RU2647203C2

RU2647203C2 - Frequency-polarization selector

Info

Publication number: RU2647203C2
Application number: RU2016132916A
Authority: RU
Inventors: Юрий Валерьевич Крылов; Александр Сергеевич Першин; Анатолий Геннадьевич Романов; Игорь Юрьевич Данилов
Original assignee: Акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва"
Priority date: 2016-08-09
Filing date: 2016-08-09
Publication date: 2018-03-14
Also published as: RU2016132916A

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: frequency-polarization selector contains the first orthomode transducer, which is a cross-splitter, in arms of which capacitive low-pass filters are installed. The Q-band polarizer realized on a circular waveguide with a groove with two orthogonal outputs is installed at the output of the first orthomode converter. Filters are connected to the second orthomode converter by means of four n-shaped waveguide sections of equal length, one output of the second orthomode converter is short-circuited, a septum polarizer with two orthogonal outputs is connected to the second output through the transformer from circular to square section. In the first orthomode converter, at the node of the quadruple branching, multiple changes in the cross section of the circular waveguide are introduced, as well as the resonant diaphragm introduced into the region of transition to a waveguide of smaller diameter. In the arms of an orthomode converter, broadband low-pass capacitive filters with a variable diaphragm thickness are installed. In the Q-band, the polarizer is implemented on a circular waveguide with an adjustable groove.

EFFECT: possibility of implementing a wideband frequency-polarization selector in high frequency bands and Ka-and Q-band spaced apart by more than an octave.

2 cl, 6 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к области антенной техники, в частности к облучающим системам зеркальных антенн и к глобальным рупорным антеннам, в качестве устройства, выполняющего функцию частотного и поляризационного разделения принимаемых и передаваемых сигналов.The present invention relates to the field of antenna technology, in particular to irradiating systems of mirror antennas and to global horn antennas, as a device that performs the function of frequency and polarization separation of received and transmitted signals.

Известно ортомодовое разветвление волноводов в сборе со связанными фильтрами, которое используется в облучающих системах [Patent US 2013/0342282 A1, Filed: Aug. 23, 2013, Pub. Date: Dec. 26, 2013]. Ортомодовый разветвитель разделяет две ортогональные моды высокочастотного сигнала, возникающие в волноводе круглого сечения. В четырех плечах ортомодового преобразователя установлены режекторные фильтры для подавления спектра частот передачи. На выходе преобразователя устанавливается режекторный фильтр для подавления высокочастотного сигнала, далее он подключается к поляризатору, тем самым обеспечивая возможность передачи сигнала с круговой поляризацией в низкочастотном диапазоне. Режекторные фильтры, расположенные вдоль одной оси, попарно соединяются с двойными Т-мостами, на один выход которых устанавливаются нагрузки, а другие подключаются к третьему двойному Т-мосту. За счет введения неоднородностей в последний двойной Т-мост можно добиться разности фаз 90° между двумя сигналами двух ортогональных мод, тем самым получив на выходах сигнал высокочастотного рабочего диапазона с круговой поляризацией.Known orthomode branching of waveguides assembled with coupled filters, which is used in irradiating systems [Patent US 2013/0342282 A1, Filed: Aug. 23, 2013, Pub. Date: Dec. 26, 2013]. An orthomode splitter separates two orthogonal modes of a high-frequency signal arising in a circular waveguide. Notch filters are installed on the four arms of the orthomode converter to suppress the transmission frequency spectrum. A notch filter is installed at the converter output to suppress the high-frequency signal, then it is connected to the polarizer, thereby providing the possibility of transmitting a circularly polarized signal in the low-frequency range. Notch filters located along one axis are connected in pairs with double T-bridges, loads are installed at one output, and others are connected to the third double T-bridge. By introducing inhomogeneities into the last double T-bridge, a phase difference of 90 ° can be achieved between two signals of two orthogonal modes, thereby obtaining a high-frequency working range signal with circular polarization at the outputs.

