АНТЕННЫЙ ЭЛЕМЕНТ ПРОХОДНОЙ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ

Полезная модель относится к антенной технике, в частности к приемопередающим антенным элементам и может быть использована в проходных фазированных антенных решетках (ФАР) СВЧ-диапазона с электрическим сканированием луча.
Известен приемопередающий элемент фазированной антенной решетки, содержащий диэлектрические излучатели и фазовращатель, состоящий из намагничивающей обмотки, расположенной внутри магнитопровода, и цилиндрического ферритового стержня, установленного внутри намагничивающей обмотки, при этом между торцами цилиндрического ферритового стержня и диэлектрических излучателей установлены согласующие диэлектрические шайбы; цилиндрический ферритовый стержень, согласующие шайбы и диэлектрические излучатели имеют одинаковый диаметр и заключены в общий отрезок металлизированного круглого волновода; на поверхности каждого из диэлектрических излучателей, находящейся за пределами общего отрезка металлизированного круглого волновода, выполнена конусообразная замкнутая по окружности канавка, на поверхность которой нанесено металлизированное покрытие; в стенках общего отрезка металлизированного круглого волновода, прилегающих к цилиндрическому ферритовому стержню, выполнены две продольные диаметрально расположенные прорези; магнитопровод выполнен в виде двух П-образных скоб, каждая из которых содержит продольную пластину, расположенную над соответствующей прорезью, и башмаки, опирающиеся на поверхность общего отрезка металлизированного круглого волновода, причем опорная поверхность башмаков выполнена по форме окружности общего отрезка металлизированного круглого волновода и имеет паз, выполненный в ее верхней части по оси симметрии, опорные поверхности башмаков отшлифованы с высоким классом точности и плотно прижаты к поверхности общего отрезка металлизированного круглого волновода.
Цилиндрический ферритовый стержень выполнен из феррита с диэлектрической проницаемостью ε=14÷17. Согласующие шайбы выполнены из материала, например ситалла, с диэлектрической проницаемостью ε=9÷11. Диэлектрические излучатели выполнены из материала, например ситалла, с диэлектрической проницаемостью ε=7,15-7,35. Длины диэлектрических излучателей выбраны из условия обеспечения требуемых механической прочности и жесткости полотна антенной системы. Свободные концы диэлектрических излучателей имеют конусообразную или цилиндрическую форму [1].
Причина, препятствующая достижению указанного ниже технического результата
при использовании известного приемопередающего элемента ФАР, заключается в следующем. Наличие стыков между цилиндрическим ферритовым стержнем, диэлектрическими согласующими шайбами и излучателями снижает коэффициент прохождения электромагнитной волны через элемент и коэффициент усиления ФАР в целом из-за потерь СВЧ-энергии, обусловленных внутренними ее переотражениями на стыках. Кроме того, использование трех материалов с различной диэлектрической проницаемостью, выполнение канавок на поверхностях диэлектрических излучателей для уменьшения отражений СВЧ-волн от концов общего отрезка металлизированного круглого волновода и улучшения согласования диэлектрических излучателей с пространством усложняют конструкцию устройства и увеличивают трудоемкость и стоимость его производства.
Сущность полезной модели заключается в следующем. Задачей, на решение которой она направлена, является снижение трудоемкости и стоимости производства антенного элемента ФАР за счет упрощения его конструкции. Технический результат, достигаемый при осуществлении полезной модели, выражается в снижении потерь СВЧ-энергии в антенном элементе проходной ФАР.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном приемопередающем элементе ФАР, содержащем диэлектрические излучатели и фазовращатель, состоящий из намагничивающей обмотки, расположенной внутри магнитопровода, и цилиндрического ферритового стержня, установленного внутри намагничивающей обмотки, цилиндрический ферритовый стержень и диэлектрические излучатели заключены в общий отрезок металлизированного круглого волновода, согласно изобретению цилиндрический ферритовый стержень и диэлектрические излучатели выполнены из материалов с высокой одинаковой или близкой по значению друг другу диэлектрической проницаемостью, диэлектрические излучатели содержат цилиндрическую часть и одними торцами жестко соединены с торцами цилиндрического ферритового стержня, а на их других торцах выполнены удлинения в виде усеченных конусов, причем диаметр основания усеченных конусов меньше диаметра цилиндрической части диэлектрического излучателя.
