Метод еквівалентних мікрохвильових кіл для розробки хвилеводних поляризаторів із діафрагмами
DOI:
https://doi.org/10.20535/RADAP.2020.83.17-28Ключові слова:
поляризатор, хвилевідний поляризатор, поляризатор з діафрагмами, матриця розсіювання, матриця передачі, диференційний фазовий зсув, коефіцієнт стійної хвилі за напругою, коефіцієнт еліптичності, крос поляризаційна розв’язкаАнотація
Збільшення обсягів інформації, що передаються в сучасних супутникових телекомунікаційних системах, вимагає розробки нових технологій обробки сигналів, мікрохвильових пристроїв, антенних систем та методів їх аналізу. Зокрема, для цієї мети широко використовуються поляризаційно-адаптивні антени. Такі антени забезпечують можливість передачі та прийому радіосигналів з поляризацією будь-якого типу. Прилади для обробки поляризації в антенних системах повинні забезпечувати низький рівень коефіцієнта стійних хвиль за напругою для хвиль горизонтальної та вертикальної лінійних поляризацій та високий рівень кросполяризаційної розв’язки одночасно. Тому виникає необхідність вдосконалення конструкцій та методів аналізу сучасних пристроїв поляризаційної обробки. Поляризатори на основі квадратних хвилеводів з діафрагмами широко використовуються завдяки простоті їх конструкції та виготовлення за допомогою фрезерної технології. У статті розглядається нова математична модель хвилеводних поляризаторів з реактивними діафрагмами. Для прикладу застосування моделі ми моделювали та оптимізували поляризатор на основі квадратного хвилеводу з чотирма діафрагмами. Математична модель цього хвилеводного поляризатора була розроблена на основі опису мікрохвильових пристроїв та їх елементів за допомогою матриць розсіювання та передачі. Загальна матриця розсіювання поляризатора отримана аналітично. Основні електромагнітні характеристики поляризатора визначалися на основі елементів цієї матриці. У результаті ми проаналізували основні характеристики моделі, включаючи диференційний фазовий зсув, коефіцієнт стійної хвилі за напругою для вертикальної та горизонтальної поляризації, коефіцієнт еліптичності та кросполяризаційну розв’язку. Оптимізація характеристик поляризатора проведена за допомогою розробленої математичної моделі та програмного забезпечення на основі методу скінчених елементів. Оптимальні характеристики та геометричні розміри структури добре узгоджуються, що підтверджує правильність розробленої математичної моделі поляризаторів на основі квадратного хвилеводу із діафрагмами.Посилання
Virone G., Tascone R., Peverini O. A., Addamo G. and Orta R. (2008) Combined phase shift waveguide polarizer. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Vol. 18, No. 8., pp. 509-511. DOI: 10.1109/LMWC.2008.2001005.
Ruiz-Cruz J. A., Fahmi M. M., Fouladi S. A., Mansour R. R. (2011) Waveguide antenna feeders with integrated reconfigurable dual circular polarization. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol.59, No. 12., pp. 3365-3374. DOI: 10.1109/TMTT.2011.2170581.
Hwang S.-M., Kim J.-M. and Lee K.-H. (2012) Study on design parameters of waveguide polarizer for satellite communication, IEEE Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation, pp. 153-154. DOI: 10.1109/APCAP.2012.6333202.
Chung M.-H., Je D.-H. and Han S.-T. (2014) Development of a 85-115 GHz 90-deg phase shifter using corrugated square waveguide, European Microwave Conference, pp. 1146-1149. DOI: 10.1109/EuMC.2014.6986643.
Dubrovka F. F., Piltyay S. I. (2017) Novel high performance coherent dual-wideband orthomode transducer for coaxial horn feeds. 2017 XI IEEE International Conference on Antenna Theory and Techniques (ICATT), pp. 277-280. DOI: 10.1109/ICATT.2017.7972642.
