УДК 621.396.67

Облучатель с двумя ортогональными круговыми поляризациями

 

Д. А. Дёмин, Н. П. Чубинский
Московский физико-технический институт (государственный университет)

 

Статья получена 3 июня 2014 г.

 

Аннотация. Промоделирован и экспериментально исследован облучатель круговой поляризации, предназначенный для работы с прямофокусным параболическим рефлектором. Особенностью облучателя является использование одномодового волновода со ступенчатой перегородкой в качестве комбинированного поляризатора и поляризационного селектора. Это позволило создать конструктивно простой, но в то же время компактный облучатель. Достигнута высокая развязка между входным и выходным портами (менее ).

Ключевые слова: облучатель, поляризационный селектор, поляризатор-перегородка.

Abstract.  In this article, a circular polarized feed antenna for a prime focus parabolic reflector is numerically modeled and experimentally investigated. A remarkable feed antenna feature is a stepped septum inside single-mode waveguide used as combined orthomode transducer and polarizer. The septum polarizer enabled us to make a simple yet compact feed antenna. High isolation between input and output ports is achieved (less than ).

Keywords: feed antenna, orthomode transducer, septum polarizer.

Введение

Существует большое число конструкций облучающих устройств зеркальных антенн, удовлетворяющих различным требованиям. Их описания приводятся в классических монографиях по технике антенн [1-4]. Следуя [2], их можно разделить на следующие основные классы: апертурные антенны (щелевые, волноводные, рупорные и др.), линейные (диполь, турникетная антенна и др.), антенны бегущей волны (спиральные, диэлектрические стержневые и др.) и различные комбинированные антенны.

Печатные антенны (такие как патч-антенны) имеют малые габариты, весьма конструктивны и технологичны. Однако предельная подводимая мощность к таким антеннам обычно ограничена десятками ватт [2], что не позволяет использовать их с мощными усилителями (выходная мощность 50…200 Вт).

Щелевые и дипольные антенны требуют использования фазосдвигающих цепей для возбуждения ортогональных компонент поля, которые в нашем случае должны быть различными в цепях приёма и передачи. Кроме того, они включают балансные и фильтрующие цепи, ограничивающие развязку между приёмным и передающим трактами. Эти элементы вносят дополнительные потери. Развязка между каналами оказывается частотно зависимой. Кроме того, существуют некоторые сложности в реализации диаграммы направленности (ДН) заданной ширины дипольных и щелевых антенн.

Спиральные антенны имеют круговую поляризацию, однако для дуплексной связи необходимо иметь две спирали с разным направлением намотки. Альтернативный вариант – квадрифилярная антенна [2, 5], поляризацией которой можно управлять с помощью изменения сдвига фазы точек запитки. Такая антенна позволяет получить близкий к единице коэффициент эллиптичности в во всем телесном угле, ограниченном рефлектором. Серьезный недостаток квадрифилярных антенн – малая ширина полосы (единицы процентов). Кроме того, требуются внешние фазосдвигающие цепи питания и поляризационные селекторы, которые не могут быть выполнены в виде печатных микрополосковых элементов для мощностей 50…200 Вт.

Более удобны апертурные облучатели, форма ДН которых (в том числе, и в ортогональных плоскостях) легко регулируется с помощью изменения их выходной апертуры. К этому классу относятся как волноводные антенны, так и рупоры, в том числе и гофрированные. Последние были бы наиболее предпочтительны для использования в облучателе, однако они сложны с технологической точки зрения. Наиболее простым, но при этом обеспечивающим аксиально-симметричную ДН (правда, в более узкой частотной полосе) является рупор Поттера [2]. Он и был взят за основу облучателя.

Для получения разности фаз между ортогональными компонентами поля используют различные типы поляризаторов. Решетка малоэффективна внутри одномодового волновода, и ее выносят в плоскость выходной апертуры волноводно-рупорного облучателя. Такой поляризатор увеличивает и без того немалую длину облучателя. При этом его поперечные размеры заметно возрастают, а дисперсионные зависимости фазового сдвига уменьшаются. Открытым также остается и вопрос развязки ортогональных мод в такой антенне.

