ЭЛЕМЕНТ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ
ELEMENT OF PHASED ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к технике сверхвысокой частоты (СВЧ) и предназначено для использования в фазированной антенной решетке (ФАР) проходного типа с круговой поляризацией К-диапазона в качестве управляющего элемента.
Известен элемент проходной фазированной антенной решетки (ФАР), содержащий приемный и апертурный диэлектрические излучатели (ДИ), корпус в виде тонкостенной гильзы и волноводный ферритовый фазовращатель (ФВ) фарадеевского типа, состоящий из ферритового стержня (ФС) в виде N-гранной призмы (N≥4), размещенного вместе с обмоткой его продольного намагничивания внутри магнитопровода в виде N П-образных ферритовых скоб, расположенных по одной на каждой грани ФС, причем волновод элемента ФАР включает волновод, образованный пленкой токопроводящего покрытия боковой поверхности ФС, волноводы излучателей, согласующие и соединительные волноводы, между торцами ФС и торцами ДИ размещены диэлектрические вставки в виде шайб, ферритовый блок закреплен в корпусе диэлектрическими шайбами, внешняя поверхность которых, как и полочек ферритовых скоб, выполнена по форме внутренней поверхности корпуса, диэлектрический излучатель имеет форму круглого стержня, на конце которого установлен согласующий трансформатор (патент RU №2451931, МПК H01Q 21/00, Н01Р 1/19, опубл. 20.09.2012 г.).
Недостатком данной конструкции является наличие достаточно большого количества деталей элемента ФАР (в зависимости от количества граней на стенке), а также соединение обмотки продольного намагничивания со схемой коммутации ФАР гибкими или жесткими проводниками, что является дополнительной монтажной операцией, а, учитывая большое количество элементов ФАР, это достаточно большая трудоемкость сборочных работ.
Известен апертурный фазовращатель в ФАР проходного типа, содержащий соосно расположенные ферритовый стержень с металлизацией боковой поверхности на всем протяжении, катушку с обмоткой управления на каркасе, два магнитопровода П-образной формы, симметрично расположенных по обе стороны от обмотки управления, ступенчатые согласователи, фланцы для стыковки устройства с подводящим и отводящим волноводными трактами, причем в качестве несущего узла конструкции устройства служит каркас катушки из пластмассы, к которому крепятся при помощи клея фланцы и все остальные детали (патент на полезную модель RU №39227, МПК Н01Р 1/19, опубл. 20.07.2004 г.).
Поперечные габариты изделия составляют максимальный диаметр 6,3 мм, общая длина изделия составляет 43 мм. Недостатком данной конструкции является большое количество деталей (не менее десяти деталей) и достаточно большие массогабаритные характеристики.
Известен элемент фазированной антенной решетки (ФАР) проходного типа, содержащий входной и выходной диэлектрические излучатели и волноводный ферритовый фазовращатель фарадеевского типа, состоящий из обмотки намагничивания, расположенной внутри магнитопровода, и установленного внутри нее ферритового стержня в виде правильной N-гранной призмы с числом граней N≥4, магнитопровод выполнен в виде П-образных скоб, расположенных по одной на каждой грани ферритового стержня, волновод элемента ФАР образован токопроводящим покрытием боковой поверхности ферритового стержня и имеет также два волновода излучателей, два согласующих волновода, диаметр которых больше или равен диаметру окружности, описанной вокруг поперечного сечения ферритового стержня, и два короткозамыкателя с отверстиями вдоль оси, причем каждая согласующая диэлектрическая вставка выполнена в виде последовательного соосного соединения шайбы и стержня, установленных вдоль оси внутри отверстия в цилиндрическом хвостовике диэлектрического излучателя, а элемент ФАР помещен внутрь корпуса в виде металлической цилиндрической гильзы, соединенной с волноводами излучателей клеевым соединением, а на наружной поверхности корпуса расположена печатная плата, к контактам которой присоединены провода обмотки намагничивания, выведенные через пазы в корпусе (патент RU №2325741, МПК H01Q 21/00, Н01Р 1/19, опубл. 27.05.2008 г.).
