ПРОХОДНОЙ ЭЛЕМЕНТ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ

Полезная модель относится к области радиотехники сверхвысокочастотного (СВЧ)-диапазона и крайне высокочастотного (КВЧ)-диапазона, в частности - к конструкциям элементов фазированных антенных решеток (ФАР), и может быть использована в радиолокационных системах (РЛС) с электрическим сканированием луча.
Известны волноводные проходные ФАР с пространственным возбуждением, у которых прием электромагнитных волн от первичного облучателя осуществляется одними (например, приемными), а излучение в пространство - другими (например, апертурными) излучателями.
Известны элементы проходных ФАР, осуществляющих электрическое сканирование луча. Каждый из этих элементов может быть выполнен, например, в виде последовательно соединенных приемного и апертурного волноводно-диэлектрических излучателей и размещенного между ними волноводного ферритового фарадеевского фазовращателя (ФФВ) с продольным полем намагничивания и с магнитной памятью, пропускающего кругополяризованные волны.
Так, известен приемопередающий элемент ФАР (см. патент RU 2184410, МПК H01Q 21/00, Н01Р 1/19, опубликован 27.06.2002), включающий диэлектрические излучатели и фазовращатель, состоящий из намагничивающей обмотки, расположенной внутри магнитопровода, и цилиндрического ферритового стержня, установленного внутри намагничивающей обмотки. 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 выполнена конусообразная замкнутая по окружности канавка, на поверхность которой нанесено металлизированное покрытие, а свободные концы диэлектрических излучателей имеют конусообразную или цилиндрическую форму. 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. 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.
Для известного приемопередающего элемента ФАР характерны низкая прочность при заведомо увеличенной длине, многоволновый режим работы ферритового фазовращателя и высокий уровень резонансных СВЧ-потерь, обусловленных возникновением в волноводном канале элемента ФАР волн высших типов, и работа только на кругополяризованных электромагнитных волнах.
и
Известен элемент ФАР (см. патент RU 2325741, МПК H01Q 21/00, Н01Р 1/19, опубликован 27.05.2008), включающий входной и выходной диэлектрические излучатели и волноводный ФФВ. ФФВ состоит 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 гране ферритового стержня. Волновод элемента ФАР образован токопроводящим покрытием боковой поверхности ферритового стержня. Имеются 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. 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. Диэлектрические проницаемости материалов диэлектрической вставки и ферритового стержня выбраны, исходя из обеспечения согласования фазовращателя с излучателями и обеспечения одноволнового режима работы. Элемент ФАР помещен внутрь корпуса, выполненного в виде металлической цилиндрической гильзы, соединенной с волноводами излучателей клеевым соединением. На наружной поверхности корпуса расположена печатная плата, к контактам которой присоединены провода обмотки намагничивания, выведенные через пазы в корпусе.
Известный элемент ФАР с пространственным возбуждением конструктивно более прост, технологичен, не требует при практической реализации новых материалов и сложных технологических процессов, реализован в КВЧ-диапазоне волн для ФАР со сканированием луча в секторе углов до ±45° по двум координатам. Однако известный элемент ФАР излучает и принимает только кругополяризованные электромагнитные волны. В то время как в ряде практических применений ФАР в РЛС СВЧ- и КВЧ-диапазонов, например, в бортовых самолетных и вертолетных РЛС, требуется излучение и прием электромагнитных волн с линейной, например, горизонтальной поляризацией поля.
Известен элемент ФАР (см. патент RU 2461931, МПК H01Q 21/00 Н01Р 1/19, опубликован 20.09.2012), содержащий корпус в виде тонкостенной цилиндрической гильзы, приемный и апертурный излучатели и волноводы, примыкающие к ним согласующие диэлектрические вставки и волноводный ферритовый фазовращатель, состоящий из ферритового стержня с квадратной формой поперечного сечения с пленкой токопроводящего покрытия на боковой поверхности, размещенного вместе с обмоткой его продольного намагничивания внутри магнитопровода, выполненного в виде четырех П-образных ферритовых скоб, установленных по одной на гранях ферритового стержня. С целью уменьшения поперечных размеров элемента ФАР внешняя боковая поверхность ферритовых скоб выполнена цилиндрической, совпадающей с внутренней поверхностью корпуса элемента ФАР. Для повышения жесткости, прочности и стойкости к внешним механическим воздействиям внутри ФФВ введены диэлектрические шайбы, центрующие ферритовый блок ФФВ внутри корпуса элемента ФАР.