Гораздо более удобен поляризатор в виде асимметричной диэлектрической или металлической перегородки («septum polarizer») внутри одномодового волновода. В данной работе используется 5-ступенчатая металлическая перегородка, конструкция которой описана в [6-9]. Волноводная конструкция поляризатора отлично подходит для питания излучающего рупора. Кроме того, перегородка является еще и поляризационным селектором, что положительно сказывается на габаритах устройства.

Непосредственное масштабирование предложенной в [6] конструкции дало бы ширину полосы лишь 1…2%. Одной из задач было расширение ее до 10…15%, поэтому потребовалось дополнительная оптимизация конструкции облучателя.

Численное моделирование и оптимизация параметров АС выполнялась в два этапа: сначала были подобраны параметры поляризационного селектора и облучателя, а финальное моделирование всей АС было выполнено с использованием метода физической оптики на примере параболического осесимметричного рефлектора диаметром  с относительным фокусным расстоянием .

Принцип действия ступенчатой поляризующей перегородки

Принцип действия волноводного поляризатора с металлической перегородкой (Рис. 1) описан в работах [6-9]. Поляризатор состоит из полукруглых волноводов 1 и 2, перегородки 3 и круглой секции 4. Возбуждение фундаментальной линейной моды в полукруглых секциях осуществляется с помощью конических штырей A или B. Асимметрия перегородки приводит к тому, что эти линейно поляризованные моды конвертируются в циркулярно поляризованные фундаментальные моды круглой секции 4 непосредственно, без необходимости во внешних балансных и согласующих устройствах.

Рассмотрим, к примеру, формирование круговой поляризации в секции 4 при подведении мощности только к порту A. Поле, соответствующее этому возбуждению, можно представить в виде суммы решений двух задач:

1.     порты A и B возбуждаются половинной мощностью противофазно

2.     порты A и B возбуждаются половинной мощностью синфазно

 

Рис. 1. Конструкция облучательной системы  S-диапазона с круговой поляризацией: 1, 2 – полукруглые секции волновода, 3 – область поляризатора, 4 – круглый волновод, 5 – облучатель,   A и B – коаксиальные порты.

Электрическое поле при первом способе возбуждения направлено перпендикулярно перегородке (Рис. 2а) и при условии малости толщины последней фазовая скорость  этого возбуждения постоянна и не зависит от формы перегородки.

Иная картина наблюдается при синфазном возбуждении портов  и  (Рис. 2б). Структура поля при таком возбуждении существенно зависит от высот  секций поляризатора. Фазовая скорость  таких мод меньше . Подбор высот  и длин секций  поляризующей перегородки позволяет получить фазовый сдвиг  между линейными модами     и  круглой секции 4.

При возбуждении только порта A (сумма решений задач синфазного и противофазного возбуждений) в круглой секции 4 генерируется циркулярно поляризованная фундаментальная мода. Кроме того, при этом происходит компенсация поля в полукруглой секции 2, что определяет высокий коэффициент развязки по входам .

 

Рис. 2. Схема возбуждения ортогональных мод в круглом волноводе: (а) – противофазное возбуждение портов A и B, мода , (б) – синфазное возбуждение портов, мода

Использование ступенчатой перегородки вместо наклонной, предложенной [7], позволяет расширить рабочую полосу частот [8, 9].

Несомненным преимуществом этого поляризатора является простота: левая и правая поляризации круглой секции 4 получаются с помощью возбуждения разных каналов антенны непосредственно без необходимости в дополнительных внешних цепях. Отличительной особенностью рассматриваемого поляризатора является высокая развязка между входными портами и близкая к 1 эллиптичность сигнала. Немаловажно и то, что рассматриваемое устройство получается компактным, так как фактически объединяет в себе функции поляризатора и селектора.

Излучающая секция

Излучающая секция 5 (Рис. 1) формирует ДН с заданной шириной. Возможны различные конструкции: от наиболее простого открытого конца волновода до гофрированных волноводов сложной формы. Простым, но в то же время обеспечивающим аксиальную симметрию ДН является рупор Поттера. Однако  использованный в работе рефлектор с фокусным расстоянием  накладывает ограничение на ширину ДН облучательной секции ( по уровню –10…–12 дБ), в то время как рупор Поттера дает существенно более узкую ДН (). В итоге было принято ограничиться излучающей секцией в виде одномодового волновода со ступенчатым переходом.

