Аналитико-численный метод конструктивного синтеза оптимальных поляризаторов на основе трех диафрагм в квадратном волноводе

Автор(и)

  • Федор Федорович Дубровка Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт им. Игоря Сикорского", Україна https://orcid.org/0000-0002-3485-6822
  • Андрій Васильович Булашенко Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського", Україна https://orcid.org/0000-0002-4987-4978
  • Александр Михайлович Куприй Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт им. Игоря Сикорского", Україна
  • Степан Иванович Пильтяй Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт им. Игоря Сикорского", Україна https://orcid.org/0000-0002-6927-8663

DOI:

https://doi.org/10.20535/S002134702104004X

Ключові слова:

волноводный поляризатор, квадратный волновод, корректирующая диафрагма, эквивалентная схема, индуктивная проводимость диафрагмы, емкостная проводимость диафрагмы, матрица рассеяния, матрица передачи, дифференциальный фазовый сдвиг, коэффициент стоячей волны по напряжению, коэффициент эллиптичности, кроссполяризационная развязка

Анотація

В статье предложен приближенный аналитико-численный метод конструктивного синтеза оптимальных волноводных поляризаторов на основе трех диафрагм в квадратном волноводе. Математическая модель поляризатора разработана на основе волноводных матриц передачи и рассеяния. Найденные аналитические выражения для элементов матрицы рассеяния использованы для определения электрических характеристик поляризатора. Условия синтеза сформулированы в виде системы уравнений, решение которой должно обеспечивать в заданной полосе частот минимальное отклонение дифференциального фазового сдвига от 90°, максимально плоскую фазочастотную характеристику, и наилучшее согласование. Метод апробирован на конструктивном синтезе поляризаторов для трех рабочих диапазонов частот: 7,25–8,6, 7,75–8,5, 8,0–8,5 ГГц. Достоверность результатов конструктивного синтеза подтверждена данными расчетов характеристик синтезированных поляризаторов методом конечных элементов в частотной области с применением программы CST Microwave Studio. Получено удовлетворительное согласование электрических характеристик, рассчитанных обоими методами. Для рабочей полосы частот до 10% предложенный метод конструктивного синтеза обеспечивает достаточную для практики точность определения размеров поляризатора и соответствующие им электрические характеристики. Метод также может быть рекомендован для быстрого определения начальных значений размеров поляризатора, гарантирующих работу в области глобального оптимума, и тем самым радикально ускорить проектирование оптимальных поляризаторов на электродинамическом уровне. Кроме того, метод может быть обобщен на конструктивный синтез волноводных поляризаторов с большим количеством диафрагм.

Біографія автора

Андрій Васильович Булашенко, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського"

старший викладач кафедри теоретичних основ радіотехніки

Посилання

A. J. Simmons, “A compact broad-band microwave quarter-wave plate,” Proc. IRE, vol. 40, no. 9, pp. 1089–1090, 1952, doi: https://doi.org/10.1109/JRPROC.1952.273879.

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.

Ф. Ф. Дубровка, А. М. Куприй, “Синтез фазовращателей СВЧ на основе реактивных элементов в волноводе,” Известия вузов. Радиоэлектроника, vol. 25, no. 8, pp. 32–36, 1982, doi: https://doi.org/10.20535/S00213470198208007X.

F. Arndt, W. Tucholke, T. Wriedt, “Design of a wideband compact square waveguide polariser,” Electron. Lett., vol. 21, no. 12, pp. 517–518, 1985, doi: https://doi.org/10.1049/el:19850365.

R. Gruner, “Design procedure for a distributed reactance waveguide polarizer,” in 1985 Antennas and Propagation Society International Symposium, 1985, vol. 23, pp. 635–638, doi: https://doi.org/10.1109/APS.1985.1149405.

U. Tucholke, F. Arndt, T. Wriedt, “Field theory design of square waveguide iris polarizers,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 34, no. 1, pp. 156–160, 1986, doi: https://doi.org/10.1109/TMTT.1986.1133293.

B. M. Park, P. Ramunujam, F. Boldissar, C. Shin, “Sensitivity analysis of square waveguide iris polarizers,” in Proceedings of IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium and URSI National Radio Science Meeting, 1994, vol. 2, pp. 1058–1061, doi: https://doi.org/10.1109/APS.1994.407908.

