ЭЛЕМЕНТ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ
PHASED ANTENNA ARRAY ELEMENT

Изобретение относится к области радиотехники СВЧ- и КВЧ-диапазонов, а именно к конструкциям элементов фазированных антенных решеток (ФАР), и может быть использовано в радиолокационных системах с широкоугольным электрическим сканированием луча антенны.
В настоящее время существует реальная потребность в волноводных ферритовых фазовращателях (ВФФВ) и элементах ФАР на их основе с малыми поперечными размерами для антенных систем с широкоугольным электрическим сканированием луча, работающих на электромагнитных волнах, поляризованных по кругу. Особенно актуально создание таких элементов ФАР для миллиметрового диапазона волн, где разработка элементов с малыми поперечными размерами, высоким быстродействием и низким энергопотреблением встречает определенные технические трудности.
Известны элементы фазированных антенных решеток, осуществляющих электрическое сканирование луча. Каждый из них может быть выполнен, например, в виде последовательно соединенных волноводно-диэлектрического излучателя и отражательного волноводного ферритового фазовращателя фарадеевского типа с продольным подмагничиванием, с магнитной памятью, работающего на волнах, поляризованных по кругу.
В частности, известна многоэлементная ФАР Ка-диапазона волн (Денисенко В.В., Дубров Ю.Б., Корчемкин Ю.Б., Макота В.А., Николаев А.И., Толкачев А.А., Шитиков A.M., Шишлов А.В., Шубов А.Т. Многоэлементная ФАР Ка-диапазона волн. - Антенны, 2005, №1 (92), с.7-14). Для фазирования излучающих элементов в ФАР используют волноводные ферритовые фазовращатели отражательного типа для волн, поляризованных по кругу. Каждый ВФФВ выполнен на основе круглого ферритового стержня (ФС) с металлизированными боковой поверхностью и одним торцом, имеет несколько обмоток продольного намагничивания ФС и два магнитопровода.
Известным элементам ФАР присущ ряд недостатков. Во-первых, в этой ФАР нет интегрированных элементов. Излучающие элементы расположены в общей для ФАР несущей плите, а ВФФВ объединены в подрешетки разных размеров. Отсутствие надежного контакта излучателей и фазовращателей может приводить к рассогласованию ФАР и росту СВЧ-потерь. Во-вторых, ВФФВ имеют большие поперечные размеры, при этом шаг антенной решетки равен 1,1λ (λ - длина волны в свободном пространстве), что ограничивает сектор сканирования луча углами ±25° от нормали к раскрыву ФАР. В-третьих, следствиями металлизации поверхностей ФС являются низкое быстродействие ВФФВ и высокая энергия его управления.
Известен СВЧ-ферритовый фазовращатель для ФАР отражательного типа (см. патент RU №37877, МПК H01Q 21/00, Н01Р 1/18, опубл. 27.05.2008). СВЧ-ферритовый фазовращатель содержит ферритовый вкладыш из СВЧ-ферритового материала, расположенный внутри катушки управления, обеспечивающей продольное намагничивание ферритового вкладыша, и ступенчатый излучатель-согласователь электромагнитной волны со свободным пространством, соединенный с ферритовым вкладышем. Он дополнительно содержит металлический фланец цилиндрической формы и два продолговатых П-образных магнитопровода из ферритового материала, введенные ножками с двух противоположных сторон в контакт с ферритовым вкладышем в виде металлизированного ферритового стержня круглого сечения через окна прямоугольной формы катушки управления, которая имеет внутреннее продольное отверстие для размещения ферритового стержня (ФС). ФС металлизирован со всех сторон, за исключением входного торца, закрепленного в отверстии металлического фланца в его задней торцевой части. Излучатель-согласователь с внешним пространством выполнен из диэлектрического материала, например из кварца, и введен в переднюю часть металлического фланца, внутри которого расположена втулка, например, из фторопласта в виде кольца, надетого на керамический диск, контактирующий с излучателем-согласователем и входным торцом ФС.
Известный элемент ФАР представляет собой функционально завершенный элемент отражательной ФАР. В нем втулка из фторопласта с керамическим диском непосредственно контактирует с торцом ферритового стержня и торцом излучателя-согласователя и соединена с ними клеевым соединением. Известный элемент характеризуется более высоким быстродействием и меньшим энергопотреблением. Однако известный элемент ФАР не свободен от недостатков. Это, в первую очередь, относительно большие поперечные размеры элемента. В качестве несущего элемента использован пластмассовый каркас катушки управления, к которой приклеены все другие детали, а ФС металлизирован со всех сторон, за исключением входного торца, закрепленного в отверстии металлического фланца. Такое конструктивное выполнение фазовращателя приводит к снижению быстродействия и увеличению энергии управления.