Недостатками такого ортомодового разветвителя являются его увеличенные массогабаритные показатели, так как для обеспечения широкой рабочей полосы частот необходимо увеличивать размеры режекторных фильтров, потому что используемые резонансные структуры в данных фильтрах узкополосны. Существует необходимость в корректировке длин волноводных секций в местах их сочленений с двойными Т-мостами для обеспечения синфазности принятых сигналов. Кроме того, данная конструкция ортомодового разветвителя не обеспечивает разделения высокочастотных и низкочастотных составляющих сигнала более чем на октаву ввиду заявленных в патенте диапазонов рабочих частот.The disadvantages of such an orthomode splitter are its increased weight and size indicators, since in order to ensure a wide working frequency band, it is necessary to increase the size of the notch filters, because the resonant structures used in these filters are narrow-band. There is a need to adjust the length of the waveguide sections at their junctions with double T-bridges to ensure that the received signals are in phase. In addition, this design of the orthomode splitter does not provide separation of the high-frequency and low-frequency components of the signal by more than an octave due to the operating frequency ranges stated in the patent.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков является диплексер с независимо регулируемой двойной поляризацией [Patent US 3,731,236, Filed: Aug. 17, 1972, Pub. Date: May 1, 1973]. Диплексер содержит два ортомодовых преобразователя для разделения высокочастотного и низкочастотного диапазона частот, соединенных между собой посредством четырех секций прямоугольных волноводов. Для выделения высокочастотного рабочего диапазона на выходе первого ортомодового преобразователя устанавливается согласующий трансформатор. За счет введения на выходах ортомодовых преобразователей перестраиваемых поляризаторов с подключаемыми к ним селекторами с перпендикулярными выходами можно принимать/передавать два сигнала с ортогональными поляризациями в диапазонах частот 5,925÷6,425 ГГц и 3,7 до 4,2 ГГц.The closest set of essential features is a diplexer with independently adjustable double polarization [Patent US 3,731,236, Filed: Aug. 17, 1972, Pub. Date: May 1, 1973]. The diplexer contains two orthomode converters for separating the high-frequency and low-frequency frequency ranges, interconnected by four sections of rectangular waveguides. To highlight the high-frequency operating range, a matching transformer is installed at the output of the first orthomode converter. Due to the introduction of tunable polarizers at the outputs of the orthomode converters with selectors connected to them with perpendicular outputs, two signals with orthogonal polarizations can be received / transmitted in the frequency ranges 5.925 ÷ 6.425 GHz and 3.7 to 4.2 GHz.

Такое выполнение частотно-поляризационного селектора упрощает тракт, уменьшая количество узлов, необходимых для поляризационного и частотного разделения сигналов высокочастотного и низкочастотного диапазонов.This embodiment of the frequency-polarization selector simplifies the path by reducing the number of nodes needed for polarization and frequency separation of high-frequency and low-frequency signals.

Существенным недостатком данного селектора является невозможность его использования в высоких диапазонах частот. Это объясняется тем, что влияние высших мод на высоких частотах оказывает большее воздействие на распространение сигнала, чем на более низких частотах. Трансформатор, расположенный после ортомодового преобразователя, не обеспечит должного подавления высших мод, возникающих в сечении большего диаметра круглого волновода. Также данный селектор не обеспечивает разделения высокочастотных и низкочастотных составляющих сигнала, разнесенных более чем на октаву, ввиду неоптимальной конструкции ортомодового преобразователя и фильтров, которые не обладают соответствующей амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ).A significant drawback of this selector is the impossibility of its use in high frequency ranges. This is because the effect of higher modes at high frequencies has a greater effect on signal propagation than at lower frequencies. The transformer located after the orthomode converter will not provide adequate suppression of higher modes arising in the cross section of a larger diameter circular waveguide. Also, this selector does not provide separation of the high-frequency and low-frequency components of the signal, spaced by more than an octave, due to the non-optimal design of the orthomode converter and filters that do not have the corresponding amplitude-frequency characteristic (AFC).

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в повышении рабочих частот частотно-поляризационного селектора, а также в обеспечении разнесения частот приема и передачи более чем на октаву.The problem to which the claimed invention is directed, is to increase the operating frequencies of the frequency-polarization selector, as well as to ensure the separation of the frequencies of reception and transmission by more than an octave.

