ПРОХОДНОЙ ЭЛЕМЕНТ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ

Область техники
Полезная модель относится к области радиотехники сверхвысокочастотного и крайне высокочастотного диапазонов, а именно к конструкциям проходных элементов фазированных антенных решеток (ФАР), и может быть использована в радиолокационных системах с широкоугольным электрическим сканированием луча антенны.
Уровень техники
Из уровня техники известен Элемент фазированной антенной решетки (патент RU 166140, МПК H01Q 21/00, опубликован 20.11.2016), содержащий входной и выходной диэлектрические излучатели, волноводный ферритовый фазовращатель (ВФФВ), состоящий из цилиндрического волнового ферритового стержня (ФС) квадратного поперечного сечения, размещенного вместе с обмоткой его продольного намагничивания внутри внешнего магнитопровода, выполненного в виде четырех П-образных ферритовых скоб, каждая из которых состоит из полочки и двух башмаков, прилегающих плоскими подошвами к одной из четырех граней ферритового стержня, волновода ферритового фазовращателя в виде токопроводящего покрытия боковой поверхности ферритового стержня, входной и выходной волноводы, состоящие из волноводов излучателей, согласующих волноводов и трансформаторов, размещенных между торцами ферритового стержня и хвостовиками диэлектрических излучателей, и корпус в виде цилиндрической гильзы, отличающийся тем, что токопроводящее покрытие боковой поверхности ферритового стержня выполнено из внутреннего медного слоя толщиной (1,2-2,0)d, где d - толщина скин-слоя в меди на рабочей частоте фазовращателя, мкм, и наружного никелевого слоя толщиной (1,5-3,0)d, корпус выполнен из немагнитного металла.
Недостатками аналога являются наличие металлизации ферритового стержня, несущее отрицательные эффекты в виде повышенных энергетических затрат на перемагничивание и неоптимального быстродействия.
ск
ст
ст
и
Из уровня техники известен также Элемент фазированной отражательной антенной решетки (патент RU 2474018, МПК H01Q 21/29, опубликован 27.01.2013), содержащий излучатель, цилиндрический ФС, обмотку его продольного намагничивания, внешний магнитопровод в виде нескольких равномерно расположенных по цилиндрической поверхности, соосной ферритовому стержню, неперекрывающихся продольных полосок, соединенных с одного конца отражателем с торцем ФС, а с другого конца с боковой поверхностью ФС - башмаками, выполненными как и продольные полоски, и отражатель из магнитного материала, отличающийся тем, что все элементы расположены в едином волноводе, выполняющем функцию корпуса, в элемент фазированной отражательной антенной решетки дополнительно введен волновод излучателя, отражатель в виде тонкой пленки токопроводящего покрытия на поверхности пластины, примыкающей к первому торцу ферритового стержня, согласующий волновод с диэлектрическими шайбами, к торцу которого вторым торцем примыкает ФС, с размещенным на нем каркасом катушки с обмоткой намагничивания, а каждая полоска с башмаком выполнена в виде единого Г-образного магнитопровода, изготовленного, как и пластина, из ферритового материала, причем толщина башмаков должна удовлетворять условию l=0,3…0,4t, где t - размер поперечного сечения стержня, а излучатель выполнен из материала с диэлектрической проницаемостью ε, равной 2,5-4, причем волновод излучателя частично входит в корпус с возможностью фиксирования его во внутренней поверхности корпуса.
Недостатками аналога является относительно большой поперечный размер элемента (диаметр до 1,1 длины волны), а также сложность изготовления ферритовых деталей с цилиндрической формой образующей контактных поверхностей.
Наиболее близким техническим решением является Элемент фазированной антенной решетки (патент RU 166711, МПК H01Q 21/00, опубликован 10.12.2016), принятый в качестве прототипа и содержащий входной и выходной диэлектрические излучатели с круглыми цилиндрическими углублениями в центре торцов, волноводный ферритовый фазовращатель, состоящий из цилиндрического волнового ферритового стержня квадратного поперечного сечения, размещенного вместе с обмоткой его продольного намагничивания внутри внешнего магнитопровода, выполненного в виде четырех П-образных ферритовых скоб, каждая из которых состоит из полочки и двух башмаков, прилегающих плоскими подошвами к одной из четырех граней ФС, волновода ферритового фазовращателя в виде токопроводящего покрытия боковой поверхности ферритового стержня, входной и выходной волноводы, состоящие из волноводов излучателей, согласующих волноводов и трансформаторов, размещенных между торцами ферритового стержня и хвостовиками диэлектрических излучателей, и корпус в виде цилиндрической гильзы, отличающийся тем, что глубина круглого цилиндрического углубления в центре торца излучателя превышает высоту круглого цилиндрического выступа трансформатора на 0,2-0,3 мм, образуя воздушный зазор.
