ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ ПОЛЯРИЗАЦИИ АНТЕННОГО ЭЛЕМЕНТА ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в фазированных антенных решетках (ФАР) с ферритовыми фазовращателями для управления переключением поляризации излучаемых/принимаемых СВЧ-радиоволн.
В современных ФАР изменение поляризации излучаемых/принимаемых радиоволн позволяет существенно повысить эффективность радиолокационных систем различного назначения. На эффективность работы антенных элементов ФАР, выполненных в виде ферритовых фазовращателей с управляемой поляризацией, оказывают влияние три основных фактора: режим переключения поляризации, потребляемая мощность, температурная стабильность. Эти факторы особенно существенны в крупногабаритных ФАР, в которых при значительных затратах мощности на управление может происходить перегрев конструкции, а необходимость использования большого количества источников питания усложняет конструкцию ФАР. В связи с этим оптимизация управления переключением поляризации антенных элементов ФАР является актуальной задачей.
Известен СВЧ ферритовый переключатель поляризации, содержащий катушку управления на каркасе со щечками, размещенную внутри отрезка волновода, круглый ферритовый стержень с металлизированной боковой поверхностью, введенный в каркас катушки управления, согласующий керамический элемент, прикрепленный к выходному торцу ферритового стержня, крепежно-волноведущие металлические кольца, вставленные без зазора в отрезок волновода и охватывающие без зазора концы ферритового стержня, выступающие из каркаса катушки управления, пермаллоевые кольца, толщиной менее 0,35 мм, расположенные с двух сторон между наружной поверхностью щечек каркаса катушки и крепежно-волноведущими кольцами [1]. Недостатком данного устройства является отсутствие «памяти» при управлении поляризацией, что требует управления с помощью питания током. Это приводит к большим затратам мощности питания и значительной нестабильности в интервале температур, т.к. параметры феррита меняются, но никаких мер по температурной стабилизации не предусмотрено
Известен управляемый переключатель поляризации, содержащий металлизированный ферритовый стержень квадратного сечения и расположенные на его сторонах магнитопроводы, имеющие пазы для фиксации катушки управления переключением поляризации, которая выполнена с по меньшей мере двумя обмотками, расположенными внутри пазов магнитопроводов ниже верхней поверхности магнитопроводов с возможностью обеспечения управляемого перехода с одного вида поляризации на другой в любой последовательности,
при этом размеры, в том числе длина и высота, пазов магнитопроводов не более λ/20, где λ - длина волны в свободном пространстве [2]. Недостаток данного устройства также состоит в низкой температурной стабильности, обусловленной тем, что при работе по методу UT из точки обнуления изменение остаточной индукции приводит к тому, что в интервале температур рабочая точка смещается пропорционально изменению остаточной индукции.
Наиболее близким аналогом полезной модели является преобразователь поляризации радиоволн, содержащий металлизированный цилиндрический ферритовый стержень, на диаметрально противоположных поверхностях которого укреплены два ферритовых с прямоугольной петлей гистерезиса магнитопровода с башмаками, внутренняя поверхность которых выполнена по форме окружности цилиндрического ферритового стержня, на ней по оси симметрии выполнена канавка глубиной (0,25-0,35)R и шириной (0,1-0,2)С, где R и С, соответственно, радиус и длина окружности цилиндрического ферритового стержня, а вдоль этой канавки и наружных граней магнитопроводов уложены витки обмотки управления [3]. В устройстве используются два способа переключения поляризации: переключение по предельной кривой петли гистерезиса ферритового стержня и переключение по частным циклам. В первом способе перед каждым переключением поляризации на обмотку управления подается импульс напряжения сброса, который из текущего состояния намагниченности ферритового стержня обеспечивает перевод ее на предельную кривую петли гистерезиса в точку с остаточной намагниченностью Mr. Из этого состояния ферритовый стержень перемагничивается определенными импульсами напряжения до намагниченности М=Мк (где к=1, 2, 3, 4), при которой обеспечивается одна из 4-х эллиптичностей (2 круговые с лево- или правосторонним вращением и 2 линейные - вертикальная или горизонтальная). Во втором способе переключение на первый вид поляризации осуществляется также двумя импульсами напряжения через состояние намагниченности М=Mr: импульсом сброса и импульсом, переводящим намагниченность в состояние М=0. Затем переключение поляризации осуществляется одним импульсом напряжения, длительность и полярность которого определяет, с какой поляризации на какую производится переключение.