Решение данной задачи достигается за счет того, что в частотно-поляризационном селекторе применяется ортомодовый преобразователь, представляющий собой крестовой разветвитель, в плечах которого установлены емкостные фильтры нижних частот. На выходе первого ортомодового преобразователя установлен поляризатор Q-диапазона, реализованный на круглом волноводе с пазом и с двумя ортогональными выходами. Фильтры соединяются со вторым ортомодовым преобразователем посредством четырех п-образных волноводных секций равной длины. Один выход второго ортомодового преобразователя короткозамкнут, ко второму выходу через трансформатор с круглого на квадратное сечение присоединен септум-поляризатор с двумя ортогональными выходами. Согласно изобретению в первом ортомодовом преобразователе, в узле четырехкратного разветвления, внесены множественные изменения сечения круглого волновода, а также резонансная диафрагма, введенная в область перехода на волновод меньшего диаметра. Для разнесения частот приема и передачи более чем на октаву в плечах ортомодового преобразователя устанавливаются широкополосные емкостные фильтры нижних частот с переменной толщиной диафрагм. Для возможности технологической реализации разделения поляризационных составляющих сигнала в Q-диапазоне частот поляризатор реализован на круглом волноводе с регулируемым пазом.The solution to this problem is achieved due to the fact that in the frequency-polarizing selector an orthomode converter is used, which is a cross splitter, in the shoulders of which capacitive low-pass filters are installed. At the output of the first orthomode converter, a Q-band polarizer is installed, implemented on a circular waveguide with a groove and with two orthogonal outputs. The filters are connected to the second orthomode converter by means of four p-shaped waveguide sections of equal length. One output of the second orthomode converter is short-circuited; a septum polarizer with two orthogonal outputs is connected to the second output via a transformer from round to square section. According to the invention, in the first orthomode converter, in the four-fold branching unit, multiple changes are made to the cross section of the circular waveguide, as well as the resonant diaphragm introduced into the transition region to the smaller waveguide. To distribute the transmit and receive frequencies by more than an octave, broadband capacitive low-pass filters with variable diaphragm thickness are installed in the arms of the orthomode converter. To enable technological implementation of the separation of the polarization components of the signal in the Q-frequency range, the polarizer is implemented on a circular waveguide with an adjustable groove.

Техническим результатом изобретения является возможность реализации частотно-поляризационного селектора, основанного на последовательном соединении двух ортомодовых преобразователей, в высоких диапазонах частот и разнесенных между собой Ka - и Q-диапазонов частот более чем на октаву.The technical result of the invention is the possibility of implementing a frequency-polarization selector based on the serial connection of two ortho mode converters in high frequency ranges and Ka - and Q-frequency ranges spaced apart by more than an octave.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены:The invention is illustrated by drawings, which depict:

Фиг. 1 - электродинамическая модель частотно-поляризационного селектора;FIG. 1 - electrodynamic model of a frequency-polarization selector;

Фиг. 2 - ортомодовый преобразователь;FIG. 2 - orthomode converter;

Фиг. 3 - фильтр нижних частот;FIG. 3 - low pass filter;

Фиг. 4 - АЧХ фильтра нижних частот;FIG. 4 - frequency response of the low-pass filter;

Фиг. 5 - измеренный и расчетный коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) устройства;FIG. 5 - measured and calculated coefficient of the standing wave voltage (VSWR) of the device;

Фиг. 6 - график частотной зависимости измеренного и расчетного коэффициента эллиптичности (КЭ) устройства.FIG. 6 is a graph of the frequency dependence of the measured and calculated ellipticity coefficient (CE) of the device.

Частотно-поляризационный селектор, показанный на фиг. 1, включает ортомодовый преобразователь 1, представляющий собой крестовой разветвитель, в плечах которого установлены фильтры нижних частот 2. На выходе ортомодового преобразователя установлен поляризатор Q-диапазона 4, реализованный на круглом волноводе с пазом, и селектор с двумя ортогональными выходами 5. Фильтры 2 соединяются со вторым ортомодовым преобразователем 6 посредством четырех п-образных волноводных секций равной длины 3. Один выход преобразователя короткозамкнут, ко второму выходу через трансформатор с круглого на квадратное сечение присоединен септум-поляризатор 7. Поляризатор имеет два ортогональных выхода 8.The frequency polarization selector shown in FIG. 1 includes an orthomode converter 1, which is a cross splitter with low-pass filters installed on its shoulders 2. At the output of the orthomode converter, a Q-band polarizer 4 is installed, implemented on a circular waveguide with a groove, and a selector with two orthogonal outputs 5. Filters 2 are connected with the second orthomode converter 6 by means of four p-shaped waveguide sections of equal length 3. One output of the converter is short-circuited to the second output through a transformer from round to square the e-section is connected with a septum polarizer 7. The polarizer has two orthogonal outputs 8.