К недостаткам прототипа относятся наличие токопроводящего покрытия на боковой поверхности ФС, обусловливающее повышенные время и энергию переключения, относительно большие поперечные размеры устройства (до 0,6λ), сложность конструкции и изготовления, обусловленные наличием сложного согласующего диэлектрического перехода, состоящего из короткозамыкателя, согласующего волновода и трансформатора, а также токопроводящего покрытия.
Раскрытие сущности полезной модели
Задачей предлагаемой полезной модели является устранение недостатков прототипа.
Технический результат состоит в уменьшении поперечного размера, минимизации времени и энергии переключения при упрощении конструкции и процесса ее изготовления.
cm
cm
Указанный технический результат достигается в проходном элементе фазированной антенной решетки продольного намагничивания с магнитной памятью, работающем на волнах круговой поляризации, содержащем приемный и апертурный диэлектрические излучатели с цилиндрическими углублениями в торцах, волноводный ферритовый фазовращатель, состоящий из ферритового стержня квадратного поперечного сечения, размещенного вместе с обмоткой его намагничивания внутри магнитопровода, выполненного в виде четырех П-образных ферритовых скоб, каждая из которых состоит из полочки и двух башмаков, прилегающих плоскими подошвами к одной из четырех граней ферритового стержня, волноводы излучателей и согласующие трансформаторы, размещенные между торцами ферритового стержня и хвостовиками диэлектрических излучателей, а также корпус в виде цилиндрической оболочки, отличающемся тем, что ферритовый стержень выполнен без токопроводящего покрытия, длина его l не более 1,5λ, где λ - средняя длина волны рабочего диапазона частот, размер стороны a находится в диапазоне от 0,225λ до 0,25λ, при этом ширина, а также длина у ферритовых скоб с учетом торцовых зазоров и у стержня, соответственно равны, материал ферритовых скоб имеет более высокую остаточную намагниченность и более высокую коэрцитивную силу в сравнении с материалом ФС, высота ферритовых скоб не превышает 0,1λ, при этом на их поверхностях, примыкающих к внутренней поверхности корпуса, выполнены фаски, материал согласующего трансформатора имеет диэлектрическую проницаемость от 12 до 14, отношение площадей основания согласующего трансформатора и торца ФС не превышает 1,2, а обмотка намагничивания расположена между внутренним и внешним радиопоглощающими экранами. В частности внутренний радиопоглощающий экран является многослойным.
В частности внешний радиопоглощающий экран является многослойным.
Краткое описание чертежей
Техническое решение поясняется фиг. 1, 2.
На фиг.1 представлен вид сбоку устройства в разрезе.
На фиг.2 - поперечный разрез А-А устройства.
На фигурах обозначено: 1 - корпус, 2 - волноводы, 3 - апертурный излучатель, 4 - приемный излучатель, 5 - выступ, 6 - согласующий трансформатор, 7 - основание, 8 - волноводный ферритовый фазовращатель, 9 - ферритовый стержень, 10 - внутренний радиопоглощающий экран, 11 -внешний радиопоглощающий экран, 12 - обмотка, 13 - магнитопровод, 14 -ферритовая скоба, 15 - полка, 16 - башмак, 17 - фаска.
Осуществление полезной модели
Проходной элемент фазированной антенной решетки содержит корпус 1, в него соосно через волноводы 2 с двух сторон закреплены апертурный 3 и приемный 4 излучатели своими цилиндрическими частями, в осевые отверстия которых вставлены выступами 5 согласующие трансформаторы 6, примыкающие основаниями 7 к торцам ВФФВ 8, состоящего из ферритового стержня 9 квадратной формы поперечного сечения, расположенной на нем через внутренний радиопоглощающий экран 10 и покрытой внешним радиопоглощающим экраном 11 обмотки 12 продольного намагничивания ферритового стержня 9, заключенных в магнитопровод 13 в виде системы П-образных ферритовых скоб 14, размещенных по одной на каждой боковой грани ферритового стержня 9 и состоящих каждая из полки 15 и двух башмаков 16 на ее продольных краях, на примыкающей к внутренней поверхности корпуса 1 внешней грани полки 15 скобы 14 выполнены фаски 17.