Причины, препятствующие достижению указанного ниже технического результата при использовании этого преобразователя поляризации радиоволн (прототипа), заключаются в следующем. Первый способ переключения поляризации более стабилен в режиме многократного переключения, т.к. переключение происходит по предельной кривой петли гистерезиса через стабильную точку с М=Mr, в то время, как во втором способе - по частным петлям гистерезиса, которые при многократных переключениях могут сместиться и
изменить поляризацию. Второй способ требует меньших затрат энергии, чем первый, т.к. переключение поляризации производится одним импульсом напряжения. Однако, для восстановления стабильности эллиптичности требуется время от времени производить переключение поляризации через предельную кривую петли гистерезиса, т.е. двумя импульсами. При этом данный преобразователь поляризации весьма чувствителен к изменению величины остаточной намагниченности Mr. При изменении значения Mr на величину ΔМr все четыре рабочие намагниченности Мк, обеспечивающие 4 вида поляризации радиоволн, также изменятся на величину ΔМr. Это приводит к искажению эллиптичности тем сильнее, чем больше величина ΔМr. Поскольку изменение величины Mr связано с разбросом параметров ферритового стержня, величиной зазора между поверхностью металлизированного ферритового стержня и внутренними поверхностями башмаков магнитопроводов, а также в значительной мере с изменением температуры, то известный преобразователь поляризации радиоволн обладает низкой температурной стабильностью, что ухудшает эффективность его работы.
Сущность полезной модели заключается в следующем.
Задачей, ею решаемой, является обеспечение температурной стабильности переключателя поляризации антенного элемента ФАР, использующего ферритовый фазовращатель.
Указанный технический результат достигается тем, что известный преобразователь поляризации радиоволн, содержащий металлизированный ферритовый стержень, на противоположных поверхностях которого укреплены два ферритовых магнитопровода с башмаками, внутренняя поверхность которых выполнена по форме поверхности металлизированного ферритового стержня, на ней по оси симметрии выполнена канавка, вдоль которой и наружных граней магнитопроводов уложены витки обмотки управления, согласно изобретению снабжен двумя дополнительными, идентичными первым двум, магнитопроводами с обмотками управления, которые установлены на том же металлизированном ферритовом стержне, образуя двухсекционный переключатель поляризации, при этом в каждой секции обмотка управления выполнена двойной в виде катушки набора и катушки сброса, выводы которых выполнены с возможностью обеспечения управляемого перехода с одного вида поляризации на другой, общий продольный размер переключателя поляризации равен (0,8-1,2)λ,, а расстояние между секциями - λ/10, где λ - длина радиоволны в свободном пространстве.
Металлизированный ферритовый стержень в поперечном сечении имеет круглую форму и магнитопроводы установлены на его диаметрально противоположных поверхностях, или квадратную форму, а магнитопроводы установлены вдоль его противоположных
ребер.
В обеих секциях выводы катушек набора и сброса выполнены свободными, или выводы катушек набора в обеих секциях выполнены свободными, а катушка сброса одной секции соединена с катушкой сброса второй секции последовательно либо параллельно.
Полезная модель поясняется чертежами, на которых представлены: фиг.1 - устройство переключателя поляризации антенного элемента ФАР; фиг.2 - разрез по А-А;
фиг.3 - вариант выполнения устройства; фиг.4 - схема обмотки управления секции переключателя поляризации; фиг.5, фиг.6 - варианты соединения обмоток управления переключателя поляризации; фиг.7 (а, б, в, г) - кривые петли гистерезиса намагничивания, иллюстрирующие работу переключателя поляризации; фиг.8 - обобщенные кривые петли гистерезиса намагничивания, поясняющие принцип температурной стабильности переключателя поляризации.
Переключатель поляризации антенного элемента ФАР (фиг.1) содержит ферритовый стержень 1, покрытый тонким (порядка 1,5 мкм) слоем металлизации 2. В поперечном сечении ферритовый стержень 1 может иметь круглую (фиг.2) или квадратную форму (фиг.3). В первом случае на диаметрально противоположных поверхностях металлизации 2 укреплены первая (3, 4) и вторая (5, 6) пары магнитопроводов с обмотками управления так, что плоскость их симметрии совпадает с диаметральной плоскостью цилиндрического ферритового стержня 1. Во втором случае магнитопроводы 3, 5 и магнитопроводы 4, 6 попарно расположены вдоль противоположных ребер квадратного ферритового стержня 1 так, что их плоскость симметрии совпадает с диагональной плоскостью квадратного стержня. Первая 3, 4 и вторая 5, 6 пары магнитопроводов с обмотками управления образуют, соответственно, первую (I) и вторую (II) секции переключателя поляризации. Для исключения взаимного влияния одной секции на другую общий продольный размер переключателя поляризации выбран равным (0,8-1,2)λ, а расстояние между секциями - λ/10, где λ - длина радиоволны волны в свободном пространстве.
