Метод багатократних відбиттів у задачі конструктивного синтезу поляризаторів і фазозсувачів на основі трьох недисипативних неоднорідностей у хвилеводі

Федір Федорович Дубровка; Андрій Васильович Булашенко

doi:10.20535/S0021347022110036

Автор(и)

Федір Федорович Дубровка Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського", Київ, Україна http://orcid.org/0000-0002-3485-6822
Андрій Васильович Булашенко Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського", Київ, Україна https://orcid.org/0000-0002-4987-4978

DOI:

https://doi.org/10.20535/S0021347022110036

Ключові слова:

хвилевідний поляризатор, поляризатор на основі діафрагм, поляризатор на основі штирів, матриця розсіювання, диференціальний фазовий зсув, вносимий фазовий зсув, коефіцієнт передачі, коефіцієнт відбиття, фазо-частотна характеристика, амплітудно-частотна характеристика

Анотація

У статті наведено результати розробки аналітичного методу конструктивного синтезу хвилевідних поляризаторів і фазозсувачів на основі трьох недисипативних неоднорідних елементів. Аналітичний синтез таких пристроїв здійснено на основі розв’язку задачі поширення електромагнітних хвиль у відрізку хвилевода з трьома недисипативними неоднорідностями методом багатократних відбиттів в однохвильовому наближенні. Запропонований підхід дозволив отримати ясне фізичне обґрунтування математичного формулювання умов аналітичного синтезу поляризаторів і фазозсувачів на основі трьох недисипативних неоднорідностей у хвилеводі. В результаті отримано прості формули, які визначають параметри фазозсувних елементів та електричну відстань між ними, при яких відсутні відбиття та забезпечується потрібний фазовий зсув. Конструктивний синтез поляризатора здійснений з умов рівності необхідних та реальних провідностей реактивних елементів у хвилеводі та їх похідних на центральній частоті робочого діапазону частот. В результаті визначено оптимальні геометричні розміри конструкції пристрою. Показано, що поляризатор на основі трьох штирів у квадратному хвилеводі може забезпечити робочу смугу частот 10% при відбитті електромагнітної енергії менше 1% і диференціальному фазовому зсуві Δφ = 90° ± 1°, та робочу смугу частот до 18% при допустимому відбитті 10% енергії і диференціальному фазовому зсуві Δφ = 90° ± 2°. Теоретичні результати підтверджено високоточним електродинамічним моделюванням та експериментально на виготовленому експериментальному зразку оригінального керованого поляризатора Х-діапазону з максимально плоскою фазо-частотною характеристикою на основі трьох симетричних металевих штирів, що вводяться у круглий хвилевід. Розроблений аналітичний метод конструктивного синтезу хвилеводних поляризаторів на основі трьох неоднорідностей призначений як для самостійного використання, так і для отримання початкових значень розмірів поляризаційного пристрою з метою кардинального пришвидшення пошуку глобального екстремуму в процесі багатопараметричної оптимізації при високоточному конструктивному синтезі такого пристрою на електродинамічному рівні з урахуванням вищих типів хвиль та взаємодії між неоднорідностями на вищих типах хвиль.