Устройство работает следующим образом. Для того чтобы частотно-поляризационный селектор был широкополосным, может быть использована схема разделения частот приема и передачи с помощью двух ортомодовых преобразователей. Первый ортомодовый преобразователь, показанный на фиг. 2, представляет собой волновод круглого сечения, к которому перпендикулярно его оси подключены четыре взаимно перпендикулярных фильтра нижних частот 11. Диаметр волновода круглого сечения 9 был выбран исходя из расчета распространения основной волны Н₁₁ в диапазоне частот передачи. Выход преобразователя 10 представляет собой переход на сечение меньшего диаметра для распространения основной волны Н₁₁ в диапазоне частот приема. Конструкция данного преобразователя выполнена таким образом, чтобы селекция ортогональных мод производилась на участке трансформации волноводов переменного сечения, тем самым обеспечивая лучшее согласование крестового сочленения в нижнем диапазоне частот. Для возможности обеспечения требуемых значений прямых и обратных потерь в высокочастотном диапазоне частот, разнесенном относительно низкочастотного более чем на октаву, необходимо подавить высшие моды, возникающие в волноводе большего диаметра. Множественные изменения сечения круглого волновода, а также резонансная диафрагма 12, введенная в область перехода на волновод меньшего диаметра, позволяют подавить паразитные составляющие высших мод, возникающие в круглом сечении волновода большего диаметра. Таким образом, сложное сечение волновода позволяет обеспечить требуемые значения прямых и обратных потерь в высокочастотном диапазоне частот, разнесенном относительно низкочастотного более чем на октаву. Фильтры, установленные в плечах ортомодового преобразователя, показаны на фиг. 3. Они представляют собой емкостные фильтры с переменной толщиной диафрагм, служащие для подавления высокочастотных составляющих спектра частот сигнала. На фиг. 4 изображена АЧХ данного фильтра, по которой видно, что в полосе пропускания 20÷22 ГГц обратные потери составили менее минус 20 дБ (КСВН≤1,2), а в полосе 43÷46 ГГц обеспечивается подавление на уровне менее минус 40 дБ. С помощью четырех взаимно перпендикулярных п-образных волноводов (фиг. 1) равной длины и второго ортомодового преобразователя, который выполняет функцию восстановления сигнала, выполняется условие синфазности и ортогональности двух мод, распространяемых в круглом волноводе. Для дальнейшей возможности передачи сигнала с круговой поляризацией ко второму преобразователю необходимо подключить септум-поляризатор. Для получения разности фаз 90° между ортогональными компонентами электромагнитной волны у такого поляризатора используется ступенчатая металлическая перегородка. К выходу переменного сечения первого преобразователя подключается поляризатор, реализованный на круглом волноводе с развернутым на 45° пазом. Оптимизируя геометрические размеры паза, можно добиться ортогональности мод с равной амплитудой и со сдвигом фаз 90°. Таким образом, с помощью данного поляризатора можно принять сигнал с круговой поляризацией. Также в данном поляризаторе предусмотрена регулировка глубины паза для возможности настройки требуемого коэффициента эллиптичности селектора. На фиг. 5 и фиг. 6 изображены измеренные и расчетные радиотехнические характеристики частотно-поляризационного селектора, по которым видно, что в диапазонах частот 20÷22 ГГц и 43÷46 ГГц КСВН не превышает 1.2 (обратные потери не более минус 20,8 дБ), а КЭ более 0,95, что обеспечивает значение кроссполяризационной развязки не менее 31,8 дБ и соответствует современным требованиям, предъявляемым к облучающим системам зеркальных антенн.The device operates as follows. In order for the frequency-polarization selector to be broadband, a circuit for separating the frequencies of reception and transmission using two ortho mode converters can be used. The first orthomode converter shown in FIG. 2 is a circular waveguide to which four mutually perpendicular low-pass filters are connected perpendicularly to its axis 11. The diameter of the circular cross-section 9 was chosen based on the calculation of the propagation of the main wave H ₁₁ in the transmission frequency range. The output of the transducer 10 is a transition to a smaller diameter cross section for the propagation of the main wave H ₁₁ in the reception frequency range. The design of this converter is made in