ITRM930128A1 - Divisore variabile di potenza (vpd) con polarizzatore a setto. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

a corredo di una domanda di brevetto per invenzione industriale dal titolo

Divisore variabile di potenza (VPD) con polarizzatore a setto;

RIASSUNTO TECNICO

Divisore variabile di potenza a microonde in banda Ku, detto divisore comprendendo un rotatore variabile di polarizzazione (1;2;3) di ?45? seguito da un polarizzatore a setto {4), noto come "septum polarizer", e quindi, dopo l'interposizione di un adattatore (5), un circuito ibrido (6), che svolge la funzione di accoppiatore direzionale a 3 dB. Il dispositivo consente di variare arbitrariamente la potenza sulle due porte d?uscita (7;8) mediante la regolazione del rotatore di polarizzazione. La particolare soluzione proposta consente di avere le due porte d'uscita allineate, con vantaggi sull'ingombro. La notevole larghezza di banda operativa (>20%) associata con basse perdite (circa 0,1 dB) e l'ottima accuratezza della risposta in frequenza delle uscite per ogni regolazione della divisione di potenza sono le altre peculiari caratteristiche di questo componente. L'invenzione si colloca nel campo tecnico dei componenti passivi a microonde e nel campo applicativo delle reti a microonde nelle quali sia necessario variare l'ampiezza dei segnali d'uscita.

TESTO DELLA DESCRIZIONE

L'invenzione presentata riguarda un divisore variabile di potenza (nel seguito denominato con la sigla VPD) a microonde e di tipo elettromeccanico.

L'invenzione si colloca nel campo tecnico dei componenti passivi a microonde e nel campo applicativo delle reti a microonde nelle quali sia necessario variare l'ampiezza dei segnali d'uscita.

Allo stato presente della tecnica, le soluzioni impiegate per la realizzazione di un divisore variabile di potenza in guida d'onda erano generalmente basate su due possibili modelli di funzionamento:

(A) Il primo modello faceva uso di due circuiti ibridi e due sfasatori variabili complementari. Il primo circuito ibrido, a partire dal segnale d'ingresso, generava alle sue uscite due segnali di eguale ampiezza che subivano uno sfasamento relativo per opera degli sfasatori variabili. Il secondo circuito quindi ricombinava tali segnali. In tal modo si generavano due segnali in uscita, le cui ampiezze dipendevano dall'angolo di sfasamento elettrico introdotto dagli sfasatori variabili secondo due funzioni sinusoidali tra loro in quadratura. La criticit? di tale soluzione derivava proprio dal fatto che, in ultima analisi, l'elemento attuatore della regolazione di potenza era l?angolo di sfasamento elettrico, che per sua natura, qualunque fosse la realizzazione pratica degli sfasatori, dipendeva dalla frequenza, e questo fatto inevitabilmente limitava le prestazioni in banda del divisore variabile di potenza.

(B) Il secondo modello di divisore variabile di potenza faceva uso di un rotatore variabile di polarizzazione e di due separatori di polarizzazione lineare noti come "OMT" (Ortho Mode Transducers). In tal caso il segnale d'ingresso del divisore variabile di potenza era immesso, per opera del primo "OMT", in una guida d'onda circolare o quadrata. Quindi tale segnale era rotato dal rotatore di polarizzazione , e le componenti lineari del segnale erano prelevate dal secondo "OMT". Quest'ultimo pertanto forniva due segnali d'uscita, le cui ampiezze dipendevano dall'angolo di rotazione della polarizzazione secondo due funzioni sinusoidali tra loro in quadratura. Bench? secondo questo modello la regolazione di potenza fosse basata sulla variazione di una grandezza geometrica (l'angolo di rotazione della polarizzazione) e indipendente dalla frequenza, le realizzazioni pratiche finora proposte facevano uso, per compiere la rotazione, o di un polarizzatore a 180? rotabile meccanicamente, o di un rotatore di polarizzazione basato sull'effetto Faraday. In entrambi i casi si introduceva una limitazione di frequenza nelle prestazioni del divisore variabile di potenza e nel secondo caso anche un incremento delle perdite di inserzione. Un ulteriore inconveniente relativo a tale modello di divisore variabile di potenza era il notevole ingombro. Inoltre le porte d'ingresso e d'uscita tipicamente risultavano disallineate, e questo fatto limitava 1'integrabilit? di questo tipo di "VPD" in reti formatrici di fascio.