Использование ФС без токопроводящего покрытия позволяет обеспечить максимально достижимый, по сравнению с образцами с металлизированным ФС аналогичной конструкции, уровень активности ВФФВ (величины регулируемого фазового набега на единицу длины), что позволяет уменьшить время и энергию управления фазовым сдвигом до минимальных затрат, необходимых на перемагничивание доменов феррита. При этом проходной элемент ФАР упрощается конструктивно и технологически, т.к. в изготовлении процессы придания ФС токопроводящего покрытия являются технологически сложными.
cm
Размер поперечного сечения ферритового стержня 9 ограничен условиями высокой локализации потока энергии рабочей волны в пределах ФС 9 с целью уменьшения потерь в результате дифракции на обмотке 12 и стабильности фазового сдвига в частотном диапазоне. Согласно расчетам, приемлемый размер стороны поперечного сечения ферритового стержня 9 a, находится в диапазоне от 0,225λ до 0,25λ, где нижняя граница диапазона определяется условием обеспечения стабильного фазового сдвига в диапазоне частот, а верхняя определяется условиями размещения магнитной системы в корпусе 1, являющегося волноводом.
Для уменьшения диаметра элемента ФАР поперечные размеры ферритовых скоб 14 (высота) ограничиваются сверху значением в 0,1λ при сохранении однородности магнитной цепи за счет выполнения скоб из феррита с большей остаточной намагниченностью и большей коэрцитивной силой в сравнении с ферритом ФС 9. Избыточные магнитные потери в ферритовых скобах 14 позволяют гасить побочные резонансы высших типов, вызванные различными нарушениями симметрии в конструкции. Для дополнительного уменьшения диаметра элемента ФАР на поверхностях ферритовых скоб 14, примыкающих к внутренней поверхности корпуса 1, выполнены фаски 17, влияние которых учитывается при выборе параметров ВФФВ 8. Для снижения дифракционных потерь на переходе от волноводов 2 излучателей 3 и 4 к ВФФВ 8 предлагается упростить сложные согласующие диэлектрические переходы прототипа, используя только согласующие трансформаторы 6 с диэлектрической проницаемостью от 12 до 14, и отношением площади основания 7 согласующего трансформатора 6 к площади торца ФС 9 не превышающим 1,2. Такие отличия позволяют упростить конструкцию проходного элемента ФАР в целом, снизить диаметр пятна возбуждения ВФФВ 8 и в тоже время обеспечить более эффективное возбуждение волны рабочего типа.
Для обеспечения нерезонансного режима работы ВФФВ 8 предлагается наиболее просто реализуемый метод управления положением резонансов, заключающийся в подборе длины ферритового стержня 9 до значения, не превышающего 1,51. Длина волновода ВФФВ 8 проходного элемента ФАР обеспечивает нерезонансный режим работы и, соответственно, низкий уровень вносимых потерь и малый коэффициент отражения феррито-диэлектрической волноведущей структуры за счет взаимной компенсации постоянных распространения волн основного типа в неметаллизированном ФС 9 и волн высших типов в скобах магнитопровода 11. Значение длины ФС 9 - результирующий параметр по оптимизации всей конструкции ВФФВ 8 проходного элемента ФАР с целью одновременного обеспечения необходимого управляемого фазового сдвига с минимальными временем и энергией переключения (перемагничивания) и исключения резонансного поглощения в рабочей полосе частот.
Ширина, а также длина у ферритовых скоб 14 с учетом торцовых зазоров и у ФС 9, соответственно, равны. Это способствует минимизации размеров ВФФВ 8 с магнитной памятью при обеспечении минимизации потерь электромагнитной волны, обусловленных рассеянием на ферритовых скобах 14, и высокой активности ФС 9, приближенной к максимально возможной. Торцовые зазоры ферритовых скоб 14 с волноводами 2 излучателей 3 и 4, изготавливаемых, как правило, из сплавов, предназначены для нормальной эксплуатации при повышенных температурах окружающей среды.