Известный элемент фазированной решетки имеет цилиндрический корпус с закрепленной на его боковой поверхности печатной платой для присоединения провода обмотки намагничивания и достаточно сложную конструкцию, состоящую из многих деталей (не менее пятнадцати деталей). Так как шаг антенной решетки К-диапазона достаточно мал (единицы миллиметров), то расстояние между элементами в данной конструкции достаточно только для распайки (на печатной плате) проводников от системы управления лучом.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является элемент ФАР в составе модуля проходной фазированной антенной решетки, пропускающий электромагнитные волны, поляризованные по кругу, и содержащий приемный и апертурный диэлектрические излучатели (ДИ), волноводный ферритовый фазовращатель (ФВ) фарадеевского типа и корпус в виде тонкостенной гильзы, причем ФВ состоит из ферритового стержня (ФС) в виде N-гранной призмы (N≥4), размещенного вместе с обмоткой его продольного намагничивания внутри магнитопровода в виде П-образных ферритовых скоб, расположенных по одной на каждой грани ФС, каждый ДИ имеет цилиндрическую часть внутри и вне волновода излучателя, коническую часть и на конце цилиндрический согласующий трансформатор, причем выводы обмотки намагничивания соединены с контактными площадками печатной платы элемента ФАР (патент RU №2461930, МПК H01Q 21/00, опубл. 20.09.2012 г. - прототип).
Известный элемент ФАР сложен в изготовлении, не обладает компактностью, не позволяет разместить на печатной плате элементы управления обмоткой намагничивания.
Общим недостатком приведенных выше конструкций является передача сигналов управления на обмотку намагничивания фазовращателя гибкими изолированными проводниками или печатными проводниками. Из-за большого количества элементов в ФАР длины проводников, соединяющие управляющие ключи с обмотками намагничивания, отличаются в разы в зависимости от расположения элемента в ФАР. Так как омическое сопротивление проводников сравнимо с сопротивлением обмотки намагничивания фазовращателя, то амплитуды сигналов управления, подаваемые на конкретные элементы ФАР, будут иметь разные значения. Разница в амплитудах управляющих сигналов, поступающих на установленные в различных местах ФАР управляющие элементы, приводит к отличию их фазовых характеристик от требуемых, что в целом приводит к ухудшению характеристик ФАР.
Задачей изобретения является устранение недостатков, присущих известным элементам ФАР: обеспечение максимальной компактности, упрощение конструкции и, как следствие, повышение ее серийнопригодности, а также возможностью расположения элементов управления работой фазовращателя на печатной плате, входящей в состав элемента ФАР для его установки на объединительную печатную плату.
Технический результат предлагаемого элемента ФАР заключается в обеспечении компактности и симметричности его конструкции без увеличения его поперечных размеров при уменьшении разброса фазовых характеристик и повышении их стабильности.
Сущность изобретения в том, что элемент фазированной антенной решетки (ФАР) содержит печатную плату с элементами управления обмоткой 2 управления (намагничивания) фазовращателя, не выходящую за пределы корпуса в горизонтальном направлении (равную высоте корпуса) для повышения устойчивости положения элемента ФАР на объединительной плате.
Технический результат достигается тем, что в элементе фазированной антенной решетки, содержащем размещенный в корпусе волноводный ферритовый фазовращатель с магнитной памятью, выполненный с излучателями на ферритовом стержне с частичной металлизацией, на металлизированном участке которого расположена обмотка управления и два магнитопровода, и закрепленную на корпусе печатную плату, ферритовый стержень выполнен с круглым поперечным сечением, излучатели выполнены за одно целое с ферритовым стержнем в виде симметричных не металлизированных ступенчатых переходов на его концах, корпус выполнен с частью полого цилиндра в форме сектора для соединения с печатной платой и снабжен торцевыми фиксирующими втулками с круглым отверстием под установку ферритового стержня, причем печатная плата соединена тыльной поверхностью с корпусом по кромкам среза, образующим часть полого цилиндра в форме сектора.