visore variabile di potenza, che forma oggetto dell?invenzione qui descritta, pu? essere collocato a met? strada tra i due modelli (A e B) precedentemente descritti. L?analogia con il primo modello (A) deriva dall 'associare il polarizzatore a setto con i due sfasatori variabili: la polarizzazione lineare incidente sul setto pu? pensarsi decomposta in due polarizzazioni circolari opposte, cos? che sulle due uscite del polarizzatore a setto sono presenti due segnali di eguale ampiezza ma con uno sfasamento relativo che ? funzione dell'angolo d'incidenza della polarizzazione lineare. Il vantaggio che ne deriva in questo caso, rispetto al modello con due sfasatori variabili, ? che lo sfasamento differenziale dipende da una grandezza geometrica qual ? l'orientazione della polarizzazione. Quindi il divisore variabile di potenza pu? avere caratteristiche (accuratezza delle tensioni d'uscita rispetto alla regolazione) superiori all?analogo divisore variabile di potenza basato sull'impiego di due sfasatori (modello

Per quanto riguarda il confronto tra il divisore variabile di potenza oggetto della presente invenzione e il modello B, si nota che la sezione del "VPD" posta a valle del rotatore di polarizzazione (costituita del polarizzatore a setto 4, dell'adattatore 5 e del circuito ibrido 6) assolve la stessa funzione elettrica di un "OMT".

In tal senso l'invenzione pu? sembrare a prima vista come classificabile nel noto schema sopra descritto come modello B. Tuttavia, la sostituzione del classico "OMT" con la cascata di un polarizzatore a setto e di un accoppiatore direzionale a cavit? rappresenta un importante miglioramento soprattutto in termini di compattezza e versatilit? del "VPD". Infatti, escludendo alcune soluzioni alquanto complicate e ingombranti che fanno uso di curve e "twist", gli "OMT" tradizionali presentano le uscite disallineate in quanto i lati maggiori delle due porte rettangolari d'uscita sono ortogonali. Questo fatto limita notevolmente l'integrabilit? in reti planari di guide d'onda.

Le reti planari di guide d'onda sono caratterizzate dal fatto di avere gli assi delle guide complanari e le loro sezioni trasversali rettangolari allineate in maniera tale che i lati maggiori siano orientati nella direzione ortogonale al piano contenente gli assi delle guide (piano della rete planare).

Affinch? un componente sia facilmente integrabile in una rete planare, esso deve avere le porte d'accesso orientate nel modo sopra descritto.

La soluzione qui proposta per la realizzazione dell' "OMT" verifica la condizione d'allineamento per quanto riguarda le porte d'uscita. Inoltre, in base a quanto segue, tale soluzione di "OMT", abbinata nel "VPD" allo "step twist" che assolve la funzione di rotatore di polarizzazione, presenta anche vantaggi per quanto riguarda l'allineamento della porta d?ingresso. Infatti il tipo di "OMT" qui proposto, realizzato mediante la cascata di un polarizzatore a setto e un accoppiatore direzionale, ? tale che le due polarizzazioni lineari all'ingresso dell'"OMT", che vengono separate sulle due uscite, sono quelle orientate rispettivamente a 45? e -45? rispetto alla direzione comune delle porte rettangolari d?uscita. Questa propriet? fa s? che, qualora si sia stabilito l'allineamento della porta d'ingresso del "VPD" con le porte d'uscita, l'intervallo di rotazione richiesto al rotatore di polarizzazione, al fine di ottenere tutte le possibili regolazioni della divisione di potenza, risulta essere [-45?, 45?] .

Tale situazione ? la pi? favorevole per la realizzazione di un "VPD" in cui la rotazione di polarizzazione ? ottenuta con un componente "step twist", perch? in esso la rotazione della polarizzazione si compie attorno al valore zero [-45?, 45?], con conseguente riduzione d'ingombro del dispositivo rispetto ad altri tipi di "VPD" basati sull'uso di un "OMT" classico.