Ф. Ф. Дубровка, П. Я. Степаненко, “Широкополосные секции дифференциального фазового сдвига на гофрированном квадратном волноводе,” Известия вузов. Радиоэлектроника, vol. 39, no. 2, pp. 3–10, 1996.

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.

G. Virone, R. Tascone, O. A. Peverini, R. Orta, “Optimum-iris-set concept for waveguide polarizers,” IEEE Microw. Wirel. Components Lett., vol. 17, no. 3, pp. 202–204, 2007, doi: https://doi.org/10.1109/LMWC.2006.890474.

G. Virone, R. Tascone, O. A. Peverini, G. Addamo, R. Orta, “Combined-phase-shift waveguide polarizer,” IEEE Microw. Wirel. Components Lett., vol. 18, no. 8, pp. 509–511, 2008, doi: https://doi.org/10.1109/LMWC.2008.2001005.

A. Kirilenko, D. Kulik, Y. Parkhomenko, L. Rud, V. Tkachenko, “Automatic electromagnetic solvers based on mode-matching, transverse resonance, and S-matrix techniques,” in 14th International Conference on Microwaves, Radar and Wireless Communications. MIKON - 2002. Conference Proceedings (IEEE Cat.No.02EX562), 2002, vol. 3, pp. 815–824, doi: https://doi.org/10.1109/MIKON.2002.1017964.

S. A. Prikolotin, S. A. Steshenko, D. Y. Kulik, L. A. Rud, A. A. Kirilenko, “Fast full 3D EM CAD of waveguide units based on the generalized mode matching technique,” in 2012 International Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory, 2012, pp. 109–112, doi: https://doi.org/10.1109/MMET.2012.6331291.

I. Agnihotri, S. K. Sharma, “Design of a compact 3-D metal printed Ka-band waveguide polarizer,” IEEE Antennas Wirel. Propag. Lett., vol. 18, no. 12, pp. 2726–2730, 2019, doi: https://doi.org/10.1109/LAWP.2019.2950312.

N. Zhang, Y.-L. Wang, J.-Z. Chen, B. Wu, G. Li, “Design of K/Ka-band diplex circular polarizer with high isolation,” in 2018 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT), 2018, pp. 1–3, doi: https://doi.org/10.1109/ICMMT.2018.8563363.

M. Zheng, J. Qi, “A low-cost high-performance dual-band diaphragm circular polarizer,” in 2020 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and North American Radio Science Meeting, 2020, pp. 1979–1980, doi: https://doi.org/10.1109/IEEECONF35879.2020.9329806.

F. Arndt et al., “Fast CAD and optimization of waveguide components and aperture antennas by hybrid MM/FE/MoM/FD methods—state-of-the-art and recent advances,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 52, no. 1, pp. 292–305, 2004, doi: https://doi.org/10.1109/TMTT.2003.820890.

W. Abdouni-Abdallah, M. S. Khan, A. Konstantinidis, “Design of a wideband multilayer meander-line polarizer (6 – 18 GHz) using a semi-analytical method,” in 2018 48th European Microwave Conference (EuMC), 2018, pp. 137–140, doi: https://doi.org/10.23919/EuMC.2018.8541675.

S. I. Piltyay, A. V. Bulashenko, I. V. Demchenko, “Waveguide iris polarizers for Ku-band satellite antenna feeds,” J. Nano- Electron. Phys., vol. 12, no. 5, pp. 05024-1-05024–5, 2020, doi: https://doi.org/10.21272/jnep.12(5).05024.

S. I. Piltyay, O. Y. Sushko, A. V. Bulashenko, I. V. Demchenko, “Compact Ku-band iris polarizers for satellite telecommunication systems,” Telecommun. Radio Eng., vol. 79, no. 19, pp. 1673–1690, 2020, doi: https://doi.org/10.1615/TelecomRadEng.v79.i19.10.

A. V. Bulashenko, S. I. Piltyay, I. V. Demchenko, “Wave matrix technique for waveguide iris polarizers simulation. Theory,” J. Nano- Electron. Phys., vol. 12, no. 6, pp. 06026-1-06026–5, 2020, doi: https://doi.org/10.21272/jnep.12(6).06026.

D. Blanco, R. Sauleau, “Broadband and broad-angle multilayer polarizer based on hybrid optimization algorithm for low-cost Ka-band applications,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 66, no. 4, pp. 1874–1881, 2018, doi: https://doi.org/10.1109/TAP.2018.2804618.