Предпочтительно корпус выполнить в виде части полого цилиндра в форме сектора с углом 280-290 градусов.
Целесообразно корпус выполнить из тонкостенного пружинного материала.
Предпочтительно печатную плату в поперечном сечении выполнить не выступающей за габариты корпуса.
Печатную плату целесообразно выполнить с возможностью расположения элементов управления обмоткой намагничивания.
Целесообразно иметь на концах корпуса площадки, выполненные за одно целое с частью полого цилиндра в форме сектора, для образования разрезных кольцевых фиксаторов.
При проведении патентных исследований не обнаружены решения, идентичные заявленному, а следовательно, предложенное решение соответствует критерию "новизна". Сущность изобретения не следует явным образом из известных решений, следовательно, предложенное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".
На фиг. 1 изображен элемент фазированной антенной решетки.
На фиг. 2 представлен ферритовый стержень с частичной металлизацией.
На фиг. 3 изображен корпус элемента фазированной антенной решетки.
Фиг. 4 изображает разрез А-А на фиг. 3.
На фиг. 5 показано расположение элементов фазированной антенной решетки на объединительной печатной плате.
На фиг. 1-5 приняты следующие обозначения:
1 - корпус;
2 - излучатели (в виде ступенчатых переходов на ферритовом стержне 3);
3 - ферритовый стержень (с частичной металлизацией);
4 - металлизированный участок (ферритового стержня 3);
5 - обмотка управления;
6 - магнитопроводы (П-образной формы);
7 - печатная плата;
8 - торцевые фиксирующие втулки;
9 - кромки среза (образующие корпус 1 в виде части полого цилиндра в форме сектора);
10 - площадки (для образования разрезных кольцевых фиксаторов 11 на концах корпуса 1);
11 - разрезные кольцевые фиксаторы (корпуса 1);
12- объединительная печатная плата.
β - угол сектора (корпуса 1).
L - расстояние от оси элемента ФАР до печатной платы.
Элемент фазированной антенной решетки проходного типа содержит размещенный в корпусе 1 волноводный ферритовый фазовращатель с магнитной памятью, выполненный с излучателями 2 на ферритовом стержне 3 с частичной металлизацией боковой поверхности, на металлизированном участке 4 (с токопроводящим покрытием) которого расположена обмотка 5 управления и два магнитопровода 6 П-образной формы, и закрепленную на корпусе 1 печатную плату 7. Ферритовый стержень 3 представляет собой тело вращения с круглым поперечным сечением.
Корпус 1 выполнен с частью полого цилиндра в форме сектора с углом 280-290 градусов для соединения с печатной платой 7 и снабжен торцевыми фиксирующими втулками 8 из металла с круглым отверстием под установку ферритового стержня 3, которые зафиксированы токопроводящим клеем, в частности марки НТК, для уменьшения затухания СВЧ энергии и достижения необходимой прочности соединения. При этом внешние стороны указанных втулок 8 установлены вровень с краями металлизированного участка 4 ферритового стержня 3. На торцевые фиксирующие втулки 8 с помощью клея установлен корпус 1, который в поперечном сечении представляет собой сектор с углом 280-290 градусов. Корпус 1 выполнен из прочного тонкостенного пружинного материала, например, бронзы толщиной 40-50 мкм и имеет на концах площадки 10, выполненные за одно целое с частью полого цилиндра в форме сектора для образования разрезных кольцевых фиксаторов 11, обеспечивающих быстроту и удобство фиксации корпуса 1 на торцевых фиксирующих втулках 4. При этом корпус 5 не выступает за диаметр торцевых фиксирующих втулок 4.