Основной недостаток известного элемента ФАР состоит в том, то он пропускает только кругополяризованные электромагнитные волны.
Известен антенный элемент ФАР (см. патент RU 2237324, МПК H01Q 21/24, Н01Р 1/19, Н01Р 1/175, опубликован 27.09.2004), содержащий фазовращатель круговой поляризации с обмоткой управления и ферритовыми магнитопроводами, включающий участок металлизированного ферритового стержня круглого сечения, образующий волновод круглого сечения, соединенный через волноводный переход длиной не менее λ/8 с управляемым переключателем поляризации. Переключатель поляризации включает участок металлизированного ферритового стержня квадратного сечения, образующий волновод квадратного сечения, и расположенные на его сторонах магнитопроводы, имеющие пазы для фиксации катушки управления переключением поляризации. Катушка управления переключением поляризации выполнена, по меньшей мере, с двумя обмотками, расположенными внутри указанных пазов с возможностью обеспечения управляемого перехода с одного вида поляризации на другой в любой последовательности. Размер диагонали квадратного сечения соответствующего участка металлизированного стержня не более диаметра участка металлизированного ферритового стержня круглого сечения.
Известный элемент ФАР имеет небольшие габариты, малое потребление энергии и малое время переключения различных видов поляризаций. К его недостаткам относится сложность конструктивного выполнения фазовращателя на основе круглого ферритового стержня, а переключателя поляризации на основе ферритового стержня квадратного сечения, а также необходимость введения волноводного перехода между стержнями.
Известен антенный элемент ФАР (см. патент RU 2194342, МПК H01Q 21/00, Н01Р 1/19, Н01Р 1/175, опубликован 10.12.2002), содержащий фазовращатель круговой поляризации, включающий металлизированный ферритовый стержень круглого сечения, образующий волновод круглого сечения, с обмоткой управления и управляемый переключатель поляризации, включающий металлизированный ферритовый стержень квадратного сечения, образующий волновод квадратного сечения, и расположенные на его сторонах магнитопроводы, имеющие пазы для фиксации катушки управления переключением поляризации. Соединение ферритового фазовращателя с управляемым переключателем поляризации выполнено в виде волноводного перехода длиной не менее λ/8. Катушка управления переключением поляризации выполнена, по меньшей мере, с двумя обмотками, которые расположены внутри пазов магнитопроводов ниже внешней верхней поверхности магнитопроводов с возможностью обеспечения управляемого перехода с одного вида поляризации на другой в любой последовательности. Размеры, в том числе длина и высота, пазов магнитопроводов не более λ/20, где λ - длина волны в свободном пространстве.
Известный антенный элемент ФАР обеспечивает возможность управляемого переключения различных видов поляризаций, что имеет большое значение при создании РЛС для увеличения их потенциала, для улучшения распознавания целей и увеличения помехозащищенности. Однако это достигается за счет усложнения конструкции антенного элемента и трудоемкости его настройки.
Известен антенный элемент ФАР (см. патент RU 23711, МПК Н01Р 1/18, Н01Р 1/19, Н01Р 1/175, опубликован 27.06.2002), содержащий фазовращатель круговой поляризации, включающий металлизированный ферритовый стержень круглого сечения, образующий волновод круглого сечения, с обмоткой управления, и управляемый переключатель поляризации, включающий металлизированный ферритовый стержень квадратного сечения, образующий волновод квадратного сечения, и расположенные на его сторонах магнитопроводы, имеющие пазы для фиксации катушки управления переключением поляризации. Соединение ферритового фазовращателя с управляемым переключателем поляризации выполнено в виде волноводного перехода длиной не менее λ/8. Катушка управления переключением поляризации выполнена, по меньшей мере, с двумя обмотками. Обмотки расположены внутри пазов магнитопроводов ниже внешней верхней поверхности магнитопроводов с возможностью обеспечения управляемого перехода с одного вида поляризации на другой в любой последовательности.
Известный антенный элемент ФАР имеет небольшие габариты, малое потребление энергии и малое время переключения, но в то же время имеет усложненную конструкцию и значительную трудоемкость его настройки.
