГГц abs(S 00 00 ) abs(S 10 00 ) abs(S 10 10 ) 80 85 90 95 100 У го л по во ро та , г ра ду сы Угол поворота 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 -50 -40 -30 -20 -10 0 П от ер и, д Б Частота, ГГц abs(S 00 00 ) abs(S 10 00 ) abs(S 10 10 ) 80 85 90 95 100 У го л по во ро та , г ра ду сы Угол поворота а) б) 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 -50 -40 -30 -20 -10 0 П от ер и, д Б Частота, ГГц abs(S 00 00 ) abs(S 10 00 ) abs(S 10 10 ) 80 85 90 95 100 У го л по во ро та , г ра ду сы Угол поворота в) Рис. 2. Характеристики двухдиафрагменного вращателя плоскости поляризации на 90, оптимизированного для полосы частот: а) 8,5…9,0 ГГц; б) 10,5…11,0 ГГц; в) 11,5…12,0 ГГц Параметры двухдиафрагменной конструкции вращателя плоскости поляризации на 90 для различных диапазонов частот Частота fc, ГГц Геометрические размеры, мм Потери RL, дБ a1 b1 dx dy l 8,75 17,9875 1,42746 0,278664 0,0562588 2,69664 –11,6401 9,25 16,2577 1,52512 0,0830025 0,0270732 4,74181 –11,9007 9,75 14,5643 0,977339 0,49074 1,54405 5,09518 –19,2579 10,25 13,4907 1,45226 0,998144 1,32482 6,44907 –18,9168 10,75 12,9045 2,99792 0,00142298 1,56733 6,8252 –24,6906 11,25 12,2441 3,02065 0,737628 1,94193 6,72576 –25,5307 11,75 11,9917 3,25219 1,17474 2,3098 6,06225 –26,997 12,25 10,4927 4,33432 0,388346 3,08521 6,98164 –25,0631 12,75 10,4927 4,7496 0,790836 3,23932 6,44676 –22,8119 13,25 9,97716 2,96981 2,3317 4,12021 6,1324 –21,175 ___________________________________________ Из таблицы видны следующие законо- мерности: при увеличении значения центральной частоты cf полосы пропускания размер a1 уменьшается, размеры cf и dy – увеличиваются, l остается приблизительно постоянным, а значе- ние dx осциллирует в районе малых величин. Уровень пульсаций в полосе пропускания при этом падает. При смещении в область высоких частот и соответствующем увеличении централь- ной частоты cf уровень высших волн начинает существенно повышаться, что приводит к ухуд- шению характеристик устройства. В точке воз- никновения волны )( 1221 HH с частотой отсечки, равной 58,14 ГГц, поляризационные характерис- тики полностью разрушаются, поскольку эта вол- на является определяющей при формировании поляризационного эффекта. Многомерная оптимизация была также применена для синтеза вращателя плоскости по- ляризации на угол 45. При этом в функции оп- 0 –10 –20 –30 –40 –50 П о те р и , д Б 0 –10 –20 –30 –40 –50 П о те р и , д Б 0 –10 –20 –30 –40 –50 П о те р и , д Б Д. Ю. Кулик и др. / Компактные вращатели плоскости… _________________________________________________________________________________________________________________ 99 тимизации использовалось условие .1 xpcp  Типичные характеристики вращателя поляри- зации, оптимизированного в полосе частот 10,25…10,75 ГГц, представлены на рис. 3, обо- значения на котором соответствуют рис. 2. Раз- меры ячейки а1  13,463 мм, b1  1,4989 мм, dx  0,2017 мм, dy  0,0046 мм, l  11,3093 мм. 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 -50 -40 -30 -20 -10 0 П от ер и, д Б Частота, ГГц abs(S 00 00 ) abs(S 10 00 ) abs(S 10 10 ) 35 40 45 50 55 Угол поворота У го л по во ро та , г ра ду сы Рис. 3. Характеристики двухдиафрагменного вращателя плос- кости поляризации на 45, оптимизированного для полосы 10,25…10,75 ГГц Анализ данных многомерной оптимиза- ции показал, что обеспечить вращение плоскости поляризации на угол 45 в полосе частот не удается. Типичная ячейка из пары диафрагм не обеспечи- вает полосовую характеристику чебышевского типа даже в верхней части частотного диапазона. Высокий уровень отражения достигается только в узкой окрестности центральной частоты и, следо- вательно, необходимо увеличивать число элемен- тов поляризационной ячейки. 