РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 49, № 1, с. 104-111
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ
УДК 621.396.67:621.371
О ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ РАЗВЯЗКЕ ВЫХОДОВ В ПРЕЦИЗИОННЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-КОММУТАЦИОННЫХ РАДИОПОЛЯРИМЕТРАХ СВЧ И КВЧ ДИАПАЗОНОВ
© 2004 г. А. В. Хохлов, В. В. Черваков
Поступила в редакцию 08.04.2002 г.
Исследована зависимость поляризационной развязки выходов радиополяриметра с полупроводниковыми СВЧ-выключателями в турникетном разделителе поляризаций от параметров СВЧ-вы-ключателей. Разработан способ компенсации фазовых сдвигов и получены соотношения для расчета развязок выходов. Эффективность расчета иллюстрируется на разделителях поляризации с серийно выпускаемыми р-г-я-выключателями.
ВВЕДЕНИЕ
Дифференциально-коммутационный метод поляризационного анализа структуры электромагнитных волн сверхвысоких и крайне высоких частот [1-4], разработанный в Саратовском университете в конце 80-х годов, существенно расширил круг задач, решаемых методами радиополяриме-трии. Квазиодновременное измерение четырех независимых параметров излучения вместо одного (интенсивности) оказалось необычайно богатым по количеству снимаемой информации. Дифференциальные измерения малых сигналов, отвечающих за поляризацию, в присутствии гораздо большего сигнала, соответствующего неполяри-зованной части волны, позволили получить уникальные результаты при исследовании слабо поляризованного (степень поляризации меньше 1%) радиоизлучения природных объектов [5-7].
Основным элементом радиополяриметра является турникетный разделитель поляризаций -сочленение турникетного соединения волноводов, круглый волновод которого служит входом, а два противолежащих прямоугольных волновода - выходами, и двух СВЧ-шлейфов с периодически изменяемой длиной. Электрические длины шлейфов отличаются на Л/4, где Л - длина волны в прямоугольном волноводе, изменяются с помощью СВЧ-выключателей с р-г-я-диодами [8] и составляют нечетное число Л/8 (например, 5Л/8 и 7Л/8) при разложении волны на поляризованные по кругу составляющие (коэффициенты отражения шлейфов равны +/ и -/) или нечетное и четное число Л/4 при разложении на линейно поляризованные составляющие (коэффициенты отражения шлейфов +1 и -1).
Если СВЧ-выключатели обладают нулевым ослаблением сигнала в режиме пропускания и бесконечно большим в режиме непропускания, то поляризационная развязка выходов, т.е. степень
просачивания на выходы разделителя поляризаций излучения с ортогональной поляризацией [9], равна нулю (стремится к при измерении в дБ), когда коэффициент отражения в выходных плечах а вдвое меньше коэффициента отражения во входном (круглом) волноводе в, и, как показано в [10], может достигать - 50 и даже - 60 дБ при реальных значениях а и р. При использовании серийных СВЧ-выключателей коэффициенты отражения шлейфов становятся комплексными, а поляризационная развязка выходов (и точность поляризационных измерений) ухудшается.
В данной работе впервые построена волновая матрица рассеяния турникетного разделителя поляризаций с серийными СВЧ-выключателями, аналитически исследована зависимость его поляризационных характеристик от параметров СВЧ-вы-ключателей и обоснована экспериментальная методика получения экстремальной поляризационной развязки выходов.
1. МАТРИЦА РАССЕЯНИЯ ТУРНИКЕТНОГО РАЗДЕЛИТЕЛЯ ПОЛЯРИЗАЦИЙ
Симметричное турникетное соединение волноводов имеет пять плеч и шесть портов, а его волновая матрица рассеяния [9, 11] имеет вид
р 0 £ -£ 0 0 0 р 0 0 £ —£ £ 0 а 5 у у - £ 0 5 а у у 0 £ у у а 5 0 -£ у у 5 а
8 =
где а, (3 , у, 5, £ - комплексные элементы волновой матрицы рассеяния.