Известен антенный элемент ФАР (см. патент RU 2249281, МПК H01Q 21/24, Н01Р 1/19, Н01Р 1/175, опубликован 27.03.2005), содержащий фазовращатель круговой поляризации с обмоткой управления и ферритовыми магнитопроводами, включающий участок металлизированного ферритового стержня круглого сечения, образующий волновод круглого сечения, соединенный через волноводный переход длиной не менее λ/8 с управляемым переключателем поляризации. Управляемый переключатель поляризации включает другой участок металлизированного ферритового стержня, образующий сопряженный с антенным излучателем волновод, и установленные на нем магнитопроводы, имеющие ортогонально расположенные пазы для фиксации катушки управления переключением поляризации. Катушка управления выполнена, по меньшей мере, с двумя обмотками, расположенными внутри указанных пазов с возможностью обеспечения управляемого перехода с одного вида поляризации на другой в любой последовательности. Другой участок металлизированного ферритового стержня выполнен с круглым сечением, расположенные на нем магнитопроводы управляемого переключателя поляризации выполнены в виде соединенных между собой частей составного кольца.
Известный антенный элемент ФАР характеризуется малым потреблением энергии и малым временем переключения антенного элемента для фазированной антенной решетки малого веса с большим углом сканирования луча, работающего с возможностью управляемого переключения различных видов поляризаций. Недостатком известного антенного элемента ФАР является большая длина, сложность реализации магнитопроводов управляемого переключателя поляризации из-за необходимости соединения отдельных частей, а также из-за выполнения волноведущего канала в виде отрезков ферритовых стержней разного сечения, соединенных волноводным переходом.
Известен проходной элемент ФАР (см. патент RU 27269, МПК Н01Р 1/16, H01Q 21/00, опубликован 10.01.2003), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Проходной элемент ФАР-прототип содержит (по третьему варианту) фазовращатель, выполненный в виде магнитопровода и намагничивающей обмотки, внутри которой установлен цилиндрический ферритовый стержень, к торцам которого через первый и второй согласующие трансформаторы в виде диэлектрических шайб присоединены соответственно первый и второй диэлектрические стержни с излучателем на свободном конце. Цилиндрический ферритовый стержень фазовращателя, первый и второй согласующие трансформаторы и часть диэлектрических стержней металлизированы и образуют круглый волновод. На диэлектрических стержнях на некотором расстоянии от конца металлизации выполнена замкнутая по окружности металлизированная проточка, а излучатель имеет коническую форму. Элемент дополнительно снабжен преобразователем поляризации радиоволн, который установлен после фазовращателя на части металлизированного ферритового стержня, обращенной в сторону пространства. Преобразователь поляризации радиоволн выполнен в виде двух ферритовых с прямоугольной петлей гистерезиса магнитопроводов с башмаками. Внутренняя поверхность башмаков имеет форму окружности цилиндрического ферритового стержня, на ней по оси симметрии башмаков выполнена канавка глубиной (0,25-0,35)R и шириной (0,1-0,2)С, где R и C, соответственно, радиус и длина окружности цилиндрического ферритового стержня. Вдоль этой канавки и наружных граней магнитопроводов уложены витки обмотки управления.
Недостатками элемента ФАР-прототипа являются значительные поля рассеивания магнитной системы из-за немагнитных зазоров между круглым ферритовым стержнем и башмаками магнитопроводов, ухудшающие электромагнитные характеристики фазовращателя и преобразователя поляризации радиоволн, что приводит к снижению КПД элемента ФАР.
Дополнительно следует отметить в элементе-прототипе возрастание СВЧ-потерь при многоволновом режиме работы элемента из-за выполнения в виде одной детали с одинаковым диаметром ферритового стержня, согласующих диэлектрических вставок и цилиндрических стержней с излучателями, выполненных из материалов, имеющих разные диэлектрические проницаемости.
Задачей настоящего технического решения является разработка проходного элемента ФАР с более высоким КПД.
Поставленная задача достигается тем, что проходной элемент фазированной антенной решетки включает фазовращатель, выполненный в виде магнитопровода и намагничивающей обмотки, внутри которой установлен ферритовый стержень, к торцам которого через первый и второй согласующие трансформаторы в виде диэлектрических шайб присоединены соответственно первый и второй диэлектрические стержни с излучателем на свободном конце конической формы. Ферритовый стержень фазовращателя металлизирован и образует волновод. После фазовращателя на части металлизированного ферритового стержня, обращенной в сторону пространства, установлен преобразователь поляризации радиоволн. Новым в проходном элементе ФАР является то, что он содержит пластину, поглощающую электромагнитную волну с линейной поляризацией, ортогональной линейной поляризации электромагнитной волны, излучаемой и принимаемой излучателем, установленную вдоль оси первого диэлектрического стержня. Ферритовый стержень выполнен квадратным, а преобразователь поляризации радиоволн размещен внутри цилиндрического экрана из магнитного материала и выполнен в виде четырех постоянных магнитов, установленных на соответствующих гранях ферритового стержня и создающих квадрупольную намагниченность ферритовой среды.