P. Naseri, J. R. Costa, S. A. Matos, C. A. Fernandes, S. V. Hum, “Equivalent circuit modeling to design a dual-band dual linear-to-circular polarizer surface,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 68, no. 7, pp. 5730–5735, 2020, doi: https://doi.org/10.1109/TAP.2020.2963949.

A. Bulashenko, S. Piltyay, Y. Kalinichenko, O. Bulashenko, “Mathematical modeling of iris-post sections for waveguide filters, phase shifters and polarizers,” in 2020 IEEE 2nd International Conference on Advanced Trends in Information Theory (ATIT), 2020, pp. 330–336, doi: https://doi.org/10.1109/ATIT50783.2020.9349321.

S. Piltyay, A. Bulashenko, H. Kushnir, O. Bulashenko, “New tunable iris-post square waveguide polarizers for satellite information systems,” in 2020 IEEE 2nd International Conference on Advanced Trends in Information Theory (ATIT), 2020, pp. 342–348, doi: https://doi.org/10.1109/ATIT50783.2020.9349357.

J. Helszajn, Microwave Polarizers, Power Dividers, Phase Shifters, Circulators, and Switches. Wiley, 2018, doi: https://doi.org/10.1002/9781119490104.

S. A. Maas, Practical Microwave Circuits. Norwood: Artech House, 2014, uri: https://us.artechhouse.com/Practical-Microwave-Circuits-P1659.aspx.

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.

R. Sorrentino, G. Bianchi, Microwave and RD Engineering. New Jersey: John Wiley & Sons, 2010, uri: https://www.wiley.com/en-us/Microwave+and+RF+Engineering-p-9780470660218.

N. Marcuvitz, Waveguide Handbook. Short Run Press Ltd., 1986.

R. E. Collin, Foundations for Microwave Engineering. Wiley-IEEE Press, 2001, uri: https://ieeexplore.ieee.org/book/5265446.

R. E. Collin, Field Theory of Guided Waves, 2nd ed. Wiley-IEEE Press, 1990, uri: https://www.wiley.com/en-us/Field+Theory+of+Guided+Waves%2C+2nd+Edition-p-9780879422370.

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.

Конструкция синтезированного поляризатора

##submission.downloads##

Опубліковано

2021-04-30

Як цитувати

Дубровка, Ф. Ф., Булашенко, А. В., Куприй, А. М., & Пильтяй, С. И. (2021). Аналитико-численный метод конструктивного синтеза оптимальных поляризаторов на основе трех диафрагм в квадратном волноводе. Вісті вищих учбових закладів. Радіоелектроніка, 64(4), 234–246. https://doi.org/10.20535/S002134702104004X

Номер

Том 64 № 4 (2021)

Розділ

Оригінальні статті

Ліцензія

Авторське право (c) 2021 Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника

Издатель журнала Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника (сокр. "Известия вузов. Радиоэлектроника"), Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", учитывает, что доступ автора к его статье является важным как для самого автора, так и для спонсоров его исследований. Мы представлены в базе издателей SHERPA/RoMEO как зеленый издатель (green publisher), что позволяет автору выполнять самоархивирование своей статьи. Однако важно, чтобы каждая из сторон четко понимала свои права. Просьба более детально ознакомиться с Политикой самоархивирования нашего журнала.

Политика оплаченного открытого доступа POA (paid open access), принятая в журнале, позволяет автору выполнить все необходимые требования по открытому доступу к своей статье, которые выдвигаются институтом, правительством или фондом при выделении финансирования. Просьба более детально ознакомиться с политикой оплаченного открытого доступа нашего журнала (см. отдельно).

Варианты доступа к статье:

1. Статья в открытом доступе POA (paid open access)

В этом случае права автора определяются лицензией CC BY (Creative Commons Attribution).

2. Статья с последующим доступом по подписке

В этом случае права автора определяются авторским договором, приведенным далее.