Управляемые СВЧ-шлейфы превращают симметричное турникетное соединение волноводов в турникетный разделитель поляризаций - многополюсник (рис. 1), в два плеча которого (прямоугольные волноводы 5 и 6) включены нагрузки с
коэффициентами отражения Г5 и Г б. Его матрица рассеяния с учетом влияния несогласованных нагрузок [12] принимает вид:
S' =
где
а = £2(Г5 + Гб) -2Г5Гб£2(2а- ß), b = £у (Г5- ГГб),
c = у2 (Г5 + Гб) -2 ß У2 №,
d = 1- а (Г5 + Гб) + ß Г5 ГГб( 2 ex- ß).
Выбирая плоскости отсчета волн так, чтобы коэффициенты отражения во входном и выходных волноводах разделителя поляризаций были
мнимыми а = ja, ß = jß, получим вследствие унитарности матрицы рассеяния вещественные значения для коэффициентов £ и у [9]:
ß 0 £ -£ 0 ßx + ax/dx bx/ dx bx/ dx £ b/dl а + C/d 5 + С/d -£ b/d 5 + C/d а + C/d
2
|£| = £ = V( 1- ß2)/2,
= у = V( 1- (2а - ß)2)/4.
Если удовлетворить условию |а| = р/2, то у = 1/2, и матрица рассеяния разделителя поляризаций упрощается:
S' =
где
ßl 0 £l -£l
0 ß + аd*/d2 bd*/d2 bd*/d2 £ bd*/d2 a + Cd*/d2 5 + Cd*/d2 -£ bd*/d2 5 + Cd*/d2 a + Cd*/d2
ad* = £ [(r5cosф5 + ^cosфб) + + j ((Г5 sin Ф5 + ^sin фб ) +
Ьй* = 2 [(Г5 008 ф5-ГбС08 фб) + + 2 а^Гбап (фб- ф5) + +] (аГ2 - аГ;2 + Г5 8ш ф5 - Гб81п фб) ]
ей* = [(Г5С08 ф5 + ГбС08 фб ) +
+ 2 РГ5 Гб81п (ф5 + фб ) + + 2 арГ5 Гб (Г5 С08 фб + ГбС08 ф5 ) + + ](Г581пф5 + Гб81пфб - 2РГ5ГбС08(ф5 + фб) +
+ аГ2 + агб + 2а^Гб^(ф5 - фб) +
+ 2арГ5Гб(Г5 81пфб - Г58Шф5))] й2 = 1 + 2 а(Г58т ф5 + Гб81п фб) + + а2(Г2 + Г2 + 2Г5ГбС08(ф5 - фб)).
Поляризационные развязки выходов определяются как отношение мощностей волн в выходных плечах разделителя поляризаций, когда на его вход поступает линейно поляризованная или поляризованная по кругу волна.
Поля в выходных плечах 3 и 4 образуются при
сложении волн, поступающих со входов 1 и 2: Е3 =
= 531 Ех + ^32 Еу , Е4 = ^41 Ех + ^42 Еу = — £31 Ех +
+ 5З2 Еу, так как 531 = —541, 532 = 542, а мощности выходных сигналов имеют вид:
(1)
Р3 = (531 Ех + 532 Еу)(531 Ех + 532 Еу )*.
Р4 = (531 Ех + 532 Еу)(531 Ех + 532 Еу )*.
Мощность линейно поляризованной волны, для которой Ех = Еу, должна полностью поступать в третье плечо и отсутствовать в четвертом плече.
Если же Ех = — Еу, то напротив, мощность волны должна полностью поступать в четвертое плечо и отсутствовать в третьем плече. Поляризационная развязка выходов (например, третьего плеча отно-
СВЧ-шлейф СВЧ-шлейф
Р- -n 4 1 6 Р- -n
2
1 ¥5 5 3 ¥б Д¥б
+ а(Г5 + Гб + 2Г5^cos(ф5 - фб))]
Рис. 1.
сительно четвертого) для линейно поляризованного излучения В™ (в децибеллах) равна:
плин Л/Л1
В3 = ЮТй
( 531 + 532 )( 531 + 532 )*
(2)
Ц 531 — 532 )( 531 — 532 )*-
Аналогично для поляризационной развязки чет
т^лин
вертого плеча относительно третьего В4 имеем
( 531 — 532 )( 531 — 532 )*
лин
В4 = 101ё
-( 531 + 532 )( 531 + 532 )*-
(3)
В случае воздействия на вход правосторонне (левосторонне) поляризованной по кругу волны
Ёх = ±/Еу и поляризационные развязки выходов принимают вид:
вкр = 101ё
в? = 101ё
( 53 1 ± /532 ) ( 531 ± ]532 )* -( 531 — /532 )( 531 + /532 ) *-
( 53 1 — - 532 ) ( 531 + ] 532 ) * -(531 ± ]532)(531 ± ]532)*-
(4)
(5)
Учитывая идентичность выражений, будем рассматривать только поляризационные развязки третьего плеча относительно четвертого.