Между соседними постоянными магнитами могут быть установлены элементы подстройки в виде стержней и скоб из магнитного материала.
Пластина, поглощающая электромагнитную волну с линейной поляризацией, ортогональной линейной поляризации электромагнитной волны, излучаемой и принимаемой излучателем, может быть выполнена из диэлектрического материала, например, кварца или слюды, с нанесенным на нее слоем металла, поглощающего электромагнитные волны, например, хрома.
Настоящая полезная модель поясняется чертежом, где:
п
ФВ
на фиг. 1 показан в продольном разрезе настоящий проходной элемент ФАР (l - длина преобразователя поляризации радиоволн; l - активная длина фазовращателя);
ст
на фиг. 2 приведен настоящий проходной элемент ФАР в поперечном разрезе по сечению А-А на фиг. 1 (a - ширина грани ферритового стержня);
на фиг. 3 показан настоящий проходной элемент ФАР в поперечном разрезе по сечению Б-Б на фиг. 1.
Настоящий проходной элемент ФАР (см. фиг. 1-фиг. 3) содержит первый диэлектрический стержень 1 с коническим излучателем, первый волновод 2 первого диэлектрического стержня 1 с коническим излучателем, пластину 3, первый трансформатор 4 в виде диэлектрической шайбы, преобразователь поляризации радиоволн (ППР) 5 в виде четырех магнитов, представляющий собой невзаимный магнитный квадрупольный преобразователь поляризации, цилиндрический экран 6 из магнитного материала, элементы подстройки 7 в виде стержней и скоб из магнитного материала, ферритовый стержень 8, токопроводящее покрытие в виде пленки на боковой поверхности ферритового стержня 8, выполняющей функцию квадратного волновода 9. Проходной элемент ФАР также содержит обмотку 10 намагничивания ферритового стержня 8, четыре П-образных ферритовых скобы 11 внешнего магнитопровода, каждая из которых состоит из полки 12 и башмаков 13, корпус 14 элемента ФАР, второй трансформатор 15 в виде диэлектрической шайбы, второй волновод 16; второй диэлектрический стержень 17 с коническим излучателем, выводы 18 проводов обмотки 10 намагничивания, печатную плату 19 с контактными площадками 20; ненамагниченный приемный конец 21 ферритового стержня 8, ненамагниченный участок 22 ферритового стержня 8, ненамагниченный апертурный конец 23 ферритового стержня 8. В корпусе 14 выполнены прорези 24 для вывода проводов 18 обмотки 10 намагничивания. Пластина 3 поглощает электромагнитную волну с линейной поляризацией, ортогональной линейной поляризации электромагнитной волны, излучаемой и принимаемой коническим излучателем 1. Ферритовый стержень 8, обмотка 10 намагничивания и П-образные ферритовые скобы 11 составляют фазовращатель 25.
Настоящий проходной элемент ФАР работает следующим образом.
ст
ст
ФВ
и
п
01
11
11
11
11
В режиме передачи кругополяризованная электромагнитная волна, излучаемая облучателем ФАР (на чертеже не показан) принимается вторым диэлектрическим стержнем 17 с коническим излучателем и через второй волновод 16 и второй трансформатор 15 поступает на вход квадратного волновода 9 и фазовращатель 25. Возбужденная в ненамагниченном приемном конце 21 ферритового стержня 8 кругополяризованная волна низшего типа квадратного волновода 9 при распространении вдоль продольного намагниченного ферритового стержня 8 получает определенный регулируемый фазовый сдвиг Δϕ. Его величина зависит от длины волны, размеров поперечно сечения ферритового стержня 8 (а×а - фиг. 2), его активной длины l (фиг. 1), параметров материала ферритовой среды и напряженности магнитного поля в ферритовом стержне 8, создаваемого обмоткой 10 намагничивания. Вносимый регулируемый фазовый сдвиг может изменяться в заданных пределах, например Δϕ=0…360°, при изменении параметров управляющего импульса, например, напряжения, подаваемого на обмотку 10 намагничивания от системы управления (на чертеже не показана), и длительности т импульса намагничивания при вольтсекундном способе управления фазовращателем 25. С выхода фазовращателя 25 кругополяризованная волна ненамагниченного участка 22 ферритового стержня 8 поступает на вход волновода ППР 5, выполненного на том же ферритовом стержне 8, что и фазовращатель 25. В ППР 5 на его длине l происходит преобразование кругополяризованной волны в линейно поляризованную волну типа H квадратного волновода (ненамагниченного апертурного конца 23 ферритового стержня 8). С выхода ППР 5, через первый трансформатор 4 волна поступает на вход первого волновода 2 первого диэлектрического стержня 1 с коническим излучателем, например круглого, и возбуждает в нем электромагнитную волну типа Н с линейной, например горизонтальной, поляризацией поля. Эта волна проходит через поляризационную развязку с поглощающей пластиной 3, установленной перпендикулярно вектору  проходящей волны типа Н, возбуждает в первом диэлектрическом стержне 1 с коническим излучателем, например, круглом, волну типа НЕ круглого диэлектрического волновода, и излучает в свободное пространство электромагнитную волну с горизонтальной линейной поляризацией поля. При этом электромагнитная волна типа Н круглого волновода с линейной ортогональной вертикальной поляризацией поля, возникающая на выходе ППР 5, вследствие возможного неполного преобразования кругополяризованной волны в линейно поляризованную волну, поглощается пластиной 3.