и
Известен элемент ФАР, совпадающий с заявляемым решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип (см. патент RU №2325741, МПК H01Q 21/00, Н01Р 1/19, опубл. 27.05.2008.). Известный элемент-прототип содержит входной и выходной диэлектрические излучатели и волноводный ферритовый фазовращатель фарадеевского типа. Фазовращатель состоит из обмотки намагничивания, расположенной внутри магнитопровода, и установленного внутри нее ФС 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 ФС. Имеются также два волновода излучателей, два согласующих волновода, диаметр которых больше или равен диаметру окружности, описанной вокруг поперечного сечения ФС, и два короткозамыкателя с отверстиями вдоль оси. Каждая согласующая диэлектрическая вставка выполнена в виде последовательного соосного соединения шайбы и стержня, установленных вдоль оси внутри отверстия в цилиндрическом хвостовике диэлектрического излучателя, который выполнен из материала с диэлектрической проницаемостью ε=3,8-4,2. Элемент ФАР помещен внутрь корпуса, выполненного в виде металлической гильзы, соединенной с волноводом излучателя клеевым соединением.
Это малогабаритный элемент ФАР проходного типа, прочный и устойчивый к внешним воздействиям. На его основе может быть построен и элемент отражательной фазированной антенной решетки (ОФАР).
К недостаткам прототипа относятся низкое быстродействие и высокое энергопотребление, обусловленные наличием токопроводящего покрытия на боковой поверхности ФС. Энергия, затрачиваемая на управление ВФФВ, расходуется как на изменение состояния остаточной намагниченности ферритовой среды, так и в большой мере на преодоление эффекта “короткозамкнутого витка”. Этим витком в ВФФВ является волновод, образованный токопроводящим покрытием боковой поверхности ФС. При импульсном перемагничивании ВФФВ в этом витке возникают токи проводимости, замедляющие процесс перемагничивания и увеличивающие энергопотребление от системы управления ВФФВ. Необходимость впаивать ФС в волноводную арматуру также усложняет технологический процесс изготовления элемента ФАР.
Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение работы элемента ФАР в отражательном режиме, повышение его быстродействия и уменьшение энергии управления.
Решение поставленной задачи достигается тем, что элемент ФАР, работающий на волнах, поляризованных по кругу, содержит последовательно размещенные в корпусе диэлектрический излучатель, волновод излучателя, согласующий волновод, диэлектрическую вставку, установленную в согласующем волноводе, волноводный ферритовый фазовращатель (ВФФВ) фарадеевского типа с магнитной памятью и отражатель. ВФФВ состоит из ферритового стержня (ФС) квадратного сечения, на боковой поверхности которого нанесено первое токопроводящее покрытие, обмотки намагничивания, намотанной вокруг стержня, и магнитопровода, охватывающего обмотку. Магнитопровод выполнен в виде ферритовых скоб, расположенных по одной на каждой грани ФС. Отражатель повторяет форму поперечного сечения ФС и выполнен в виде открытого на одном конце отрезка запредельного волновода, имеющего общее с ФС первое токопроводящее покрытие боковой поверхности. Корпус выполнен в виде тонкостенной гильзы. Вдоль продольной оси одной из граней ФС и отражателя в первом токопроводящем покрытии выполнен разрез, покрытый диэлектрической полосой, на наружную поверхность которой нанесено симметричное относительно разреза второе токопроводящее покрытие. Ширина S диэлектрической полосы и ширина s второго токопроводящего покрытия удовлетворяют соотношениям:
S>s, мм;
s=(0,8-1,2)·λ/2√ε, мм;
где λ - длина волны в свободном пространстве, мм;
ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала диэлектрической полосы.
Элемент может содержать диэлектрический каркас, размещенный между обмоткой намагничивания и боковой поверхностью ФС.
Диэлектрический излучатель может быть выполнен из материала с относительной диэлектрической проницаемостью ε, равной 3,5-4,5.
Диэлектрическая вставка может быть выполнена из материала с относительной диэлектрической проницаемостью ε, равной 9-11, при этом она может быть составной.
ФС может быть выполнен из материала с относительной диэлектрической проницаемостью ε, равной 13-16.
Отражатель может быть выполнен из материала с относительной диэлектрической проницаемостью ε менее 7,5, например из кварца.
Общая толщина диэлектрической полосы, первого и второго токопроводящего покрытия может не превышать 0,001λ.