Pollak A. W. and Jones M. E. (2018) A compact quad-ridge orthogonal mode transducer with wide operational bandwidth, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 17, No. 3., pp. 422–425. DOI: 10.1109/LAWP.2018.2793465.
Agnihotri I. and Sharma S. K. (2019) Design of a compact 3D metal printed Ka-band waveguide polarizer, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 18, No. 12, pp. 2726-2730. DOI: 10.1109/LAWP.2019.2950312.
Tribak A., Mediavilla A., Cano J. L., Boussouis M. and Cepero K. Ultra-broadband low axial ratio corrugated quad-ridge polarizer, European Microwave Conference, pp. 73-76. DOI: 10.23919/EUMC.2009.5295927.
Mediavilla A., Cano J.L. and Cepero K. Quasi-octave bandwidth phase matched K/Ka antenna feed subsystem for dual RHCP/LHCP polarization, 42nd European Microwave Conference, 29-31 Oct. 2012, Amsterdam,Netherlands, pp. 1099-1102. DOI: 10.23919/EUMC.2012.6459338.
Eleftheriades G.V., Omar A.S., Katehi L.P.B. and Rebeiz G.M. (1994) Some important properties of waveguide junction generalized scattering matrices in the context of the mode matching technique, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 42, No.10., pp. 1896–1903. DOI: 10.1109/22.320771.
Rong Yu. and Zaki K.A. (2000) Characteristics of generalized rectangular and circular ridge waveguides, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., Vol. 48, No 2, pp. 258–265. DOI: 10.1109/22.821772.
Yu S. Y. and Bornemann J. (2009) Classical eigenvalue mode-spectrum analysis of multiple-ridged rectangular and circular waveguides for the design of narrowband waveguide components, International Journal of Numerical Modelling, Vol. 22, pp. 395–410. DOI: 10.1002/JNM.716.
Piltyay S.I. and F.F. Dubrovka (2013) Eigenmodes analysis of sectoral coaxial ridged waveguides by transverse field-matching technique. Part 1. Theory, Visnyk NTUU KPI Seriia – Radioteknika Radioaparatobuduvannia, Vol. 54., pp. 13-23. DOI: 10.20535/RADAP.2013.54.13-23.
Dubrovka F.F. and S.I. Piltyay (2013) Eigenmodes analysis of sectoral coaxial ridged waveguides by transverse field-matching technique. Part 2. Results, Visnyk NTUU KPI Seriia – Radioteknika Radioaparatobuduvannia, Vol. 55., pp. 13-23. DOI: 10.20535/RADAP.2013.55.13-23.
Sun W. and Balanis C.A. (1993) MFIE analysis and design of ridged waveguides, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., Vol. 41, No. 11, pp. 1965–1971. DOI: 10.1109/22.273423.
Sun W. and Balanis C.A. (1994) Analysis and design of quadruple-ridged waveguides, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., Vol. 42, No. 12, pp. 2201–2207. DOI: 10.1109/22.339743.
Serebryannikov A. E., Vasylchenko O. E., Schunemann K. (2004) Fast coupled-integral-equations-based analysis of azimuthally corrugated cavities, IEEE Microwave Wireless Comp. Lett., Vol. 14, No. 5, pp. 240–242. DOI: 10.1109/LMWC.2004.827833.
Amari S., Catreux S., Vahldieck R. and Bornemann J. (1998) Analysis of ridged circular waveguides by the coupled-integral-equations technique, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., Vol. 46, No. 5., pp. 479–493. DOI: 10.1109/22.668645.
Piltyay S.I. (2012) Numerically effective basis functions in integral equation technique for sectoral coaxial ridged waveguides, 14-th International Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory, 28-30 Aug. 2012, Kyiv, Ukraine, pp. 492–495. DOI: 10.1109/MMET.2012.6331195.