01
п,
ФВ
В режиме приема линейно поляризованная волна, принятая первым диэлектрическим стержнем 1 с коническим излучателем через первый волновод 2 с поглощающей пластиной 3 поляризационной развязки и первый трансформатор 4 поступает на вход квадратного волновода 9, образованного тонкой пленкой токопроводящего покрытия боковой поверхности ферритового стержня 8, и возбуждает в его ненамагниченном конце 22 перед ППР 5 линейно поляризованную волну типа H квадратного волновода 9. При прохождении через ППР 5 линейно поляризованная волна на длине l в соответствии с невзаимными свойствами ППР 5, преобразуется в кругополяризованную волну с противоположным направлением вращения, по сравнению с волной, излучаемой облучателем в режиме передачи. С выхода ППР 5 кругополяризованная волна поступает на вход фазовращателя 25, при прохождении через него на длине l получает такой же регулируемый фазовый сдвиг, как и волна, распространяющаяся в прямом направлении. С выхода фазовращателя 25 кругополяризованная волна поступает через второй трансформатор 15 и второй волновод 16 на вход второго диэлектрического стержня 17 с коническим излучателем, который излучает в направлении облучателя ФАР (на чертеже не показан) кругополяризованную волну.
r
Настоящий проходной элемент ФАР конструктивно прост и технологичен. Для его создания в условиях серийного производства нет необходимости разрабатывать новые материалы, сложные технологические приспособления и использовать дорогостоящие технологические процессы. Для изготовления диэлектрических излучателей и согласующих диэлектрических вставок могут быть использованы высокочастотные высокодобротные керамики с диэлектрическими проницаемостями ε=5, 7, 10, допускающие изготовление деталей литьем или механической обработкой. Проходной элемент ФАР представляет собой функционально завершенное устройство, содержащее в едином корпусе последовательно соединенные второй диэлектрический стержень с коническим излучателем, принимающий от облучателя кругополяризованную волну, фазовращатель, ППР, представляющий собой невзаимный магнитный квадрупольный преобразователь поляризации, с магнитным экраном и элементами подстройки, выполненный вместе с фазовращателем на одном ферритовом квадратном стержне с токопроводящим покрытием боковой поверхности, и первый диэлектрический стержень с коническим излучателем, с поляризационной развязкой, излучающий и принимающий линейно поляризованную волну.
0
Изготовленные образцы проходного элемента ФАР имели вес не более 2 г и диаметр не более 0,55λ. Образцы проходного элемента ФАР в КВЧ-диапазоне имели вносимые потери на 0,5 дБ меньше, по сравнению с проходным элементом ФАР-прототипом, что обеспечивало более высокий КПД.
Настоящий проходной элемент ФАР может быть применен в многоэлементных ФАР самолетных и вертолетных РЛС с широкоугольным электрическим сканированием луча с отклонением от нормали к раскрыву до 60 градусов. К элементам ФАР для этих комплексов предъявляются повышенные требования по прочности и стойкости в условиях экстремальных климатических и механических воздействий. Настоящий элемент ФАР удовлетворяет указанным требованиям. Он не вносит ограничений на скорость перемещения носителя, и выдерживает возникающие ударные и вибрационные нагрузки.