Wave Matrix Technique for Waveguide Iris Polarizers Simulation. Numerical Results

Abstract

Сьогодні одним з перспективних та ефективних напрямків сучасних телекомунікаційних технологій є створення антенних систем із адаптивним обробленням поляризації сигналів. Такі антенні системи забезпечують необхідні характеристики телекомунікаційних систем різного призначення в умовах високого рівня шумів для однієї з поляризацій та впливу завад, обумовлених багатопроменевим поширенням. Ключовим елементом двополяризаційних антенних систем є пристрої перетворення та розділення поляризацій. Такі пристрої широко використовуються в системах радіоелектронного захисту літальних апаратів, радіолокаційних системах метрологічного призначення, системах оцінки стану посівів сільськогосподарських культур та ерозії ґрунтів, системах розпізнавання та супроводу літальних апаратів, супутникових інформаційних системах. В статті представлено результати чисельного аналізу поляризаційних характеристик та узгодження поляризатора на основі квадратного хвилеводу із трьома діафрагмами. Математичну модель поляризатора отримано за допомогою методу хвильових матриць. За допомогою цього методу було визначено характеристики розробленого поляризатора та виконано оптимізацію його характеристик у робочому Х-діапазоні частот 7,25-7,75 ГГц, який застосовують у радіолініях зв’язку супутникових комунікаційних систем. Представлений метод дозволяє дослідити еволюцію характеристик поляризатора при зміні його розмірів, таких як висоти діафрагм та відстані між ними. Результати цього аналізу було використано для оцінки початкових квазі-оптимальних розмірів поляризатора з метою одночасного забезпечення заданого узгодження та малого відхилення диференційного фазового зсуву від 90º у всьому робочому діапазоні частот. Початкові розміри було використано для подальшої оптимізації конструкції поляризатора за допомогою методу скінченного інтегрування. Отримані чисельним методом електромагнітні характеристики оптимізованого хвилеводного поляризатора із діафрагмами продемонстрували задовільне узгодження з тими ж характеристиками, отриманими за допомогою розробленого аналітичного методу в усьому робочому X-діапазоні частот 7,25-7,75 ГГц.

Nowadays, one of the progressive and effective directions of modern wireless telecommunication technologies is the creation of antenna systems with adaptive processing of signal polarization. Such antenna systems provide the required characteristics of telecommunication systems for various purposes under the conditions of high noises for one of polarizations and influence of interferences caused by multipath propagation. The key elements of dual-polarization antenna systems are the devices of polarization transformation and separation. These devices are widely used in systems for electronic protection of aircrafts, radar systems for metrological purposes, systems for estimation of the state of crops and soil erosion, systems for the recognition and tracking of aircrafts, satellite information systems. This article presents the results of numerical analysis of polarization and matching characteristics of a polarizer based on a square waveguide with three irises. The mathematical model of a polarizer is based on the wave matrix technique. Using this technique, the characteristics of the developed polarizer were determined and optimized in the operating X-band 7.25-7.75 GHz, which is used in downlink satellite communication systems. The presented technique allows to study the evolution of the characteristics of polarizers with different dimensions, such as the heights of the irises and the distances between them. The results of this analysis were used to estimate the initial quasi-optimal dimensions of the polarizer to achieve simultaneously the specified matching and small deviations of the differential phase shift from 90° in the whole operating frequency band. The initial dimensions were used for further optimization of the polarizer design by the finite integration technique. Obtained numerically electromagnetic characteristics of the optimized waveguide iris polarizer showed satisfactory agreement with the same characteristics obtained using the developed analytical technique in the whole operating X-band 7.25-7.75 GHz.