Выполнение разреза в токопроводящем покрытии ФС и отражателя, покрытого диэлектрической полосой и вторым токопроводящим покрытием указанной выше ширины, обеспечивает повышения быстродействия и уменьшения энергии управления элемента ФАР, поскольку разрез металлизации размыкает короткозамкнутый виток. Той же цели служит использование открытого на конце запредельного волновода в качестве отражателя, поскольку металлизация его торца замкнула бы собою виток. Первое токопроводящее покрытие на ферритовом стержне, слой примыкающего к ней диэлектрика и второе токопроводящее покрытие его наружной поверхности образуют линию передачи, подобную микрополосковой. Граница второго токопроводящего покрытия образует разрыв этой линии. На расстоянии Λ/4 от этой границы сопротивление между первым и вторым токопроводящими покрытиями делается равным нулю. Здесь Λ - длина волны в однородной среде с диэлектрической проницаемостью диэлектрической полосы (ε), т.е. Λ=λ/√ε. Это эквивалентно замыканию второго токопроводящего покрытия на диэлектрической полосе на первое токопроводящее покрытие ферритового стержня в месте ее разреза. Поскольку разрез тонкий и полоса второго металлического покрытия проходит с обеих сторон, по СВЧ-сигналу кромки разреза получаются соединенными между собой. В результате СВЧ-сигнал распространяется внутри квадратного ферритового стержня точно так же, как если бы разреза в его металлизации не было, т.е. фазовые скорости ортогональных мод остаются одинаковыми и сумма этих мод, сдвинутых по фазе на 90°, образует собственную кругополяризованную волну фарадеевского фазовращателя. Выполнение ширины второго токопроводящего покрытия меньше 0,8·λ/2√ε, равно как и увеличение ширины второго токопроводящего покрытия больше 1,2·λ/2√ε, ухудшает эффект замыкания краев разреза. Точность, с которой необходимо выдерживать этот параметр, уменьшается с уменьшением толщины диэлектрического слоя, поскольку при этом уменьшается волновое сопротивление вышеупомянутой линии передачи.
Для обеспечения работы элемента ФАР в отражательном режиме в него на выходе ВФФВ установлен отражатель электромагнитной волны.
Элемент может содержать диэлектрический каркас, размещенный между обмоткой намагничивания и боковой поверхностью ФС. Толщина стенок каркаса выбирается минимально возможной, чтобы обеспечить гарантированный зазор между проводом обмотки и спинкой скобы магнитопровода.
Наличие отличительных признаков позволяет сделать вывод о том, что настоящее техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна».
Настоящее изобретение поясняется графическими материалами, где:
на фиг.1 изображен в продольном разрезе заявляемый элемент ФАР;
на фиг.2 показан поперечный разрез в месте расположения башмаков ферритовых скоб по А-А элемента ФАР, изображенного на фиг.1;
на фиг.3 приведен поперечный разрез в увеличенном масштабе ФС с продольным разрезом в токопроводящем покрытии.
На фиг.1-3 обозначено: 1 - диэлектрический излучатель, 2 - волновод излучателя, 3 - согласующий волновод, 4 - диэлектрическая вставка, 5 - ФС, 6 - каркас обмотки намагничивания, 7 - обмотка намагничивания, 8 - ферритовая скоба, 9 - башмак ферритовой скобы, 10 - отражатель, 11 - первое токопроводящее покрытие, 12 - диэлектрическая полоса, 13 - второе токопроводящее покрытие, 14 - выводы обмотки намагничивания, 15 - корпус элемента ФАР, 16 - диэлектрическая заглушка-держатель, 17 - продольный разрез в первом покрытии.
11
11
10
10
01
10
кр
кр
Элемент ФАР работает следующим образом. При падении на ФАР (на чертеже не показана) электромагнитной волны, поляризованной по кругу, от облучателя ФАР (на чертеже не показан) или из свободного пространства на вход волновода 2 диэлектрического излучателя 1 поступает электромагнитная волна, принятая диэлектрическим излучателем 1. В волноводе 2 излучателя 1 возбуждается волна типа Н, с его выхода она поступает на вход согласующего волновода 3 с диэлектрической вставкой 4 и возбуждает в нем также волну типа Н. С выхода согласующего волновода 3 электромагнитная волна поступает в ВФФВ элемента ФАР, который включает ФС 5, обмотку 7 намагничивания с выводами 12 и магнитопровод в виде 4 ферритовых скоб 8. При этом в металлизированном ФС 5 возбуждается волна Н , которая представляет собой суперпозицию волн Н и H, сдвинутых по фазе на 90 градусов. Поскольку ФС имеет квадратное сечение, такая суперпозиция является собственной волной и остается ею при продольном намагничивании ФС. Возбужденная на входе ФС 5 волна Н  распространяется по ФС 5, достигает запредельного волновода (отражателя 10), отражается от него, распространяется в обратном направлении, последовательно проходит ФС 5, согласующий волновод 3, волновод 2 излучателя 1 и излучается ДИ 1 в свободное пространство. Фаза переизлученной элементом ФАР электромагнитной волны, поляризованной по кругу, зависит от длины волны λ, размеров ДИ 1, волноводов 2 и 3, ФС 5, отражателя 10, а также от параметров материалов ДИ 1, диэлектрической вставки 4, ФС 5 и отражателя 10.
