29.6. Поляризационные устройства
Для увеличения объема передаваемой информации в спутниковых системах связи и вещания при передаче сигналов обычно используют электромагнитные поля с круговой поляризацией вектора Е, причем одновременно применяют как волны с левым вращением вектора Е, так и с правым. В этом случае общий тракт, по которому распространяются волны с обоими направлениями вращения вектора Е, строится, как правило, на круглом волноводе с волной H11 и содержит ряд устройств для управления поляризацией этой волны. Одним из базовых элементов поляризационных устройств является поляризатор - устройство для поворота плоскости поляризации линейно поляризованного вектора Е волны H11 в круглом волноводе или для преобразования в круглом волноводе волны H11 с линейной поляризацией вектора Е в волну H11 , у которой на оси волновода вектор Е имеет круговую поляризацию. и обратно. Конструкция поляризатора состоит из отрезка круглого волновода, в котором находится тонкая диэлектрическая пластина с согласующими скосами (рис.29.34). Пусть по волноводу распространяется волна H11 с линейной поляризацией вектора E1 , направление которого на оси волновода совпадает с осью X, указанной на рис.29.34, а нормаль к поверхности пластины составляет угол θ с осью X.
Рис.29.34.
Конструкция поляризатора
Рис.29.35. π/2-поляризатор
Р ис.29.36. Π-поляризатор
Представим распространяющуюся волну в виде двух волн H11 , у одной из которых вектор напряженности электрического поля Е1п на оси волновода перпендикулярен плоскости пластины, а у другой E1t- параллелен ей (рис.29.34). Как известно, эффективная диэлектрическая проницаемость εrэф в волноводе с диэлектрической пластиной зависит от поляризации вектора Е распространяющейся волны. Для волны H11 с вектором Е в центре волновода, совпадающим с E1n значение εrэф ≈1. т.е. ее фазовая скорость равна скорости волны H11 в волноводе с воздушным заполнением. Для волны H11 с вектором Е в центре волновода, совпадающим с E1t , значение εrэф >1, т.е. ее фазовая скорость будет меньше скорости волны H11 в волноводе с воздушным заполнением. Следовательно, на выходе поляризатора фазы векторов Е1n и E1t будут отличаться на Δφ. При этом в общем случае вектор Е суммарной волны на выходе поляризатора (Е = Е1n+Е1t) будет иметь эллиптическую поляризацию. Отметим, что величина Δφ зависит от εr диэлектрика и от толщины и длины пластины.
Пусть θ=π/4 и Δφ=π/4. Такое устройство называют π/2-поляризатором. Если на его вход поступает волна Н11, вектор Е которой на оси волновода линейно поляризован и параллелен оси X (рис.29.34) или оси У (рис.29.35), то на выходе поляризатора будет волна Н11 вектор Е которой на оси волновода имеет левую или правую соответственно круговую поляризацию. Аналогично если на вход π/2-поляризатора поступает волна Н11, вектор Е которой на оси волновода имеет левую или правую круговую поляризацию, то на выходе будет волна Н11, вектор Е которой на оси волновода будет параллелен оси X (рис.29.34) или оси У (см. рис.29.35) соответственно.
Пусть Δφ =π. Такое устройство называют π-поляризатором. Если на вход π-поляризатора поступает волна Н11 вектор Е1 которой на оси волновода линейно поляризован и параллелен оси X (рис.29.36), то на выходе поляризатора будет волна Н11 , вектор Е1вых которой на оси волновода будет повернут относительно вектора E1 на угол 2θ по часовой стрелке, если смотреть вдоль направления распространения волны. Поворачивая диэлектрическую пластину вокруг оси волновода, т.е. изменяя угол θ от 0 до π/2, можно поворачивать плоскость поляризации волны Н11 на выходе на угол от 0 до π по отношению к плоскости поляризации волны на входе.
Существуют и иные конструкции поляризаторов, в которых вместо диэлектрической пластины используются металлические.
Для разделения линейно поляризованных волн с ортогональными поляризациями используют поляризационные разделительные фильтры. На рис.29.37 показана конструкция поляризационного фильтра, состоящая из отрезка круглого волновода, в котором помещена тонкая металлическая пластина.
Рис.29.37. Конструкция поляризационного фильтра
При подаче на вход такого отрезка линейно поляризованной волны Н11 , у которой вектор Е1 на оси волновода направлен вдоль оси X, наблюдается весьма малое отражение волны от пластины из-за ее незначительной толщины, и волна в пренебрежении тепловыми потерями полностью проходит на выход отрезка. Если же на вход отрезка поступает волна Н11 с вектором Е2, направленным на оси волновода вдоль оси Y, то для нее образуются два предельных полукруглых волновода в месте расположения металлической пластины, и при достаточной длине пластины такая волна в пренебрежении тепловыми потерями будет полностью отражаться от входа фильтра.
На рис.29.38 показана конструкция поляризационного разделительного фильтра. Фильтр разделяет сигналы, переносимые по волноводу волнами Н11 , векторы Е1 и Е2 которых на оси волновода взаимно перпендикулярны.