Infatti, con quest'ultimo tipo di "OMT", l'intervallo di rotazione sarebbe [0?, 90?], e quindi si avrebbe, a parit? di prestazioni, un maggior ingombro e una maggior complessit? meccanica dello "step twist".

Un ulteriore vantaggio dell' "OMT" proposto, non riscontrabile in altre soluzioni, ? il fatto che, in virt? della simmetria della struttura, i due segnali d'uscita associati a una data polarizzazione lineare in ingresso presentano uno sfasamento differenziale molto contenuto. Poich? la funzione richiesta al divisore variabile di potenza ? quella di dividere la potenza tra i due segnali d'uscita, senza per? introdurre uno sfasamento differenziale tra essi, la propriet? in questione rappresenta un vantaggio in termini d'accuratezza della risposta d'uscita.

Inoltre, anche l'impiego dello "step twist" variabile quale rotatore di polarizzazione produce un sostanziale miglioramento di prestazioni in termini di compattezza e risposta in frequenza rispetto alle soluzioni finora impiegate nell'ambito del modello B (tipicamente un polarizzatore a 180? rotabile o un rotatore basato sull'effetto Faraday).

Per quanto esposto in precedenza, lo "step twist" trova una collocazione molto vantaggiosa proprio in combinazione con la soluzione di "OMT" basata su polarizzatore a setto e accoppiatore direzionale.

L'invenzione ? ora descritta, a scopo illustrativo e non limitativo, facendo riferimento alle figure allegate, e tenendo presente che la configurazione descritta ? quella presentemente preferita dagl?inventori, ma nulla toglie che essa possa essere realizzata anche in modo diverso senza modificare il concetto fondamentale. Con riferimento alla fig. 1, il divisore variabile di potenza, oggetto dell'invenzione, ? composto di un rotatore variabile di polarizzazione, costituito dei particolari 1, 2 e 3, seguito dal polarizzatore a setto 4 e dal circuito ibrido 6.

Per il collegamento delle porte d'uscita in guida rettangolare del polarizzatore a setto 4 con quelle d'ingresso del circuito ibrido 6, le quali sono pure rettangolari, ma con dimensioni e interasse diversi, si fa uso dell'adattatore a gradini 5.

La soluzione adottata per la realizzazione del rotatore variabile di polarizzazione ? quella nota come "step twist" e comprende, nella versione presentemente preferita dagl'inventori, tre tratti di guida d'onda tra loro non a contatto. Il primo di essi, 1, ? fisso, mentre gli altri due, 2 e 3, possono rotare rispetto a esso e attorno all'asse della guida. Tuttavia, come sopra detto, lo "step twist" pu? anche essere composto di un diverso numero di parti rotanti senza alterare il concetto fondamentale dell'invenzione qui descritta.

Il meccanismo, qui non mostrato, che attua la regolazione del rotatore di polarizzazione, pu? essere realizzato con un motore ed una ghiera applicati sulle parti rotanti con opportuno rapporto di riduzione (la prima parte rotante si muove di un angolo met? della seconda) .

La continuit? elettrica a radiofrequenza delle tre sezioni dello "step twist", come pure tra l'ultima sezione dello "step twist" e il successivo polarizzatore a setto, ? assicurata da giunzioni "choke".

Con riferimento alla fig. 2, le giunzioni "choke" 9 e 10 sono realizzate mediante tratti di guida coassiale, cortocircuitati a un estremo, di lunghezza opportuna. La terza sezione dello "step twist" include la transizione a guida circolare 11 e il carico 12 accoppiato alla componente lineare del campo elettrico che risulta ortogonale a quella uscente dallo "step twist".

Il carico 12, che in fig. 2 ? schematizzato con il simbolo di resistenza elettrica, pu? essere inserito in una guida d'onda accoppiata alla guida d'uscita dello "step twist" tramite un'apertura radiante, oppure in cavo coassiale accoppiato tramite sonda, o ancora pu? essere costituito di una semplice lamina resistiva inserita opportunamente nello "step twist".