Дополнительное изменение фазы переизлученной электромагнитной волны, например, в пределах Δφ=0°-360°, дискретно или непрерывно осуществляется в ВФФВ путем изменения параметров ферритовой среды ФС 5 при его продольном намагничивании. Продольное поле намагничивания создается в ФС 5 обмоткой намагничивания 7, запитываемой через выводы 14 от системы управления лучом ФАР или от источника питания (на рисунках не показаны). Наличие магнитопроводов 8 при плотном примыкании их пяток к ФС 5 обеспечивает сохранение намагниченности СФ 5 и при выключении тока в обмотке 7 за счет наличия гистерезиса ферритового материала ФС 5 и магнитопроводов 8, т.е. управление фазовым сдвигом ВФФВ в режиме магнитной памяти.
10
кр
Выполнение разреза 17 в токопроводящем покрытии 11 ФС 5 и отражателя 8, покрытого симметричной относительно разреза диэлектрической полосой 12 и вторым токопроводящим покрытием 13, обеспечивает повышение быстродействия и уменьшение энергии управления элемента ФАР, поскольку разрез металлизации размыкает короткозамкнутый виток. Той же цели служит отсутствие металлизации торца запредельного волновода отражателя 8, поскольку она замкнула бы собою виток. Первое токопроводящее покрытие 11 на ФС 5, слой примыкающего к ней диэлектрика 12 и второе токопроводящее покрытие 13 его наружной поверхности образуют линию передачи, подобную микрополосковой. Граница второго токопроводящего покрытия 13 образует разрыв этой линии. На расстоянии Λ/4 от этой границы сопротивление между первым и вторым токопроводящими покрытиями делается равным нулю. Здесь Λ - длина волны в однородной среде с диэлектрической проницаемостью диэлектрической полосы (ε), т.е. Λ=λ/√ε. При ширине второго покрытия s=Λ/2 и его симметричном расположении относительно разреза 17 по СВЧ-сигналу происходит замыкание второго токопроводящего покрытия 13 на первое токопроводящее покрытие 11 в месте разреза 17. Поскольку разрез тонкий по СВЧ-сигналу кромки разреза 17 получаются соединенными между собой. В результате волна типа H  распространяется по ФС, не меняя свою структуру. Точность, с которой необходимо выдерживать параметр s, уменьшается с уменьшением толщины диэлектрического слоя, поскольку при этом уменьшается волновое сопротивление вышеупомянутой линии передачи. Для толщины диэлектрической полосы 12 в пределах 3÷5 мкм изменение ширины второго токопроводящего покрытия 13 на более чем на 20% от величины λ/2√ε, как в меньшую, так и в большую стороны, ухудшает эффект замыкания краев разреза, что приводит к недопустимому увеличению потерь ВФФВ.
Для обеспечения режима магнитной памяти скобы магнитопровода 8 своими башмаками 9 должны быть прижаты к ФС с минимальными зазорами. Поэтому суммарная толщина слоев 11, 12 и 13 покрытия не должна превышать 0.001λ. Суммарная площадь сечения скоб 8 должна быть на 10-20% больше площади сечения ФС.
Наличие каркаса 6 допускается, если его применение не вызывает сверхнормативного увеличения поперечных размеров ВФФВ.
Размеры диэлектрического излучателя 1 выбирают из условия согласования элемента ФАР со свободным пространством или с волноводом измерительного тракта.
Предлагаемый элемент ФАР отличается простотой изготовления отдельных деталей и блоков и сборки устройства в целом. При его изготовлении могут быть использованы нормализованные, серийно выпускаемые материалы, клеи и технологические процессы. Волновод 2 излучателя 1, согласующий волновод 3, корпус 15 элемента ФАР - тела вращения, которые могут быть легко изготовлены на высокопроизводительном оборудовании. Волновод 2 излучателя 1 и согласующий волновод 3 целесообразно изготавливать в виде единой детали в виде стакана, в дне которого вырублено квадратное окно.