Расчёт параметров облучателя

Расчетные размеры облучателя приведены на Рис. 3.Диаметр основного волновода поляризатора  соответствует одной из незатухающих мод  ( – средняя частота диапазона). Диаметр выходной секции соответствует распространяющейся моде  и затухающей . Возбуждение колебаний осуществляется с помощью конусообразных штырей со скругленными кромками (порты  и ), соединенных с разъемами  типа. Использование конических штырей позволяет расширить рабочий диапазон частот и электрическую прочность промежутка между вершиной штыря и перегородкой, так как длина конического штыря на 20-30% меньше резонансной длины цилиндрического штыря.

На первом шаге определены геометрические параметры поляризатора (высоты и длины секций перегородки) с применением генетического алгоритма. В качестве критерия оптимизации была использована линейная комбинация коэффициента эллиптичности волны в круглой секции 4 и коэффициента стоячей волны. Полученные в результате оптимизации размеры приведены в таблице на Рис. 3.

 

Рис. 3. Геометрические параметры облучателя

На втором шаге был определён диаметр излучающей секции 5 (Рис. 1) 130 мм для обеспечения необходимой ширины ДН (»130° для рефлектора с относительным фокусным расстоянием ).

На следующем шаге проведена дополнительная оптимизация развязки между портами  с помощью варьирования длины основной секции волновода 4  и излучающей секции 5 . На Рис. 4 представлена зависимость  от длины волноводной секции. Эта зависимость, однако, относится к случаю узкополосного согласования. После минимизации развязки в требуемой полосе частот были определены параметры волновода: =400 мм, =93 мм.

 

Рис. 4. Зависимость развязки между входным и выходным портами от длины волноводной секции 4 на частоте 2,2 ГГц (– длина волны в волноводе).

На заключительном этапе были подобраны параметры возбуждающих конусообразных штырей и определены окончательные частотные зависимости входных параметров антенны  и  и ДН облучателя (рис. 5, 6, 7).

Экспериментальное исследование облучателя

Облучатель изготовлен из листовой меди толщиной 0,8 мм с помощью пайки мягким припоем на оправке, его размеры приведены на Рис. 3 (геометрию перегородки см. на таблице Рис. 3). Контроль и настройка входных параметров осуществлялась с помощью векторного анализатора цепей MS6444A и заключалась в подборе расстояния от конусообразных штырей до задней стенки облучателя и их длины. Изменение длины штырей сильно влияет на входной импеданс антенны. Настройка была осуществлена таким образом, чтобы был по возможности наименьшим на частотных каналах приема и передачи (2,10…2,11 ГГц и 2,28…2,29 ГГц, Рис. 5).

 

Рис. 5. Зависимость коэффициента отражения от частоты (1 – измеренные, 2 – расчетные данные)

Рис. 6. Развязка между портами облучателя. 1 – измеренные, 2 – расчетные данные.

Развязка между каналами  практически нечувствительна как к положению штырей относительно задней стенки волновода, так и к их длине. На нее в большой мере влияют как параметры самого поляризатора (высота и длина секций, их количество, см. Рис. 6), так и отражение от выходной секции облучателя (Рис. 4).

Дополнительно улучшить развязку можно, размещая на оси антенны небольшой металлический диск в выходной секции облучателя. Сообщалось [10], что при надлежащем подборе его диаметра и положения можно добиться полной изоляции каналов на заданной частоте. Подстройка с помощью этой методики позволила улучшить развязку между каналами.

Измерения диаграммы направленности облучателя производились в безэховой камере с помощью эталонной дипольной антенны и векторного анализатора цепей. Результаты измерений и расчетов приведены на Рис. 7.

 

Рис. 7. Диаграмма направленности облучателя. (а) – для частоты приема (=2,3 ГГц), (б) – для частоты передачи (= 2,1 ГГц). 1 – основная, 2 – кросс-поляризация. Сплошная линия – расчетные данные, пунктирная – измеренные.