Diverse soluzioni sono possibili anche per il polarizzatore a setto, secondo che esso sia realizzato in guida quadrata (come in fig. 3a) oppure in guida circolare (come in fig. 3b), e secondo il profilo adottato per la lamina interna.

Con l'invenzione qui descritta ci si propone di fornire un divisore variabile di potenza compatto, con basse perdite e a larga banda. L'impiego di un polarizzatore a setto per questo componente non ? mai stato proposto per il passato, cos? che la soluzione presentata, sebbene essa faccia uso di componenti di per s? noti, costituisce un'originale soluzione al problema, in quanto essa consente di avere le due porte d?uscita allineate, con notevoli vantaggi sull'ingombro.

L?assieme cos? proposto consente una facile integrazione in reti a microonde molto pi? complesse, quali per esempio le reti formatrici di fascio delle antenne con pi? illuminatori usate per realizzare fasci con coperture variabili. Altra applicazione tipica ? nelle reti dedicate alla canalizzazione di sistemi a radiofrequenza con pi? portanti: esso, usato a monte o a valle dei "multiplexer ", consente di dirigere i canali in diverse porte d'uscita.

L?invenzione qui proposta ? adattabile a tutte le bande di frequenza in cui sia possibile la realizzazione del polarizzatore a setto (campi pratici d'applicazione sono le frequenze da 4 a 60 GHz). Il massimo livello di potenza sopportabile ? limitato dalla minima dimensione delle cavit? d?accoppiamento presenti nell'accoppiatore direzionale d'uscita 6; cos? che, dimensionando opportunamente quest?ultimo componente, possono ottenersi campi operativi di potenza a livelli medio-alti (> 6 kW di picco in banda Ku).

Le perdite d?inserzione del "VPD" sono legate sostanzialmente alle perdite per resistenza elettrica all'interno della guida d'onda. Poich? il dispositivo pu? essere ragionevolmente corto (< 200 mm in banda Ku), le perdite globali possono essere minime (circa 0,1 dB). Si descrive ora il funzionamento dell'invenzione qui proposta .

Con riferimento alla fig. 1, l'orientazione del campo elettrico E in ingresso (modo TE10 in guida WR 75) viene fisicamente rotata di un angolo a nel passaggio attraverso lo "step twist" 1;2;3.

Nel passaggio da 1 a 2 prima e da 2 a 3 poi, l'orientazione del campo elettrico subisce due successive rotazioni il cui angolo ? a/2.

La polarizzazione lineare rotata dell'angolo a per opera dello "step twist" viene convertita dal polarizzatore a setto 4 in due segnali di eguale ampiezza, le cui fasi risultano rotate di un angolo rispettivamente a e -a rispetto alla situazione di riferimento (a = 0). In altre parole, l'angolo a della rotazione geometrica operata sull'orientazione del campo dallo "step twist" genera sulle due uscite del polarizzatore a setto sfasamenti elettrici complementari dello stesso valore a e -a.

I due segnali d'uscita del polarizzatore a setto vengono trasferiti alle porte d?ingresso del circuito ibrido tramite 1'adattatore a gradini 5.

II circuito ibrido infine ricombina questi due segnali fornendo due uscite, le cui ampiezze dipendono dall'angolo a secondo due funzioni sinusoidali tra loro in quadratura .

Il divisore variabile di potenza ? tale che, variando l'angolo a da -45? a 45?, possono ottenersi tutti i rapporti tra le ampiezze dei due segnali d'uscita.

Gli stati estremi (0/1, 1/0) si ottengono per a=45? e a=-45?, mentre alla posizione a=0 corrispondono in uscita due segnali di eguale ampiezza.

Un'analisi pi? approfondita del funzionamento del divisore variabile di potenza, la quale tenga conto anche del possibile disadattamento visto dallo "step twist" a livello della porta d?interfaccia con il polarizzatore a setto, mette in evidenza che tale disadattamento (che pu? essere dovuto sia agli elementi costitutivi del "VPD ", quali il polarizzatore a setto 4 e il circuito ibrido 6, sia al carico posto sulle porte d'uscita del "VPD") pu? generare all'ingresso del polarizzatore a setto la polarizzazione lineare ortogonale a quella uscente dallo "step twist".