3. Четырехдиафрагменная ячейка. В це- лях улучшения характеристик устройства была исследована конструкция с большим числом диа- фрагм. Чтобы сохранить D4-симметрию, число диафрагм должно быть четным, поэтому их коли- чество было выбрано равным четырем. Простей- шую конструкцию такого типа можно получить, соединяя последовательно два одинаковых двух- диафрагменных устройства (рис. 1), расположив их на расстоянии l1. При этом каждая пара диа- фрагм является комплементарной: одинаковые размеры и смещения имеют первая и третья, вто- рая и четвертая диафрагмы соответственно. Од- нако для увеличения числа оптимизируемых параметров была рассмотрена другая последова- тельность диафрагм: одинаковые размеры и сме- щения имели пара внешних и пара внутренних диафрагм (рис. 4). При этом D4-симметрия кон- струкции сохранялась. В качестве первого примера была иссле- дована конструкция вращателя плоскости поля- ризации на 90. Характеристики четырехдиафраг- менной ячейки, оптимизированной для полосы частот 10,25…10,75 ГГц, представлены на рис. 5. Размеры ячейки: а10  13,4907 мм, b10  2,9979 мм, dx0  0,7338 мм, dy0  0,8074 мм, l0  7,3268 мм, а11  13,4907 мм, b11  2,9979 мм, dx1  0,7338 мм, dy1  0,8074 мм, l1  8,2596 мм. dy0 dy1 dx0 dx1 b11 a10 a11 t t a a Iris0 Iris1 l0 l1 l0 Iris1c Iris0c Рис. 4. Четырехдиафрагменная ячейка вращателя плоскости поляризации 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 -50 -40 -30 -20 -10 0 П от ер и, д Б Частота, ГГц abs(S 00 00 ) abs(S 10 00 ) abs(S 10 10 ) 80 85 90 95 100 У го л по во ро та , г ра ду сы Угол поворота а) 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 -50 -40 -30 -20 -10 0 П от ер и, д Б Частота, ГГц abs(S 00 00 ) abs(S 10 00 ) abs(S 10 10 ) 80 85 90 95 100 У го л по во ро та , г ра ду сы Угол поворота б) Рис. 5. Характеристики четырехдиафрагменного вращателя плоскости поляризации на 90, оптимизированного для поло- сы частот: а) 10,25…10,75 ГГц; б) 10,25…11,35 ГГц Видно, что по сравнению с двухдиафраг- менной конструкцией на характеристике появи- лись два дополнительных нуля запирания, однако уровень отражения падающего поля в полосе пропускания и частотная дисперсия фактически 0 –10 –20 –30 –40 –50 П о те р и , д Б 0 –10 –20 –30 –40 –50 П о те р и , д Б 0 –10 –20 –30 –40 –50 П о те р и , д Б Iris0 a Iris1 l0 l0 l1 a10 a11 Iris1c a Iris0c dx1 dx0 dy1 dy0 b10 b11 t t Д. Ю. Кулик и др. / Компактные вращатели плоскости… _________________________________________________________________________________________________________________ 100 не изменились, поскольку из-за ограничений гео- метрии не удалось разместить эти дополнитель- ные нули между парой основных нулей. При этом, как оказалось, конфигурации внутренней и внешней диафрагм практически совпали (отличие в шестом знаке для dx и dy). Используя более широкую полосу частот для оптимизации (10,25…11,35 ГГц), удалось выровнять уровень пульсаций в полосе и полу- чить почти фильтровую характеристику (рис. 5, б) с приемлемым значением коэффициента отра- жения (обратные потери порядка –17 дБ). Частот- ная дисперсия угла поворота плоскости поля- ризации при этом увеличилась пропорцио- нально увеличению полосы и достигла 20. С точностью до сотых долей миллиметра сохра- нилось и равенство размеров внутренних и внеш- них диафрагм. Размеры ячейки a10  14,1504 мм, b10  1,4989 мм, dx0  2,2078 мм, dy0  0,1584 мм, l0  7,0074 мм, a11  14,1658 мм, b11  1,4989 мм, dx1  2,2363 мм, dy1  0,14978 мм, l1  8,4692 мм. И наконец, была проведена оптимизация четырехдиафрагменного вращателя поляризации на 45. Типичная характеристика такого поляри- затора представлена на рис. 6. 