  • Автор (каждый соавтор) уступает Издателю журнала «Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника» НТУУ «КПИ» на срок действия авторского права эксклюзивные права на материалы статьи, в том числе право на публикацию данной статьи издательством Аллертон Пресс, США (Allerton Press) на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems». Передача авторского права охватывает исключительное право на воспроизведение и распространение статьи, включая оттиски, переводы, фото воспроизведения, микроформы, электронные формы (он- и оффлайн), или любые иные подобные формы воспроизведения, а также право издателя на сублицензирование третьим лицам по своему усмотрению без дополнительных консультаций с автором. При этом журнал придерживается Политики конфиденциальности.
  • Передача прав включает право на обработку формы представления материалов с помощью компьютерных программам и систем (баз данных) для их использования и воспроизводства, публикации и распространения в электронном формате и внедрения в системы поиска (базы данных).
  • Воспроизведение, размещение, передача или иное распространение или использование материалов, содержащихся в статье должно сопровождаться ссылкой на Журнал и упоминанием Издателя, а именно: название статьи, имя автора (соавторов), название журнала, номер тома, номер выпуска, копирайт авторов и издателя "© Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт"; © автор(ы)".
  • Автор (каждый соавтор) материалов сохраняет все права собственника материалов, включая патентные права на любые процессы, способы или методы и др., а также права на товарные знаки.
  • Издатель разрешает автору (каждому соавтору) материалов следующее:
  1. Право пользоваться печатными или электронными вариантами материалов статьи в форме и содержании, принятыми Издателем для публикации в Журнале. Подробнее см. политики Оплаченного открытого доступа, подписки и самоархивирования.
  2. Право бесплатно копировать или передавать коллегам копию напечатанной статьи целиком или частично для их личного или профессионального использования, для продвижения академических или научных исследований или для учебного процесса или других информационных целей, не связанных с коммерческими целями.
  3. Право использовать материалы из опубликованной статьи в написанной автором (соавторами) книге, монографии, учебнике, учебном пособии и других научных и научно-популярных изданиях.
  4. Право использовать отдельные рисунки или таблицы и отрывки текста из материалов в собственных целях обучения или для включения их в другую работу, которая печатается (в печатном или электронном формате) третьей стороной, или для представления в электронном формате во внутренние компьютерные сети или на внешние сайты автора (соавторов).
  • Автор (соавторы) соглашаются, что каждая копия материалов или любая ее часть, распространенная или размещенная ими в печатном или электронном формате, будет содержать указание на авторское право, предусмотренное в Журнале и полную ссылку на Журнал Издателя.
  • Автор (соавторы) гарантирует, что материалы являются оригинальной работой и представлены впервые на рассмотрение только в этом Журнале и ранее не публиковались. Если материалы написаны совместно с соавторами, автор гарантирует, что проинформировал их относительно условий публикации материалов и получил их подписи или письменное разрешение подписываться от их имени.
  • Если в материалы включаются отрывки из работ или имеются указания на работы, которые охраняются авторским правом и принадлежат третьей стороне, то автору необходимо получить разрешение владельца авторских прав на использование таких материалов в первом случае и сделать ссылку на первоисточник во втором.
  • Автор гарантирует, что материалы не содержат клеветнических высказываний и не посягают на права (включая без ограничений авторское право, права на патент или торговую марку) других лиц и не содержат материалы или инструкции, которые могут причинить вред или ущерб третьим лицам. Автор (каждый соавтор) гарантирует, что их публикация не приведет к разглашению секретных или конфиденциальных сведений (включая государственную тайну). Подтверждением этого является Экспертное заключение (см. перечень документов в Правила для авторов).
  • Издатель обязуется опубликовать материалы в случае получения статьей положительного решения редколлегии о публикации на основании внешнего рецензирования (см. Политика рецензирования).
  • В случае публикации статьи на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems» (Издатель: Аллертон Пресс, США, распространитель Springer) автору (соавторам) выплачивается гонорар после выхода последнего номера журнала года, в котором опубликована данная статья.
  • Документ Согласие на публикацию, который подают русскоязычные авторы при подаче статьи в редакцию, является краткой формой данного договора, в котором изложены все ключевые моменты настоящего договора и наличие которого подтверждает согласие автора (соавторов) с ним. Аналогичным документом для англоязычных авторов является Copyright Transfer Agreement (CTA), предоставляемый издательством Allerton Press.
  • Настоящий Договор вступает в силу в момент принятия статьи к публикации. Если материалы не принимаются к публикации или до публикации в журнале автор (авторы) отозвал работу, настоящий Договор не приобретает (теряет) силу.