и
Диэлектрический излучатель 1 может быть выполнен, например, из композитного материала (СВЧ-ферриты и диэлектрики / Проспект. - СПб.: ОАО «Завод Магнетон, 2001. - 20 с.) с относительной диэлектрической проницаемостью ε=3,5-4,5 и изготовлен литьем, прессованием или механической обработкой. Аналогичным образом из композитных материалов (СВЧ-ферриты и диэлектрики / Проспект.- СПб.: ОАО «Завод Магнетон, 2001. - 20 с.) могут быть изготовлены диэлектрическая вставка 4 и каркас 6 обмотки намагничивания 7.
Для изготовления ФС 5 и ферритовых скоб 8 могут быть использованы нормализованные ферритовые материалы (СВЧ-ферриты и диэлектрики / Проспект.- СПб.: ОАО «Завод Магнетон, 2001. - 20 с.), например для изготовления элемента ФАР миллиметрового диапазона - феррит марки 1СЧ12. Простота формы и посадочных поверхностей этих деталей позволяет использовать при их изготовлении широко применяемый процесс плоского алмазного шлифования.
Первое токопроводящее покрытие 11 может наноситься как гальваническим осаждением, так и методом вакуумного напыления. Разрез 17 в первом токопроводящем покрытии 11 может делаться лазером. Нанесение диэлектрической полосы 12 и второго токопроводящего покрытия 13 может осуществляться методом вакуумного напыления.
Сборку заявляемого элемента ФАР целесообразно осуществлять клеевым соединением отдельных деталей с использованием нормализованных клеев. В частности, для клеевого соединения волновода 2 диэлектрического излучателя 1, согласующего волновода 3 и корпуса 15, корпуса 15 и заглушки 16, а также заглушки 16 и отражателя 10, в случае их изготовления в виде отдельных деталей, может быть использован эпоксидный клей марки ВК-9. Для клеевого согласующего волновода 3 и ФС 5 следует применять электропроводящий клей марки ЭК-С, применяемый при монтажных операциях при производстве изделий электронной техники и выдерживающий термоциклирование в интервале температур от -60 до +85°С.
Для сборки заявляемого элемента ФАР нет необходимости разрабатывать специальные кондукторы и приспособления. Все детали, за исключением ферритового блока (образованного ФС 5 с отражателем 10, катушкой 7, каркасом 6 и магнитопроводами 8), - тела вращения, и их осевое центрирование обеспечивается выбором допусков на размеры деталей при их изготовлении. Центровка ферритового блока происходит за счет вставления ФС в квадратное окно согласующего волновода 3. Для повышения стойкости элемента ФАР к атмосферным воздействиям в дополнение к клеевым соединениям отдельных деталей, диэлектрический излучатель 1, диэлектрическая вставка 4 и ферритовый блок могут быть покрыты влагостойким лаком. Для герметизации устройства отверстия для выводов 14 обмотки 7 намагничивания могут быть заполнены герметиком.
При заявляемом конструктивном выполнении элемент ФАР представляет собой прочную и жесткую конструкцию, устойчивую к внешним ударным и вибрационным механическим воздействиям. Предлагаемый элемент ФАР конструктивно прост, технологичен, его изготовление характеризуется низкой трудоемкостью и невысокой стоимостью. Для его создания в условиях серийного производства нет необходимости разрабатывать сложные технологические приспособления и использовать дорогостоящие технологические процессы, характерные для изготовления элемента ФАР, принятого за прототип.
Таким образом, практическая реализация предложенного элемента ФАР не вызывает сомнений.
Предлагаемый элемент ФАР может быть использован в составе многоэлементной фазированной антенной решетки, выводы его обмотки намагничивания соединяются с системой управления лучом ФАР (на чертеже не показана).
Технический результат заключается в создании высокотехнологичного малогабаритного элемента ФАР, с малыми потерями, высоким быстродействием и низкой энергией управления, простого в изготовлении и сборке, прочного и устойчивого к внешним климатическим и механическим воздействиям.
2
э
Эффективность предложенного технического решения проверена экспериментально при создании элементов ФАР миллиметрового диапазона волн в полосе частот прямоугольного волновода сечением 7,2×3,4 мм. Экспериментальный образец элемента ФАР имеет диаметр D не более 0,68λ, что позволяет использовать его при создании плоских отражательных ФАР с широкоугольным электрическим сканированием луча при отклонении его от нормали к раскрытию ФАР до 45°-50°.
Фазовращатель элемента ФАР создает регулируемый фазовый сдвиг Δφ=0°-400°, максимальные вносимые им потери не превышают 1,5 дБ, при этом максимальное время перефазирования не более 20 мкс, а средняя энергия управления не превышает 15 мкДж.