0
Концы общего отрезка металлизированного круглого волновода отстоят на расстоянии (0,05-0,1)λот основания усеченных конусов.
0
0
Высота усеченных конусов составляет (0,8-1,2)λ, где λ - центральная длина волны 10-процентного диапазона.
Диаметр основания усеченных конусов составляет (0,8-0,9), а диаметр их вершин - (0,5-0,6) диаметра цилиндрической части диэлектрического элемента.
Причинно-следственная связь между существенными признаками и техническим результатом выражается в том, что, благодаря выполнению ферритового стержня и излучателей из материалов с высокими равными или близкими по величине значениями диэлектрической
проницаемости, уменьшению количества стыков за счет исключения согласующих шайб-трансформаторов, а также разнице диаметров цилиндрической и конической частей излучателей улучшается согласование антенного элемента с пространством, что снижает потери СВЧ-энергии и, соответственно, повышает коэффициент усиления проходной ФАР.
Полезная модель поясняется чертежами, на которых представлены: фиг.1 - конструкция антенного элемента проходной ФАР; фиг.2 - вид сбоку по стрелке А фиг.1; фиг.3 - график разности коэффициентов усиления проходных ФАР, содержащих заявленный и известный антенные элементы; фиг.4 - зависимости от частоты коэффициентов эллиптичности заявленного и известного антенных элементов.
0
0
2
1
1
3
1
0
Антенный элемент проходной ФАР (фиг.1) содержит фазовращатель, состоящий из расположенной внутри магнитопровода 1 намагничивающей обмотки 2, в которой установлен цилиндрический ферритовый стержень 3, и два диэлектрических излучателя 4, 5. Цилиндрический ферритовый стержень 3 выполнен из феррита с высокой диэлектрической проницаемостью порядка ε=14-17, например, из феррита марки 3СЧ-18 (ЫК7.074.076ТУ) с ε=16. Диэлектрические излучатели 4, 5 имеют цилиндрическую и коническую части и выполнены из материала, также обладающего высокой диэлектрической проницаемостью порядка ε=14-17, например, из керамического материала МТ-16 с ε=16 [2]. Цилиндрический ферритовый стержень 3 и цилиндрические части диэлектрических излучателей 4, 5 выполнены с одинаковым диаметром, их торцы жестко соединены между собой, например с помощью клея, и заключены в общий отрезок круглого металлизированного волновода 6. Волновод может быть получен путем напыления или гальванического нанесения слоя металла, например меди, толщиной 1,1-1,5 мкм на поверхность цилиндрического ферритового стержня 3 и большую часть цилиндрической поверхности диэлектрических излучателей 4, 5. Свободные торцевые части последних выполнены в виде усеченных конусов, которые могут быть образованы при отливке диэлектрического излучателя или путем его механической обработки. Высота L усеченных конусов составляет (0,8-1,2)λ, где λ - центральная длина волны 10-процентного диапазона, диаметр d их оснований меньше диаметра d цилиндрической части диэлектрических излучателей 4, 5 (фиг 4) и составляет (0,8-0,9)d, а диаметр d его вершины - (0,5-0,6)d. Общий отрезок металлизированного круглого волновода 4 на цилиндрической части диэлектрических излучателей 4, 5 заканчивается на расстоянии S=(0,05-0,1)λ от основания усеченных конусов. Длины цилиндрических частей диэлектрических излучателей 4, 5 могут быть равными или различными в зависимости от конструктивных особенностей проходной ФАР и определяются из условия обеспечения требуемых механической прочности и жесткости полотна
2
3
антенны, а также возможности размещения в нем устройств управления приемопередающими элементами и отвода тепла, например, трубопроводов системы продувки сжатым воздухом или системы с жидким хладагентом. Максимальный диаметр основания d усеченного конуса и минимальный диаметр его вершины d выбирают расчетным путем из условия хорошего возбуждения в нем поверхностной волны, минимизации отражений СВЧ-энергии на стыке «волновод-излучатель» и согласования диэлектрических излучателей 4, 5 излучателя с пространством.