Zakharchenko О.S., Martynyk S.Ye. and P.Ya. Stepanenko (2018) Generalized mathematical model of thin asymmetric inductive diaphragm in rectangular waveguide [Uzahalnena matematychna model tonkoi nesemetrychnoi induktyvnoi diafrahmy u priamokutnomu khvylevodi], Visnyk NTUU KPI Seriia – Radioteknika Radioaparatobuduvannia, Vol. 72., pp. 13-22. (in Ukrainian). DOI: 10.20535/RADAP.2018.72.13-22.
Amari S., Bornemann J., Vahldieck R. (1996) Application of a coupled-integral-equations technique to ridged waveguides, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., Vol. 44, No. 12, pp. 2256–2264. DOI: 10.1109/22.556454.
Dubrovka F.F. and Kupria O.M. (1982) Synthesis of microwave phase shifters based on reactive elements in a waveguide [Sintez fazovrashchatelei SVCh na osnove reaktivnykh elementov v volnovode], Radio Electronics, Vol. 25, No. 8, pp. 32–36. (in Russian). DOI: 10.20535/S00213470198208007X.
Leviatan Y., Li P.G., Adams A.T. and Perini J. (1983) Single-post inductive obstacle in rectangular waveguide, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 31, No.10, pp. 806–812. DOI: 10.1109/TMTT.1983.1131610.
Zheng S.Y., Chan W.S. and Man K.F. (2010) Broadband phase shifter using loaded transmission line, IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Vol. 20, No.9, pp. 498–500. DOI: 10.1109/LMWC.2010.2050868.
Tascone R., Savi P., Trinchenko D. and Orta R. (2000) Scattering matrix approach for the design of microwave filter, IEEE Transactions on Microwave Theory and Technique, Vol. 48, No.3., pp. 423–430. DOI: 10.1109/22.826842.
Amari S. (2000) Synthesis of cross-coupled resonator filters using an analytical gradient-based optimization technique, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 48, no. 9, pp. 1559–1564. DOI: 10.1109/22.869008.
Naydenko V., Piltyay S. (2008) Evolution of radiopulses radiated by Hertz’s dipole in vacuum, XII IEEE International Conference on Mathematical in Electromagnetic Theory, 1-2 July 2008, Odesa, Ukraine, pp. 294–297. DOI: 10.1109/MMET.2008.4580972.
Tikhov Y. (2016) Comparison of two kinds of Ka-band circular polarisers for use in a gyro-travelling wave amplifier, IET Microwaves Antennas and Propagation, Vol. 10, no. 2., pp. 147-151. DOI: 10.1049/IET-MAP.2015.0292.
Nikolic N., Weily, A. Kekic I., Smith S.L. and Smart K.W. (2018) A septum polarizer with integrated square to circular tapered waveguide transition, IEEE International Symposium on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting, 8-13 July 2018, Boston, pp. 725-726. DOI: 10.1109/APUSNCURSINRSM.2018.8608909.
Piltyay S.I. (2014) Enhanced C-band coaxial ortomode transducer,Visnyk NTUU KPI Seriia – Radioteknika Radioaparatobuduvannia, Vol. 57, pp. 35–42. DOI: 10.20535/RADAP.2014.57.35-42.
Jacobs O. B., Odendaal J.W. and . Joubert J. (2011) Elliptically shaped quad-ridge horn antennas as feed for a reflector, IEEE Antennas Wireless Propagat. Lett., Vol. 10, pp. 756–759. DOI: 10.1109/LAWP.2011.2163050.
Polemi A., Maci S. and Kildal P.-S. (2011) Dispersion characteristics of a metamaterial-based parallel-plate ridge gap waveguide realized by bed of nails, IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol. 59, No. 3, pp. 904–913. DOI: 10.1109/TAP.2010.2103006.
Dubrovka F.F. and Piltyay S.I. (2013) A novel wideband coaxial polarizer, IX IEEE International Conference on Antenna Theory and Techniques, 16-20 Sept. 2013, Odessa, Ukraine, pp. 473-474. DOI: 10.1109/ICATT.2013.6650816.