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 -50 -40 -30 -20 -10 0 П от ер и, д Б Частота, ГГц abs(S 00 00 ) abs(S 10 00 ) abs(S 10 10 ) 43 44 45 46 У го л по во ро та , г ра ду сы Угол поворота Рис. 6. Характеристики четырехдиафрагменного вращателя плоскости поляризации на 45, оптимизированного для поло- сы частот 10,25…10,75 ГГц Как видно из рисунка, в рабочей полосе волновода имеются три, а не четыре резонансных минимума, при этом два из них находятся в за- данном диапазоне, обеспечивая малый коэффи- циент отражения. Третий резонансный минимум нарушает обычную монотонность зависимости угла поворота плоскости поляризации от частоты, формируя точку перегиба и локальный экстремум на заданном значении угла поворота. Благодаря этому мы имеем очень низкую частотную диспер- сию в полосе, составляющую меньше чем 0,5, что на порядок лучше, чем у вращателей на 90. При сравнении с двухдиафрагменной конструк- цией (рис. 4) видно, что в данном случае достига- ется и существенно меньший коэффициент отражения падающего поля. Размеры ячейки a10  13,6131 мм, b10  2,7805 мм, dx0  0,0002 мм, dy0  0,1379мм, l0  7,982 мм, a11  13,6755 мм, b11  4,0182 мм, dx1  0,6201 мм, dy1  2,8668 мм, l1  7,2585 мм. Выводы. Результаты применения много- мерной оптимизации к синтезу поляризационных ячеек на многощелевых диафрагмах с одинако- выми прямоугольными апертурами можно обоб- щить следующим образом. Вращатели плоскости поляризации электромагнитных волн на основе двух комплементарных диафрагм с резонансными прямоугольными щелями, обладающие D4-симмет- рией, характеризуются компактными размерами и позволяют обеспечить угол поворота 90 лишь в одной частотной точке. В 5%-полосе частотная дисперсия угла поворота достигает 2 на 1 % час- тоты. Приемлемые коэффициенты отражения до- стигаются только в средней и высокочастотной частях рабочего диапазона. Подобные конструкции вращателей, с углом поворота 45, к сожалению, обладают слишком высоким коэффициентом отражения в полосе, что ограничивает их практическую применимость. Увеличение количества диафрагм для вращателя плоскости поляризации на 90 не поз- воляет существенно улучшить характеристики конструкции, за исключением возможности рас- ширения полосы до 10 %. В этом случае удается получить фильтроподобную характеристику ко- эффициента отражения, правда, с относительно высоким уровнем пульсаций. В целом, увеличе- ние количества диафрагм в этом случае не пред- ставляется целесообразным. При конструировании вращателей с углом поворота 45 наблюдается иная картина. Двух- диафрагменная конструкция не обеспечивает вы- сокий коэффициент отражения в полосе, тогда как четырехдиафрагменная позволяет проектиро- вать устройства с хорошим коэффициентом от- ражения и чрезвычайно низкой частотной дисперсией (0,1 на 1 % частоты). При достаточ- но малой длине (23 мм) такой вращатель может, например, использоваться в сочетании с гребен- чатым фазосдвигателем для проектирования ком- пактных преобразователей линейной поляриза- ции в круговую. Библиографический список 1. Ragan G. L. Microwave Transmission Circuits / G. L. Ragan (Ed.). – N. Y.: Dover. – 1965 – 740 p. 2. Cornbleet S. Microwave Optics: The Optics of Microwave Antenna Design / S. Cornbleet. – L.: UK: Academic Press, 1977. – 433 p. 3. Kirilenko A. A. Ultra-compact 90° twist based on a pair of two closely placed flat chiral irises / A. A. Kirilenko, N. G. Kolmakova, S. A. Prikolotin // Radioelectronics and Communications Systems. – 2012. – 55, N 4. – P. 175–177. 0 –10 –20 –30 –40 –50 П о те р и , д Б Д. Ю. Кулик и др. / Компактные вращатели плоскости… _________________________________________________________________________________________________________________ 101 4. The simple example of polarization plane rotation by the fring- ing fields interaction / N. Kolmakova, S. Prikolotin, A. Kirilenko, A. Perov // Proc. 43rd European Microwave. Conf. (EuMC-2013). – Nuremberg, 2013. – P. 936–938. 