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.

Посилання

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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.
  7. 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.
  8. 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.
  9. 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.
  10. 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.
  11. 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.
  12. 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.
  13. 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.
  14. 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.
  15. 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.
  16. 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.
  17. 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.
  18. 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.
  19. 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.
  20. 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.
  21. 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.
  22. 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.
  23. 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.
  24. 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.
  25. 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.
  26. J. Helszajn, Microwave Polarizers, Power Dividers, Phase Shifters, Circulators, and Switches. Wiley, 2018, doi: https://doi.org/10.1002/9781119490104.
  27. S. A. Maas, Practical Microwave Circuits. Norwood: Artech House, 2014, uri: https://us.artechhouse.com/Practical-Microwave-Circuits-P1659.aspx.
  28. 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.
  29. 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.
  30. N. Marcuvitz, Waveguide Handbook. Short Run Press Ltd., 1986.
  31. R. E. Collin, Foundations for Microwave Engineering. Wiley-IEEE Press, 2001, uri: https://ieeexplore.ieee.org/book/5265446.
  32. 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.
  33. 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