Piltyay S.I. (2014) Enhanced C-band coaxial ortomode transducer, Visnyk NTUU KPI Seriia – Radioteknika Radioaparatobuduvannia, IX IEEE International Conference on Antenna Theory and Techniques, 24-24 May 2017, Kyiv, Ukraine, pp. 284-287. DOI: 10.1109/ICATT.2017.7972644.
Agnihotri I. and Sharma, S.K. (2019) Design of a compact 3D metal printed Ka-band waveguide polarizer, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 18, no. 12, pp. 2726-2730. DOI: 10.1109/LAWP.2019.2950312.
Dubrovka F.F., Piltyay S.I., Dubrovka R.R., Lytvyn M.M. and Lytvyn S.M. Optimum septum polarizer design for various fractional bandwidths, Radioelectron. Commun. Syst., Vol. 63, No. 1, pp. 15–23. DOI: 10.3103/S0735272720010021.
Deutschmann B. and Jacob A.F. (2020) Broadband septum polarizer with triangular common port, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 68, No. 2, pp. 693-700. DOI: 10.1109/TMTT.2019.2951138.
Mishra G., Sharma S.K. and Chieh J.-C. (2019) A circular polarized feed horn with inbuilt polarizer for offset reflector antenna for W-band CubeSat applications, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 67, No. 3, pp. 1904-1909. DOI: 10.1109/TAP.2018.2886704.
Piltyay S.I. (2014) Enhanced C-band coaxial ortomode transducer, Visnyk NTUU KPI Seriia – Radioteknika Radioaparatobuduvannia, Vol. 58, pp. 27–34. DOI: 10.20535/RADAP.2014.58.27-34.
Piltyay S.I., Bulashenko A.V. and Demchenko I.V. (2020) Waveguide iris polarizers for Ku-band satellite antenna feeds,Journal of Nano- and Electronic Physics, Vol. 12, No. 5, pp. 05024-1-05024-5. DOI: 10.21272/jnep.12(5).05024.
Piltyay S.I., Sushko O.Yu., Bulashenko A.V. and Demchenko I.V. (2020) Compact Ku-band iris polarizers for satellite telecommunication systems, Telecommunications and Radio Engineering, Vol. 79, No. 19, pp. 1673-1690. DOI: 10.1615/TelecomRadEng.v79i19.10.
Luo N., Yu X., Mishra G. and Sharma S.K. (2020) A millimeter-wave (V-band) dual-circular-polarized horn antenna based on an inbuilt monogroove polarizer, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 19, No. 11, pp. 1933–1937. DOI:10.1109/LAWP.2020.3015745.
Dubrovka F., Piltyay S., Sushko O., Dubrovka R., Lytvyn M. and Lytvyn S. (2020) Compact X-band stepped-thickness septum polarizer, IEEE Ukrainian Microwave Week, 21-25 Sep. 2020, Kharkiv, Ukraine, pp. 135–138. DOI: 10.1109/UkrMW49653.2020.9252583.
Dubrovka F., Martunyuk S., Dubrovka R., Lytvyn M., Lytvyn S., Ovsianyk Yu., Piltyay S., Sushko O., Zakharchenko O. (2020) Circularly polarised X-band H11- and H21-modes antenna feed for monopulse autotracking ground station, IEEE Ukrainian Microwave Week, 21-25 Sep. 2020, Kharkiv, Ukraine, pp. 196–202. DOI: 10.1109/UkrMW49653.2020.9252600.
Kirilenko A.A., Steshenko S.O., Derkach V.N. and Ostryzhnyi Y.M. (2019) A tunable compact polarizer in a circular waveguide, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 67, No. 2, pp. 592–596. DOI: 10.1109/TMTT.2018.2881089.