such a way that the selection of orthogonal modes is carried out on the transformation section of waveguides of variable cross section, thereby providing better matching of the cross joint in the lower frequency range. In order to ensure the required values of direct and reverse losses in the high-frequency range of frequencies, separated from the low-frequency by more than an octave, it is necessary to suppress higher modes that arise in a waveguide of a larger diameter. Multiple changes in the cross section of a circular waveguide, as well as a resonant diaphragm 12 introduced into the region of transition to a smaller waveguide, allow suppressing spurious components of higher modes arising in a circular cross section of a larger waveguide. Thus, the complex cross section of the waveguide allows you to provide the required values of direct and reverse losses in the high-frequency range of frequencies, spaced relative to the low-frequency more than an octave. Filters mounted on the shoulders of the orthomode converter are shown in FIG. 3. They are capacitive filters with variable diaphragm thickness, which serve to suppress the high-frequency components of the signal frequency spectrum. In FIG. Figure 4 shows the frequency response of this filter, which shows that in the passband of 20 ÷ 22 GHz the return loss was less than minus 20 dB (VSWR ≤1.2), and in the band of 43 ÷ 46 GHz suppression is achieved at a level of less than minus 40 dB. Using four mutually perpendicular p-shaped waveguides (Fig. 1) of equal length and a second orthomode converter, which performs the function of reconstructing the signal, the condition of phase matching and orthogonality of the two modes propagated in a circular waveguide is fulfilled. For the further possibility of transmitting a circularly polarized signal, a septum polarizer must be connected to the second converter. To obtain a 90 ° phase difference between the orthogonal components of the electromagnetic wave, a step metal partition is used for such a polarizer. A polarizer realized on a circular waveguide with a groove swiveled by 45 ° is connected to the variable-section output of the first converter. By optimizing the geometric dimensions of the groove, it is possible to achieve orthogonality of modes with equal amplitude and phase shift of 90 °. Thus, using this polarizer, you can receive a signal with circular polarization. Also in this polarizer, it is possible to adjust the depth of the groove to be able to adjust the required selector ellipticity coefficient. In FIG. 5 and FIG. Figure 6 shows the measured and calculated radio-technical characteristics of the frequency-polarization selector, which shows that in the frequency ranges 20–22 GHz and 43–46 GHz, the VSWR does not exceed 1.2 (return loss is not more than minus 20.8 dB), and the CE is more than 0, 95, which ensures a cross-polarization isolation of at least 31.8 dB and meets modern requirements for irradiating systems of mirror antennas.

Claims

1. Frequency-polarization selector, characterized in that it includes a first orthomode converter, which is a cross coupler, in the shoulders of which capacitive low-pass filters are installed, at the output of the first orthomode converter, a Q-band polarizer is installed, which is implemented on a circular waveguide with a groove with two by orthogonal outputs, the filters are connected to the second orthomode converter by means of four p-shaped waveguide sections of equal length, one output of the second orthomode the converter is short-circuited, a septum polarizer with two orthogonal outputs is connected to the second output through the transformer from round to square section, characterized in that in the first orthomode converter, in the fourfold branching unit, multiple changes are made to the cross section of the circular waveguide, as well as the resonant diaphragm introduced into the transition area to the waveguide of smaller diameter, for the separation of the frequencies of reception and transmission of more than an octave in the shoulders of the orthomode converter are installed wide shines capacitive low pass filters with variable diaphragms thick.

2. The frequency-polarization selector according to claim 1, characterized in that in the Q-frequency range the polarizer is implemented on a circular waveguide with an adjustable groove.