Poich? tale segnale verrebbe trasferito in uscita del "VPD" con una configurazione complementare a quella nominale, esso degraderebbe l'accuratezza dei segnali d'uscita. Pertanto si rende necessaria l'introduzione nell'ultima sezione dello "step twist" di un carico, la cui funzione ? quella di assorbire la componente indesiderata .

Caratteristiche determinanti dell'invenzione sono:

- La tipologia originale e la scelta dei componenti usati, che consentono una realizzazione compatta associata a buone prestazioni elettriche in termini di accuratezza, larghezza di banda di frequenza, basse perdite di potenza, e consentono inoltre l'uso del componente a potenze medio-alte.

L'impiego, tra i componenti sopra accennati, di uno "step twist" con giunzioni di tipo "choke" con funzione di rotatore di polarizzazione all?interno del divisore variabile di potenza. Questa soluzione offre notevoli vantaggi in termini di compattezza e larghezza di banda rispetto alle soluzioni presentemente adottate.

L'uso, in cascata allo "step twist?, del complesso polarizzatore a setto seguito da un accoppiatore direzionale. Tale complesso costituisce un'originale soluzione per la realizzazione di un "OMT" compatto e con le uscite in guida rettangolare tra loro allineate. Questa soluzione pu? essere vantaggiosamente impiegata come componente a s? stante in ambienti particolarmente ristretti, quali per esempio l'uscita in linea di un gruppo d'illuminatori di una cortina radiante che lavori in doppia polarizzazione lineare simultanea.

Elenco delle figure:

Fig. 1: Configurazione generale del divisore variabile di potenza:

1: Prima sezione dello "step twist".

2 Seconda sezione dello "step twist?.

3: Terza sezione dello "step twist".

4 Polarizzatore a setto.

5: Adattatore dell'interfaccia tra polarizzatore a setto ed accoppiatore direzionale.

6: Accoppiatore direzionale a 3 dB,

7: Uscita 1 del divisore variabile di potenza (in guida "WR 75").

8: Uscita 2 del divisore variabile di potenza (in guida "WR 75").

14 Ingresso del divisore variabile di potenza (in guida "WR 75").

Fig. 2: Particolare del rotatore di polarizzazione tipo "step twist":

9: Giunzione "choke" tra la prima e la seconda sezione dello "step twist".

10: Giunzione "choke" tra la seconda e la terza sezione dello "step twist".

11: Transizione da guida "WR 75" a guida circolare.

12: Carico destinato ad assorbire dalla guida circolare la componente lineare di campo indesiderata .

Fig. 3: Polarizzatore a setto in guida quadrata (3a) e circolare (3b):

13: Lamina del polarizzatore.

Claims (4)

1. RIVENDICAZIONI 1. Divisore variabile di potenza caratterizzato dal fatto di essere costituito di un rotatore di polarizzazione (1;2;3), un polarizzatore a setto (4), un adattatore di guida (5) e un accoppiatore direzionale (6) collegati tra loro in cascata.
2. 2. Divisore variabile di potenza, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di impiegare, come rotatore di polarizzazione, uno "step twist" costituito di pi? tratti di guida d'onda contigui e tali da poter rotare l'uno rispetto all'altro e attorno al loro asse comune.
3. 3. Divisore variabile di potenza, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l'assieme, comprendente gli elementi polarizzatore a setto (4), adattatore (5) e accoppiatore direzionale (6) collegati tra loro in cascata, assolve la funzione di un separatore di polarizzazione lineare ("OMT") che preleva il segnale in ingresso, proveniente dallo "step twist", e ne separa le componenti lineari, orientate secondo due direzioni ortogonali e poste l'una a 45? e l'altra a -45? rispetto al piano di simmetria della lamina (13), inviando tali componenti alle due porte d'uscita (7 e 8).
4. 4. Divisore variabile di potenza, secondo le precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che le porte d'ingresso (14) e d'uscita (7 e 8) sono di sezione rettangolare e non rotate l 'una rispetto all?altra, cio? tali che i lati dell'una siano paralleli ai corrispondenti lati di ciascuna delle altre due.