Kirilenko A., Steshenko S. and Ostryzhnyi Y. (2020) Topology of a planar-chiral iris as a factor in controlling the “optical activity” of a bilayer object, IEEE Ukrainian Microwave Week, 21-25 Sep. 2020, Kharkiv, Ukraine, pp. 135–138. DOI: 10.1109/UkrMW49653.2020.9252669.
Piltyay S.I., Bulashenko A.V. and Demchenko I.V. (2020) Compact polarizers for satellite information systems, IEEE International Conference on Problems of Infocommunications. Science and Technology (PIC S&T), 8-10 Oct. 2020, Kharkiv, Ukraine,pp. 350–355.
Al-Amoodi K., Mirzavand R., Honari M.M., Melezer J., Elliott D.G. and Mousavi P. (2020) A compact substrate integrated waveguide notched-septum polarizer for 5G mobile devices, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 19, No. 12, pp. 2517–2521. DOI: 10.1109/LAWP.2020.3038404.
Bulashenko A.V., Piltay S.I. and Demchenko I.V. (2020) Analytical technique for iris polarizers development, IEEE International Conference on Problems of Infocommunications. Science and Technology (PIC S&T), 8-10 Oct. 2020, Kharkiv, Ukraine, pp. 464–469.
Bulashenko A.V., Piltay S.I. and Demchenko I.V. (2020) Optimization of a polarizer based on a square waveguide with irises [Optymizacija poljaryzatora na osnovi kvadratnogo hvylevodu z diafragmamy], Science-based Technologies, vol. 47, no.3, pp. 287–297. (in Ukrainian). DOI:10.18372/2310-5461.47.14878.
Kolmakova N., Perov A., Derkach V. and Kirilenko A. (2016) Polarization plane rotation by arbitrary angle using D4 symmetrical structures, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 64, No. 2, pp. 429–435. DOI: 10.1109/TMTT.2016.2509966.
Сhong W.S., Gan S.X., Lai C.K., Chong W.Y., Choi D., Madden S. and Ahmad H. (2020) Configurable TE- and TM-pass grapheme oxide-coated waveguide polarizer, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 32, No. 11, pp. 627–630. DOI: 10.1109/LPT.2020.2988591.
Zafar H., Odeh M., Khilo A. and Dahlem M.S. (2020) Low-loss broadband silicon TM-pass polarizer based on periodically structured waveguides, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 32, No. 17, pp. 1029–1032. DOI: 10.1109/LPT.2020.3011056.
Gao S., Luo Q. and Zhu F. Circularly polarized Antennas Theory and Design. – John Wiley and Sons, Chichester, 2014, 322p.
Maas S.A. Practical microwave circuits. – Artech House, Norwood, 2014, 352p.
Collin R.E. Foundations for microwave engineering. – John Wiley and Sons, New Jersey, 2001, 945p.
Milligan T.A. Modern Antenna Design. – John Wiley and Sons, New Jersey, 2005, 945p.
Stutzman W.L. Polarization in electromagnetic systems., Artech House, Norwood, 2018, 256p.
Hwang S. and Ahn B.-C. (2007) New design method for a dual band waveguide iris polarizer, IEEE International symposium on Microwave, Antenna, Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications, 16-17 Aug. 2007, Hangzhou, China, pp. 435–438. DOI: 10.1109/MAPE.2007.4393644.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2020 Андрій Васильович Булашенко
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у нашому журналі.
2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована нашим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у нашому журналі.
3. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення рукопису роботи авторами в мережі Інтернет (наприклад, на arXiv.org або на особистих веб-сайтах). Причому рукописи статей можуть бути розміщенні у відкритих архівах як до подання рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання. Це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії, позитивно позначається на оперативності ознайомлення наукової спільноти з результатами Ваших досліджень і як наслідок на динаміці цитування вже опублікованої у журналі роботи. Детальніше про це: The Effect of Open Access.