5. Natural oscillations providing 90 polarization plane rotation by planar chiral double-slot irises / A. A. Kirilenko, N. G. Kolma- kova, A. O. Perov et al. // Radioelectronics and Communica- tions Systems. – 2014. – 57, N 12. – P. 521–530. 6. Swanson D. Microwave filter design by synthesis and optimi- zation / D. Swanson // IEEE Microwave Magazine. – 2007. – 8, N 2. – P. 55–69. 7. Rahmat-Samiiand Y. Electromagnetic Optimization by Genetic Algorithms / Y. Rahmat-Samii, E. Michielssen. – N. Y.: Wiley-Interscience, 1999. – 512 p. 8. Приколотин С. А. Метод частичных областей с учетом особенностей во внутренних задачах с произвольными кусочно-координатными границами. Часть 1. Спектры собственных волн ортогонных волноводов / С. А. Прико- лотин, А. А. Кириленко // Радиофизика и электрон. – 2010. – 1(15), № 1. – C. 17–29. 9. Метод частичных областей с учетом особенностей во внутренних задачах с произвольными кусочно- координатными границами. Часть 2. Плоско-поперечные соединения и «in-line» объекты / С. А. Стешенко, С. А. Приколотин, А. А. Кириленко и др. // Радиофизика и электрон. – 2013. – 4(18), № 1. – С. 15–25. Рукопись поступила 11.06.2015. D. Yu. Кulik, L. P. Mospan, A. O. Perov, N. G. Kolmakova COMPACT POLARIZATION ROTATORS BASED ON THE DIAPHRAGMS WITH RECTANGULAR APERTURES The requirement of being compact is obvious for the designs of modern communication systems of civil and military purposes. The ultimate performances of perspective compact po- larization rotators are examined in the paper. The rotators are formed by the dihedral symmetry structures. The dihedral struc- tures are based on the multi-aperture diaphragms with the rectan- gular slots. Muti-parameter optimization is used to achieve the ultimate performances in different frequency ranges. The limits for the rotators’ application area are established. The designs, provid- ing polarization plane rotation for arbitrary rotation angle at the acceptable values of the reflection coefficient over the frequency band are proposed. The designs make the elemental base of the receiving and the transmitting equipment broader and they are intended to provide given phase separations of the radio signals, to perform required phase correction or polarization compensation. Кey words: polarizer, waveguide, diaphragm, optimi- zation. Д. Ю. Кулик, Л. П. Мосьпан, A. O. Перов, Н. Г. Колмакова КОМПАКТНІ ОБЕРТАЧІ ПЛОЩИНИ ПОЛЯРИЗАЦІЇ НА БАЗІ ДІАФРАГМ ІЗ ПРЯМОКУТНИМИ ЩІЛИНАМИ Компактність конструктивних елементів антенно- фідерних трактів є обов’язковою вимогою для розробки сучас- них радіолокаційних комплексів цивільного або військового призначення. У роботі досліджено граничні характеристики перспективних компактних обертачів площини поляризації електромагнітних хвиль, що є виконаними на базі структур із діедральною симетрією. Діедрально симетричні структури сформовані резонансними діафрагмами із прямокутними щіли- нами. Багатопараметричну оптимізацію застосовано, щоб отри- мати граничні характеристики пристроїв у різноманітних частотних діапазонах. Визначено галузь їх застосування. Запро- поновано конструкції, які забезпечують обертання площини поляризації на 45 та 90 за прийнятних значень коефіцієнтів відбиття в заданій смузі частот. Ці конструкції поширюють елементну базу приймально-передавальної апаратури, яку при- значено для забезпечення заданого фазового розподілу радіо- сигналів, їх фазової корекції або поляризаційної компенсації. Ключові слова: поляризатор, хвилевід, діафрагма, оптимізація.

Компактные вращатели плоскости поляризации на основе диафрагм с прямоугольными щелями

Репозитарії

Схожі ресурси