ДН аксиально симметрична: ее ширина по уровню -10 дБ составляет в ортогональных плоскостях 112° и 111° (на частоте 2,12 ГГц) и 107° и 108° (на частоте 2,28 ГГц). ДН не претерпевает существенных изменений в диапазоне 2,1…2,3 ГГц. Величина кросс-поляризации не превышает уровня -15 дБ, что также хорошо согласуется с данными расчета.

Моделирование параметров антенной системы

Было также проведено моделирование АС, включающей предлагаемый облучатель и параболический рефлектор диаметром 3,7 м с относительным фокусным расстоянием , результаты которого представлены на рис. 8. Усиление антенной системы составляет , ширина ДН по уровню  равна , а уровень боковых лепестков не превышает ‑30 дБ, что соответствует коэффициенту использования поверхности  (рис. 8, на вставке изображена ДН основной поляризации вблизи максимума).

 

Рис. 8. Коэффициент усиления рефлекторной антенны диаметром =3,7 м, относительным фокусным расстоянием  с описанным облучателем на частоте 2,2 ГГц. Кривая 1 – основная, 2 – кросс-поляризация.

На рис. 9 приведена зависимость коэффициента усиления АС в зависимости от относительного фокусного расстояния. Усиление АС достигает максимума при  и составляет .

 

Рис. 9. Зависимость максимального коэффициента усиления АС от ее относительного фокусного расстояния .

Заключение

1.  Рассчитан и изготовлен облучатель круговой поляризации на основе ступенчатой поляризующей перегородки в круглом волноводе.

2. Отличительная особенность облучателя – компактность (за счет объединения в одном устройстве поляризатора и поляризационного селектора) и простота конструкции. Облучатель подключается портами A и B к приемопередатчику коаксиальными кабелями непосредственно, без необходимости в согласующих и балансных цепях.

3.  Ширина полосы облучателя 14% (2,05…2,35 ГГц для изготовленной модели).

4. Достигнутая величина развязки по входам между каналами основной и кроссполяризации –25 дБ в диапазоне частот 2,05…2,3 ГГц находится в хорошем согласии с результатами эксперимента.

5. Диаграмма направленности изготовленного облучателя антенны стабильна в рабочем диапазоне частот и спадает до уровня –10 дБ на краю зеркала. Величина кросс-поляризации в дальней зоне менее –15 дБ.

6. Рассчитанные параметры АС, состоящей из облучателя и зеркала, следующие: коэффициент усиления при средней частоте 2,2 ГГц 37,1 дБи (ширина ДН , КИП ), уровень боковых лепестков менее –30 дБ.

 

Литература

[1]  T. A. Milligan, Modern Antenna Design, New Jersey: John Wiley & Sons, 2005.

[2]  C. A. Balanis, Modern Antenna Handbook, John Wiley & Sons, 2008.

[3]  Г. З. Айзенберг, О. И. Ямпольский и О. Н. Терёшин, Антенны УКВ, М.: Связь, 1977.

[4]  Д. М. Сазонов, Антенны и устройства СВЧ, М.: Высшая школа, 1988, p. 434.

[5]  С. Е. Банков и др., "Многопроводные квадрифилярные антенны", Журнал радиоэлектроники: электронный журнал. 2010. №9. URL: http://jre.cplire.ru/jre/sep10/1/text.pdf

[6]  M. Franco, "A High-Performance Dual-Mode Feed Horn for Parabolic Reflectors with a Stepped-Septum Polarizer in a Circular Waveguide [Antenna Designer's Notebook]," IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol. 53, no. 3, pp. 142-146, 2011.

[7]  D. Davis, O. Digiondomenico and J. Kempic, "A new type of circularly polarized antenna element," Antennas and Propagation Society International Symposium, vol. 5, pp. 26-33, 1967.

[8]  M. Chen and G. Tsandoulas, "A wide-band square-waveguide array polarizer," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 21, no. 3, pp. 389-391, 1973.

[9]  R. Behe and P. Brachat, "Compact duplexer-polarizer with semicircular waveguide [antenna feed]," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 39, no. 8, pp. 1222-1224, 1991.

[10]  D. Dmitriev, "Stepped Dual Mode Horn with improved septum for 23cm band," 2007. [электронный ресурс]. URL: http://www.ok1dfc.com/eme/technic/septum/ra3aq.pdf.