Корпус 1, зафиксированный в торцевых фиксирующих втулках 4, придает жесткость конструкции элемента ФАР. К корпусу 1 приклеена печатная плата 7 с элементами управления обмоткой 5 управления (намагничивания), причем печатная плата 7 соединена тыльной поверхностью с корпусом 1 по кромкам 9 среза, образующим часть полого цилиндра в форме сектора, которая придает жесткость конструкции. Печатная плата 7 в поперечном сечении выполнена не выступающей за габариты корпуса 1 и
содержит элементы управления обмоткой 5 управления (намагничивания). Печатная плата 7 элемента ФАР соединяется с объединительной платой 12 в ФАР через контактные площадки.
Ферритовый стержень 3 предпочтительно выполнить с круглым поперечным сечением, а излучатели 2 целесообразно выполнить за одно целое с ферритовым стержнем 3 в виде симметричных не металлизированных ступенчатых переходов на его концах.
Таким образом, предлагаемый элемент ФАР имеет всего четыре типа деталей (корпус, ферритовый стержень, торцевая фиксирующая втулка, магнитопровод), что обеспечивает максимальную простоту его изготовления и сборки.
В поперечном сечении элемента ФАР, как это показано на фиг. 5, печатная плата 7 не выходит за образующую корпуса 1. Размер L даже при плотной установке элементов в ФАР может быть использован для размещения на печатной плате 7 элементов управления обмоткой 2 управления (намагничивания) фазовращателя. Выполнение печатной платы 7 высотой, равной высоте торцевых фиксирующих втулок 8 и корпуса 1, обеспечивает устойчивость положения элемента ФАР в связи с увеличением точек касания до двух на объединительной плате 12 (одновременное касание печатной платой 7 и корпусом 1), что повышает прочность и стойкость конструкции элемента к ударным и вибрационным воздействиям.
11
Предлагаемый элемент ФАР проходного типа работает следующим образом. Волна круговой поляризации от облучателя ФАР подается на излучатель 2, выполненный на одном конце ферритового стержня 3, возбуждает волну типа Н в волноводе фазовращателя, состоящим из ферритового металлизированного стержня 3 с намотанной вокруг его оси обмоткой 5 управления и двух магнитопроводов 6. С выхода фазовращателя электромагнитная волна поступает на другой излучатель 2, выполненный на другом конце ферритового стержня 3, и излучается в свободное пространство. Требуемое изменение фазы волны в пределах Δφ=0÷360° осуществляется посредством фазовращателя фарадеевского типа путем изменения параметров ферритового стержня 3 при его продольном намагничивании. Поле намагничивания создается в ферритовом стержне 3 обмоткой 5 управления, сигналы на которую подаются через печатную плату 7 с расположенными на ней элементами управления. Расположение на печатной плате 7 электронных ключей, непосредственно соединенных с обмоткой 5 управления фазовращателя, позволяет исключить влияние проводников, соединяющих элементы ФАР, и системой управления лучом на амплитуды импульсов управления, подаваемых на обмотку 5 управления фазовращателей элементов ФАР, а также уменьшить возникающие при большом количестве проводников наводки и взаимовлияние. В режиме приема из свободного пространства на излучатель 2, выполненный на другом конце ферритового стержня 3, подается электромагнитная волна с круговой поляризацией поля, противоположного направлению вращения, и принимается им. Электромагнитная волна проходит через волновод фазовращателя в обратном направлении с таким же изменением фазы Δφ в фазовращателе и излучается через излучатель 2 в направлении облучателя ФАР. При этом необходимо отметить следующее: так как излучатели 2 элемента ФАР являются симметричными, т.е. имеют одинаковые конструктивные размеры, то предлагаемый элемент ФАР является симметричным, что обеспечивает технологичность и простоту его конструкции.
Особенностью предложенной конструкции элемента ФАР является компактность и минимизация его габаритных размеров в зависимости от шага ФАР при обеспечении высокой устойчивости к воздействию внешних механических факторов. Конструкция элемента ФАР на практике полностью соответствует комплексу противоречивых требований к современным апертурным фазовращателям:
- малые габариты;
- малый вес;
- симметричность конструкции.
Малогабаритный элемент ФАР проходного типа имеет малый вес, прост в изготовлении и сборке, прочен и устойчив к внешним воздействиям.