4. 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.98). Пусть по волноводу распространяется волна Н₁₁ с линейной поляризацией вектора E₁ направление которого на оси волновода совпадает с осью X, указанной на рис.98, а нормаль к поверхности пластины

Рис.98

Рис.99

Рис.100

составляет угол 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. Эффективная диэлектрическая проницаемость 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 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 E_1t значение >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 E_1t будут отличаться на . При этом в общем случае вектор Е суммарной волны на выходе поляризатора {Е= Е_1n + E_1t) будет иметь эллиптическую поляризацию. Отметим, что величина зависит от диэлектрика и от толщины и длины пластины.

Пусть = /4 и = /4. Такое устройство называют /2-поляризатором. Если на его вход поступает волна Н₁₁, вектор Е которой на оси волновода линейно поляризован и параллелен оси X (рис.98) или оси Y (рис.99), то на выходе поляризатора будет волна Н₁₁, вектор Е которой на оси волновода имеет левую или правую соответственно круговую поляризацию. Аналогично если на вход /2-поляризатора поступает волна Н₁₁, 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 X или оси Y соответственно.

Пусть = . Такое устройство называют -поляризатором. Если на вход -поляризатора поступает волна Н₁₁, вектор E₁ которой на оси волновода линейно поляризован и параллелен оси X (рис.100), то на выходе поляризатора будет волна Н₁₁, вектор Евых которой на оси волновода будет повернут относительно вектора E₁ на угол 2 по часовой стрелке, если смотреть вдоль направления распространения волны.

Рис.101

Поворачивая диэлектрическую пластину вокруг оси волновода, т.е. изменяя угол от 0 до /2, можно поворачивать плоскость поляризации волны Н на выходе на угол от 0 до по отношению к плоскости поляризации волны на входе.

Существуют и иные конструкции поляризаторов, в которых вместо диэлектрической пластины используются металлические. Для разделения линейно поляризованных волн с ортогональными поляризациями используют поляризационные разделительные фильтры. На рис.101 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 E₁ 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.102 показана конструкция поляризационного разделительного фильтра. Фильтр разделяет сигналы, переносимые по волноводу волнами Н₁₁, векторы E₁ и Е₂ которых на оси волновода взаимно перпендикулярны. Фильтр состоит из Т-тройника, образованного отрезками круглого и прямоугольного волноводов и поляризационного фильтра. Волна Н₁₁ с линейно поляризованным вектором проходит из плеча 1 в плечо 3, практически не отражаясь и не ответвляясь в плечо 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.102) 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 E₁.

Рис.102