Магнитопроводы 3, 4 и магнитопроводы 5, 6 изготовлены из феррита с кривой петли гистерезиса, близкой к прямоугольной, например, феррита марки 100П [4]. Внутренние поверхности башмаков 11 магнитопроводов выполнены по форме поверхности ферритового стержня 1, отшлифованы с высоким классом точности, плотно прижаты с помощью, например, нитяного бандажа (на чертеже не показано) к металлизированной поверхности 2 так, чтобы зазор между ними не превышал 30 мкм. Полюса магнитопроводов 3, 4 и магнитопроводов 5, 6 в парах расположены напротив друг друга, площадь прилегания полюсов определяется экспериментально. В пазах 12, выполненных в башмаках 11 и на наружных гранях по продольной оси магнитопроводов 3, 4 и магнитопроводов 5, 6, уложены
витки обмотки управления 7, 8 первой секции I и обмотки управления 9, 10 второй секции II переключателя поляризации. Эти обмотки идентичны и выполнены двойными (фиг.4) в виде катушки сброса 13 и катушки набора 14, половины витков которых уложены, соответственно, на магнитопроводах 3, 4 и магнитопроводах 5, 6. Выводы катушек набора 14 в обеих секциях выполнены свободными и подключаются каждая к своему генератору импульсов набора. В зависимости от конструктивных особенностей и назначения ФАР подключение выводов катушек сброса 13 обеих секций может иметь несколько вариантов: они могут быть свободными и каждая из них подключается к своему генератору импульсов сброса; катушка сброса 13 первой секции I соединена последовательно с катушкой сброса 13 второй секции II (фиг.5) и эти катушки подключаются к одному генератору импульсов сброса; катушка сброса 13 первой секции I соединена параллельно с катушкой сброса 13 второй секции II (фиг.6) и эти катушки также подключаются к одному генератору импульсов сброса. В последнем случае за счет параллельного включения индуктивностей катушек сброса 13 увеличивается быстродействие заявленного переключателя поляризации.
Переключатель поляризации антенного элемента ФАР работает следующим образом. При подаче импульсов сброса на свободные выводы катушек сброса 13 первой I и второй II секций (фиг.4) магнитная система переключателя поляризации переходит в состояние, характеризующееся точкой -Mr на кривой петли гистерезиса для первой секции I (фиг.7а) и точкой +Мг на кривой петли гистерезиса для второй секции II (фиг.7б). Если катушки сброса 13 обеих секций соединены последовательно (фиг.5) или параллельно (фиг.6), то при подаче на их выводы импульсов сброса магнитная система также переходит в состояние, характеризующееся точкой -Mr на кривой петли гистерезиса для первой секции I (фиг.7а) и точкой +Мr на кривой петли гистерезиса для второй секции II (фиг.7б). В этих случаях магнитные системы секций намагничиваются в противоположных направлениях, их действия компенсируют влияние друг друга и через фазовращатель антенного элемента проходит радиоволна с круговой поляризацией. В этом состоянии переключатель поляризации действует так же, как если бы он был размагничен и обеспечивает проход радиоволны с круговой поляризацией без изменения эллиптичности.
Для работы на линейной поляризации на катушку набора 14, например, второй секции II подают прямоугольный импульс напряжения определенной длительности, который переводит магнитную систему этой секции в точку -М на кривой петли гистерезиса (фиг.7г). При этом суммарная намагниченность секций (фиг.7а, фиг.7г) будет равна (-Мr-М), что соответствует линейной поляризации. Для переключения на ортогональную линейную поляризацию производят сброс и магнитная система переключателя поляризации
переходит в состояние, характеризующееся точкой -Mr на кривой петли гистерезиса для первой секции I (фиг.7а) и точкой +Мг на кривой петли гистерезиса для второй секции II (фиг.7б). Затем на катушку набора 14 первой секции I подают прямоугольный импульс напряжения определенной длительности, который переводит магнитную систему этой секции в точку М на кривой петли гистерезиса (фиг.7в). Суммарная намагниченность при этом будет пропорциональна величине (М+Мr), что соответствует ортогональной линейной поляризации.
Таким образом, ортогональные линейные поляризации в переключателе получаются путем изменения величины намагниченности одной из секций на определенную величину ΔМ в результате подачи прямоугольного импульса напряжения определенной длительности на катушку набора этой секции. Поскольку в схеме управления UТ величина Доопределяется только амплитудой напряжения U и длительностью прямоугольного импульса набора Т и не зависит от температуры, то и эллиптичность поляризации не зависит от температуры. В следствие этого заявленный переключатель поляризации обладает повышенной температурной стабильностью. Это свойство иллюстрируется фиг.8, на которой рабочие точки -Mr и +Мr на обобщенной кривой петли гистерезиса переключателя поляризации, изображенной сплошной линией, были получены при нормальной температуре. Общий эффект был пропорционален намагниченности (+Мr+М). При изменении температуры, например, в сторону уменьшения, намагниченность феррита изменяется на величину δМ (кривая петли гистерезиса изображена пунктирной линией). В этом случае при постоянстве амплитуды и длительности прямоугольного управляющего импульса получим точку +Мr*=(Mr+δМ) и точку М*=(М-δМ), а суммарная намагниченность будет равна:
+Мr*+М*=(+Мr+δМ)+(М-δМ)=(+Мr+М).
То есть, намагниченность системы при изменении температуры остается постоянной.
Источники информации:
1. RU 29409 U1, H 01 P 1/18, 2003.
2. RU 2194342 C1, H 01 P 1/19, 2002.
3. RU 27269 U1, H 01 P 1/16, 2003.
4. Мишин Д.Д. Магнитные материалы: Учебное пособие для вузов. - М.: «Высш. шк.», 1991, стр.220, таблица 16.3.