Наличие катушки существенным образом влияет на распространение в ВФФВ высших типов волн. Для снижения потерь от взаимного влияния обмотки 12, ферритового стержня 9, ферритовых скоб 14 на распространение рабочей волны, обмотка 12 намагничивания отделена от поверхности ФС 9 и ферритовых скоб 14 внутренним 10 и внешним 11 радиопоглощающими экранами, выполненными из радиопоглощающих диэлектрических материалов. Экраны могут выполняться многослойными. Внутренний радиопоглощающий экран 10, концентрично заключающий в себя ФС 9, может служить каркасом для обмотки катушки намагничивания, материалом для него может быть, например, полиэтилен или полистирол. Внутренним 10 и/или внешним 11 радиопоглощающим экраном (или одним из их слоев) могут быть адгезионные составы, снижающие добротность обмотки 12 и паразитные колебания ФС 9, для чего возможно применение диэлектрических клеевых составов с радиопоглощающими свойствами, например серии БФ, или радиопоглощающих компаундов, например ЗИПСИЛ 410 РПМ-Л.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что с помощью моделирования была найдена близкая к оптимальной феррито-диэлектрическая структура, позволяющая реализовать проходной элемент ФАР на базе ФС без токопроводящего покрытия, с уменьшенным поперечным размером элемента, не превышающим 0,5λ, минимизированными временем и энергией переключения. Дополнительным результатом стало упрощение конструкции и процесса ее изготовления за счет использования только согласующего трансформатора вместо сложного диэлектрического перехода и исключения необходимости нанесения токопроводящего покрытия на ФС. Устройство используется следующим образом.
Элемент фазированной антенной решетки в составе радиолокационной системы, как правило, работает в двух режимах: в режиме передачи и режиме приема. В режиме передачи электромагнитная волна с круговой поляризацией поля, падающая на раскрыв антенны, составленной из предлагаемых проходных элементов ФАР, возбуждает поверхностную волну НЕ11 приемного излучателя 4. Поверхностная волна возбуждает волну H11 в волноводе 2 приемного излучателя, которая за счет контакта с цилиндрической частью излучателя 4 выступа 5 согласующего трансформатора 6 и его основания 7 с ВФФВ 8 преобразуется в последнем в поверхностную волну НЕ11, концентрируемую и направляемую ферритовым стержнем 9, при этом волна получает дополнительное управляемое изменение фазы в заданных пределах (верхний предел не менее 390°) посредством изменения постоянной распространения поверхностной волны ферритового стержня 9 вызванного изменением состояния намагниченности ферритовой среды и сопутствующим изменением эффективной магнитной проницаемости для волны с круговой поляризацией поля за счет создания обмоткой 12 намагничивания, расположенной для снижения паразитных колебаний между внутренним 10 и внешним И радиопоглощающими экранами, продольного поля намагничивания с соответствующим значением магнитной индукции в момент прохождения по обмотке 12 управляющего импульса, изменяющего параметры ферритовых сред ферритового стержня 9 и ферритовых скоб 14, степень же изменения определяет значение фазового сдвига у волны, которое фиксируется до следующего импульса за счет эффекта памяти, обеспечиваемого магнитопроводом 13, создающего замкнутую магнитную цепь, с малыми полями рассеяния, плотным прилеганием башмаков 16 своих П-образных ферритовых скоб 14 к ферритовому стержню 9 посредством упора примыкающих к внутренней поверхности корпуса 1 поверхностей фасок 17 на внешних гранях полок 15, после выхода из ВФФВ 8 через аналогичный согласующий трансформатор 6 поверхностная волна возбуждает волновод 2 апертурного излучателя 3, а затем, через апертурный излучатель 3, излучается в свободное пространство. Работа элемента ФАР в режиме приема аналогична с точностью до изменения направления распространения волн на обратное.
Таким образом, подобранные, в основном с помощью расчетного алгоритма, конфигурация, размеры и относительные характеристики материалов ферритовых деталей волноводного ферритового фазовращателя 8, согласующего трансформатора 6, а также использование внутреннего 10 и внешнего 11 радиопоглощающих экранов, позволяют сформировать необходимую электромагнитную полевую структуру сложного феррито-диэлектрического волновода, которая практически не взаимодействует с обмоткой 12, не передается в ферритовых скобах 14, не способствует возбуждению волн высших типов. В результате получены, в обозначенных формулой полезной модели диапазонах параметров в зависимости от требований по предпочтительному соотношению эксплуатационных показателей, целесообразные технические решения проходного элемента ФАР с поперечным размером до 0,5λ, обеспечивающие, при упрощении конструкции и процесса изготовления, работу устройства в секторе сканирования с углом раскрыва до ±60° в сантиметровом диапазоне длин волн с уровнем вносимых потерь не более 1,7Дб, с минимизированными временем (не более 110 мкс) и энергией переключения (не более 200 мкДж). Эти показатели получены в испытаниях и являются передовыми в своем классе.