Wave Matrix Technique for Waveguide Iris Polarizers Simulation. Theory

Abstract

Сьогодні пристрої оброблення поляризації широко використовуються у супутникових інформаційних системах. Хвилеводні поляризатори є ключовим елементом антенних систем, що використовуються для перетворення поляризації сигналу із лінійної в колову та навпаки. Сигнали із коловою поляризацією мають багато значних переваг над сигналами з іншими видами поляризації. Таким чином, одночасне використання поляризаторів з іншими радіотехнічними пристроями обробки сигналів значно підвищує ефективність нових супутникових інформаційних і телекомунікаційних систем різного призначення, бездротових систем передачі даних, мобільних систем зв’язку, радіолокаційних систем та систем медичної діагностики. В статті розроблено новий матричний метод розрахунку параметрів та характеристик поляризатора на основі квадратного хвилеводу із трьома діафрагмами, які є індуктивними чи ємнісними залежно від поляризації хвилі. Використовуючи теорію мікрохвильових кіл, через хвильові матриці передачі та розсіювання елементів структури поляризатора було виведено аналітичні вирази для загальної хвильової матриці розсіювання. У результаті було отримано основні характеристики поляризатора: диференційний фазовий зсув, коефіцієнт стійної хвилі за напругою для вертикальної та горизонтальної поляризації, коефіцієнт еліптичності та кросполяризаційна розв’язка. Представлений метод дозволяє дослідити вплив розмірів поляризатора (а саме, висот діафрагм та відстаней між ними) на його основні характеристики. Отримана аналітична модель дозволяє теоретично знаходити оптимальні розміри, які забезпечують необхідні поляризаційні характеристики пристрою при найкращому узгодженні в робочому діапазоні частот. Крім цього, розроблений метод хвильових матриць може застосовуватися для подальшої оптимізації за допомогою спеціалізованих програм моделювання мікрохвильових пристроїв.

Today polarization-processing devices are widely used in satellite information systems. Waveguide polarizers are the key element of antenna systems used to convert signal polarization from linear to circular type and vice versa. The circularly polarized signals have many significant advantages over the signals with other types of polarization. Consequently, simultaneous application of polarizers with other radio signal processing devices highly increases the efficiency of new satellite information and telecommunication systems for various purposes, wireless data transmission systems, mobile communication systems, radar systems and medical diagnostic systems. In this article, we have developed a new matrix technique for the calculation of parameters and characteristics of a polarizer based on a square waveguide with three irises, which are inductive or capacitive loads depending on the wave’s polarization. Based on the theory of microwave circuits, the analytical expressions of the general wave scattering matrix were derived using the transmission and scattering wave matrices of elements of a polarizer structure. As a result, the main characteristics of the polarizer were obtained: differential phase shift, voltage standing wave ratio for vertical and horizontal polarizations, axial ratio and cross-polar discrimination. The presented method makes it possible to study the influence of the polarizer dimensions, such as the heights of the irises and the distances between them, on its main characteristics. Obtained analytical model makes it possible to find theoretically optimal sizes, which provide the required polarization characteristics of the device with the best matching in the operating frequency band. In addition, the developed wave matrix technique can be applied for further optimization using the specialized programs for microwave device simulation.