Подставляя в (2)-(5) из (1) коэффициенты матрицы рассеяния, имеем
лин
Вл = 10^
= 101ё
(£ + Ьй*/ й 2 ) ( £ + (Ь й* ) */й 2 ) " .(£ - Ьй*1 й2)(£ - (Ьй*)*/й2)-
£ 2й4 + Ъ2 й 2 + 2 £ й2 Ие ( Ь й*) * ■ -£2/ + Ь2й2 - 2£й2Ие(Ьй*)*J
(6)
вкр =
101ё
= 101ё
(£ + /Ь й*/й 2 )( £ + ( /Ъ й * )*/й 2 )" Ц £ - /Ь й*/й 2 )( £ - (/Ъй* ) */й 2 ) .
"£2у4 + Ь2й2 + 2£ У2 Ие ( ]Ъй *) *" -£ 2 й4 + Ъ2 й 2 - 2 £ /Ие (/Ьй* ) *J
(7)
учетом различия электрических длин шлейфов на п/2 удовлетворяют соотношению
Гб = -Г5 = Г,
а поляризационные развязки выходов принимают вид
лин
В3 = 10^
вкр = 101ё
1 - 2 Г со 8 ф + Г -1 + 2 Г со8 ф + Г2-
1 + 2 Г 8ш ф + Г2 -1 - 2 Г 8Ш ф + Г2
(8)
(9)
Итак, получены аналитические выражения для поляризационных развязок выходов турникетного разделителя поляризаций при произвольных коэффициентах отражения СВЧ-шлейфов. Как следует из (6) и (7), в общем случае турникетное соединение волноводов с СВЧ-шлейфами разлагает входную волну одновременно в двух ортогональных базисах, линейном и круговом и не позволяет разложить входную волну только в линейном или только в круговом базисе. Анализ (6) и (7) затруднителен и малоэффективен. Поэтому рассмотрим два частных случая.
1. Пусть СВЧ-шлейфы полностью идентичны друг другу. Тогда их коэффициенты отражения с
Согласно (8) и (9), поляризационные развязки выходов достигают максимума для линейно поляризованных составляющих при ф = п + 2яп (коэффициенты отражения СВЧ-шлейфов вещественны), а для поляризованных по кругу компонент при ф = п/2 + 2яп, где я - целое (коэффициенты отражения мнимые). Важно, что поляризационные развязки выходов в дополнительном для данного режима разложения базисе (т.е. в круговом базисе при разложении на линейно поляризованные составляющие, и наоборот) равны нулю, т.е. мощности сигналов, возникающих на выходах из-за разложения в дополнительном базисе одинаковы и при формировании поляризационных параметров дифференциальным методом полностью исключаются. Если коэффициенты отражения СВЧ-шлейфов не являются вещественными или мнимыми, то компенсации не происходит и возникают дополнительные погрешности измерений.
Итак, турникетное соединение волноводов с двумя СВЧ-шлейфами можно использовать в качестве разделителя поляризаций, если СВЧ-шлей-фы полностью идентичны, а их коэффициенты отражения вещественны при разложении волны в линейном базисе и мнимые при разложение в круговом базисе. Выходы разделителя поляризаций при использовании серийных СВЧ-выключателей в шлейфах оказываются взаимосвязанными, а поляризационные развязки выходов зависят от модулей коэффициентов отражения шлейфов. Однако подобрать два одинаковых СВЧ-выключателя практически невозможно, а развязка выходов для реальных значений |Г| невелика. Как показывает расчет (рис. 2), поляризационную развязку выходов на уровне -40 дБ при разложении в линейном (1) и круговом (1') базисах удается, получить в узком интервале углов лишь при |Г| > 0.98, а на уровнях -30 дБ (2 и 2') и -20 дБ (3 и 3') при |Г| > 0.93 и |Г| > 0.85 соответственно.
2. Пусть коэффициенты отражения СВЧ-шлейфов вещественные или мнимые, но их модули и фазы различаются.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.