13.6. Поляризационные устройства

Для увеличения объема передаваемой информации в спут­никовых системах связи и вещания при передаче сигналов обычно используют электромагнитные поля с круговой поляризацией вектора Е, причем одновременно применяют как волны с левым вращением вектора Е, так и с правым. В этом случае общий тракт, по которому распространяются волны с обоими направлениями вращения вектора Е, строится, как правило, на круглом волноводе с волной Н₁₁ и содержит ряд устройств для управления поля­ризацией этой волны. Одним из базовых элементов поляриза­ционных устройств является поляризатор-устройство для пово­рота плоскости поляризации линейно поляризованного вектора Е волны Н₁₁ в круглом волноводе или для преобразования в круглом волноводе волны Н₁₁ с линейной поляризацией вектора Е в волну Н₁₁, У которой на оси волновода вектор Е имеет круговую по­ляризацию, и обратно. Конструкция поляризатора состоит из от­резка круглого волновода, в котором находится тонкая диэле­ктрическая пластина с согласующими скосами (рис.13.41). Пусть по волноводу распространяется волна Н₁₁ с линейной поляризацией вектора Е_1, направление которого на оси волновода совпадает с осью X, указанной на рис.13.41, а нормаль к поверхности пластины

составляет угол θ с осьюХ. Представим распространяющуюся волну в виде двух волн Н₁₁, У одной из которых вектор напря­женности электрического поля Е_1n на оси волновода перпен­дикулярен плоскости пластины, а у другой Е_1t-параллелен ей (рис. 13.41). Как известно [48], эффективная диэлектрическая про­ницаемость ε_rЭф в волноводе с диэлектрической пластиной зависит от поляризации вектора Е распространяющейся волны. Для волны Н₁₁ с вектором Е в центре волновода, совпадающим с Е_1n, зна­чение ε_rЭф ≈1, т.е. ее фазовая скорость равна скорости волны Н₁₁ в волноводе с воздушным заполнением. Для волны Н₁₁ с вектором Е в центре волновода, совпадающим с Е_1t, значение ε_rЭф >1, т.е. ее фазовая скорость будет меньше скорости волны Н₁₁ в волноводе с воздушным заполнением. Следовательно, на выходе поляри­затора фазы векторов Е_1n и Е_1t будут отличаться на ∆φ. При этом в общем случае вектор Е суммарной волны на выходе поляризатора (E = E_1n+E_1t,) будет иметь эллиптическую поляризацию. Отметим, что величина ∆φ зависит от ε_r диэлектрика и от толщины и длины пластины [52].

Пусть θ = π/4 и ∆φ =π/4. Такое устройство называют π/2-поля-ризатором. Если на его вход поступает волна Н₁₁, вектор Е которой на оси волновода линейно поляризован и параллелен оси X (рис. 13.41) или оси Y(рис. 13.42), то на выходе поляризатора будет волна Ни, вектор Е которой на оси волновода имеет левую или правую соответственно круговую поляризацию (см. 6.2). Ана­логично если на вход π/2-поляризатора поступает волна Ни, вектор Е которой на оси волновода имеет левую или правую круговую поляризацию, то на выходе будет волна Н₁₁, вектор Е которой на оси волновода будет параллелен оси Х(рис.13.41) или оси Y (см. рис. 13.42) соответственно.

Пусть ∆φ = π. Такое устройство называют π-поляризатором. Если на вход π-поляризатора поступает волна Ни, вектор Н₁₁ которой на оси волновода линейно поляризован и параллелен оси Х(рис.13.43), то на выходе поляризатора будет волна Н₁₁, вектор E_1вых которой на оси волновода будет повернут относительно вектора Е₁ на угол 2θ по часовой стрелке, если смотреть вдоль

направления распространения волны .Поворачивая диэлектрическую пластину вокруг оси волновода, т.е. изменяя угол θ от 0 до π/2 можно поворачивать плоскость поляризацик волны Н₁₁ на выходе на угол от 0 до π по отношению к плоскости поляризации волны не входе.

Существуют и иные конструкции поляри­заторов, в которых вместо диэлектрической пластины используются металлические [52]. Для разделения линейно поляризованных волн с ортого­нальными поляризациями используют поляризационные раздели­тельные фильтры. На рис. 13.44 показана конструкция поляри­зационного фильтра, состоящая из отрезка круглого волновода, в котором помещена тонкая металлическая пластина. При подаче на вход такого отрезка линейно поляризованной, волны Н₁₁, у которой вектор Е, на оси волновода направлен вдоль оси X, наблюдается весьма малое отражение волны от пластины из-за ее незна­чительной толщины, и волна в пренебрежении тепловыми поте­рями полностью проходит на выход отрезка. Если же на вход отрезка поступает волна Н₁₁ с вектором Е₂, направленным на оси волновода вдоль оси Y, то для нее образуются два предельных полукруглых волновода, в месте расположения металлической пластины, и при достаточной длине пластины такая волна в пре­небрежении тепловыми потерями будет полностью отражаться от входа фильтра.

На рис. 13.45 показана конструкция поляризационного разде­лительного фильтра. Фильтр разделяет сигналы, переносимые по волноводу волнами Н₁₁, векторы E ₁и Е₂ которых на оси волновода взаимно перпендикулярны. Фильтр состоит из Т-тройника, обра­зованного отрезками круглого и прямоугольного волноводов (см. рис. 13.30) и поляризационного фильтра (рис. 13.44). Волна Н₁₁ с линейно поляризованным вектором Е₁ проходит из плеча 1 в плечо 3, практически не отражаясь и не ответвляясь в плечо 2 (см. 13.4.2). Поскольку поляризованный фильтр полностью отра­жает волну Н₁₁ с линейно поляризованным вектором Е₂, то для этой волны устройство является трансформатором волны Н₁₁ круглого волновода в волну Н₁₀ прямоугольного и наоборот. Под­бором расстояния от металлической пластины поляризационного фильтра до места разветвления волноводов обеспечивают полную передачу мощности этой волны из плеча 1 в плечо 2. Устройство (рис. 13.45) можно использовать и для сложения в плече 1 двух сигналов, одновременно подаваемых в плечо 2 (в виде волны Н₁₀) и в плечо 3 (в виде волны Н₁₁ с линейно поляризованным вектором Е₁).

Если в плечо 1 конструкции (рис. 13.45) поместить π/2-поля-ризатор (см. рис. 13.42), то образуется устройство, обеспечиваю­щее разделение сигналов, переносимых по круглому волноводу волнами H₁₁ векторы Е которых имеют круговую поляризацию и разное направление вращения.