Фазовращатель может быть выполнен по известным правилам [1]. В частности, намагничивающая обмотка 2 катушки управления намотана на бумажный каркас и надета на цилиндрический ферритовый стержень 3, располагаясь над прорезями в стенках общего отрезка металлизированного круглого волновода 6. Выводы намагничивающей обмотки 2 соединены с системой управления антенными элементами (на чертеже не показано). Сверху намагничивающей обмотки 2 расположены два магнитопровода 1, выполненные в виде П-образных скоб, каждая из которых содержит продольную пластину и башмаки. Внутренняя поверхность продольных пластин имеет цилиндрическую форму. Опорные поверхности башмаков выполнены по форме окружности общего отрезка металлизированного круглого волновода 6. В верхней части опорной поверхности башмаков по оси симметрии выполнен паз, предназначенный для обеспечения азимутальной симметрии подмагничивающего магнитного поля, благодаря чему уменьшаются резонансные пики потерь СВЧ-энергии на высших типах волн. Продольные пластины П-образных скоб располагаются над прорезями в стенках общего отрезка металлизированного круглого волновода 6. С помощью бандажа (например, пропитанной лаком прочной нити) опорные поверхности башмаков, которые должны быть отшлифованы с высоким классом точности, плотно прижаты к боковой поверхности общего отрезка металлизированного круглого волновода 6 так, чтобы зазор между ними не превышал 30 мкм. Магнитопроводы выполнены из материала с низкой коэрцетивной силой порядка 0,35 эрстед.
Описанный антенный элемент ФАР работает следующим образом. В режиме передачи СВЧ-энергия с волной круговой поляризации от облучателя ФАР падает на первый излучатель элемента, например, усеченный конус 4, проходит внутрь него и распространяется по его цилиндрической части и цилиндрическому ферритовому стержню 3 внутри общего отрезка металлизированного волновода 6. Пройдя через фазовращатель, электромагнитная волна получает определенный фазовый сдвиг в зависимости от длительности импульсов напряжения, подаваемых в намагничивающую обмотку 2 из системы управления элементами ФАР. Распространяясь далее, электромагнитная волна попадает на второй излучатель 5 и через усеченный излучается в пространство. После окончания действия импульсов напряжения магнитная система фазовращателя запоминает это состояние и фазовый
сдвиг будет сохраняться до следующего цикла перемагничивания. При приеме процесс протекает в обратном порядке.
0
0
0
е
Как следует из графика фиг.3, на котором изображена зависимость от относительной частоты f/f, где f - центральная частота диапазона, разности коэффициентов усиления ΔG фазированных антенных решеток с заявленными и известными антенными элементами, коэффициент усиления ФАР, набранной из опытных образцов заявленного антенного элемента, в 90% заданного диапазона частот существенно, до 1,4 дБ, превышает аналогичный показатель ФАР, содержащей антенные элементы, взятые в качестве прототипа. Заявленный антенный элемент обеспечивает также существенный, не менее 0,8 дБ, выигрыш по коэффициенту эллиптичности электромагнитного поля. Это подтверждается графиками фиг.4, где представлены зависимости от относительной частоты f/f коэффициентов эллиптичности К (отношение осей поляризационного эллипса) заявленного антенного элемента и прототипа. Приведенные экспериментальные данные свидетельствуют об уменьшении потерь СВЧ-энергии в заявленном приемопередающем антенном элементе по сравнению с прототипом.
Источники информации:
1. RU 2184410, Н 01 Q 21\00, Н 01 Р 1/19, 2002.
2. Каталог «Сверхвысокочастотные магнитные и диэлектрические материалы». ОАО «Завод «Магнетон», Санкт-Петербург, 2001.