Посилання

S. Piltyay, A. Bulashenko, V. Shuliak, “Development and optimization of microwave guide polarizers using equivalent network method,” J. Electromagn. Waves Appl., vol. 36, no. 5, pp. 682–705, 2022, doi: https://doi.org/10.1080/09205071.2021.1980913.
A. J. Simmons, “Phase shift by periodic loading of waveguide and its application to broad-band circular polarization,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 3, no. 6, pp. 18–21, 1955, doi: https://doi.org/10.1109/TMTT.1955.1124986.
E. E. Altshuler, “A periodic structure of cylindrical posts in a rectangular waveguide,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 9, no. 5, pp. 398–402, 1961, doi: https://doi.org/10.1109/TMTT.1961.1125360.
T. A. Abele, “Inductive post arrays in rectangular waveguide,” Bell Syst. Tech. J., vol. 57, no. 3, pp. 577–594, 1978, doi: https://doi.org/10.1002/j.1538-7305.1978.tb00596.x.
M. Navarro-Tapia, J. Esteban, J. E. Varela, C. Camacho-Penalosa, “Simulation and measurement of the S-parameters of obstacles in periodic waveguides,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 60, no. 4, pp. 1146–1155, 2012, doi: https://doi.org/10.1109/TMTT.2012.2185944.
L. P. Mospan, S. A. Prikolotin, A. A. Kirilenko, “Rectangular waveguide section with a pair of antipodal posts: Spectral characteristics,” in 2015 International Conference on Antenna Theory and Techniques (ICATT), 2015, pp. 1–3, doi: https://doi.org/10.1109/ICATT.2015.7136867.
F. Q. Pereira, A. R. Perez, P. V. Castejon, A. A. Melcon, “Integral equation analysis of capacitive waveguide circuits,” in 2016 IEEE International Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory (MMET), 2016, pp. 71–76, doi: https://doi.org/10.1109/MMET.2016.7544094.
B. Subbarao, V. F. Fusco, “Differential phase polarizer used for RCS control,” in IEEE Antennas and Propagation Society Symposium, 2004., 2004, pp. 4256-4259 Vol.4, doi: https://doi.org/10.1109/APS.2004.1330291.
G. Virone, R. Tascone, M. Baralis, O. A. Peverini, A. Olivieri, R. Orta, “A novel design tool for waveguide polarizers,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 53, no. 3, pp. 888–894, 2005, doi: https://doi.org/10.1109/TMTT.2004.842491.
A. V. Bulashenko, S. I. Piltyay, I. V. Demchenko, “Wave matrix technique for waveguide iris polarizers simulation. Numerical results,” J. Nano- Electron. Phys., vol. 13, no. 5, pp. 05023-1-05023–6, 2021, doi: https://doi.org/10.21272/jnep.13(5).05023.
S. Piltyay, A. Bulashenko, V. Shuliak, O. Bulashenko, “Electromagnetic simulation of new tunable guide polarizers with diaphragms and pins,” Adv. Electromagn., vol. 10, no. 3, pp. 24–30, 2021, doi: https://doi.org/10.7716/aem.v10i3.1737.
Ф. Ф. Дубровка, А. В. Булашенко, А. М. Куприй, С. И. Пильтяй, “Аналитико-численный метод конструктивного синтеза оптимальных поляризаторов на основе трех диафрагм в квадратном волноводе,” Известия вузов. Радиоэлектроника, vol. 64, no. 4, pp. 234–246, 2021, doi: https://doi.org/10.20535/S002134702104004X.
Ф. Ф. Дубровка, А. В. Булашенко, “Аналітичний метод конструктивного синтезу компактних поляризаторів з максимально плоскою фазочастотною характеристикою на основі двох реактивних елементів у квадратному хвилеводі,” Известия вузов. Радиоэлектроника, vol. 65, no. 12, pp. 731–751, 2022, doi: https://doi.org/10.20535/S0021347022090035.
Ф. Ф. Дубровка, Я. Е. Роспопа, “Распространение электромагнитных волн в линиях передачи, нагруженных тремя неоднородностями,” Вест. Киев. политехн. ин-та. Радиотехника, no. 22, pp. 13–17, 1985.
В. И. Вольман, Ю. В. Пименов, Техническая Электродинамика. Москва: Связь, 1971.
М. Абрамовиц, И. Стиган, Eds., Справочник По Специальным Функциям с Формулами, Графиками и Математическими Таблицами. Москва: Наука, 1979.
J. Helszajn, Microwave Polarizers, Power Dividers, Phase Shifters, Circulators, and Switches. Wiley, 2018, doi: https://doi.org/10.1002/9781119490104.
N. Marcuvitz, Waveguide Handbook. Short Run Press Ltd., 1986.
D. M. Pozar, Microwave Engineering, 4th ed. New Jersey: Wiley and Sons, 2011, uri: https://www.wiley.com/en-us/Microwave+Engineering%2C+4th+Edition-p-9780470631553.
В. А. Паниц, Ф. Ф. Дубровка, “Устройство управления поляризацией,” Авторское свидетельсво № 1501196, 1987.
W. L. Stutzman, Polarization in Electromagnetic Systems, 2nd ed. Artech House, 2018, uri: https://us.artechhouse.com/Polarization-in-Electromagnetic-Systems-Second-Edition-P1945.aspx.
R. E. Collin, Foundations for Microwave Engineering. Wiley-IEEE Press, 2001, uri: https://ieeexplore.ieee.org/book/5265446.