СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ

Предлагаемое техническое решение относится к технике сверхвысоких частот, предназначено для управления величиной фазового сдвига электромагнитной волны в волноводных линиях передачи и может быть использовано, например, в качестве управляющего элемента фазированной антенной решетки (ФАР) с электронным сканированием луча.
Известен сверхвысокочастотный (СВЧ) фазовращатель (см. патент US 3982213, МПК H01P 1/19, опубликован 21.09.76), содержащий ферритовый стержень, установленный вдоль оси отрезка прямоугольного волновода, и магнитную систему управления СВЧ полем. Управление величиной фазового сдвига электромагнитной волны осуществляют путем изменения направления азимутальной остаточной намагниченности прямоугольного ферритового стержня импульсом тока, проходящего через управляющую катушку. Это приводит к возникновению дифференциального сдвига, который при соответствующем выборе длины, параметров феррита и величины магнитного поля изменяется в широких пределах.
Недостатком известного технического решения является узкополосность фазовращателя вследствие сильной частотной зависимости его основных характеристик - фазового сдвига и потерь, а также недостаточно высокое быстродействие и завышенная потребляемая мощность.
Известен ферритовый фазовращатель (см. патент US 8427254, МПК H01P 1/19, опубликован 23.04.2013), включающий отрезок прямоугольного волновода, прямоугольные ферриты в виде листов, широкими поверхностями прикрепленные к внутренним противолежащим стенкам прямоугольного волновода, и систему управления СВЧ полем. Обращенные друг к другу широкие поверхности ферритов покрыты диэлектрическими слоями, имеющими высокое тепловое сопротивление и малые потери СВЧ энергии, выполненные, например, из алюмооксидной керамики.
Такая конструкция фазовращателя позволяет снизить нагрев феррита при прохождении СВЧ сигнала большой мощности и, тем самым, обеспечить его высокую эффективность. Однако известный СВЧ ферритовый фазовращатель имеет недостаточно высокое быстродействие и завышенную потребляемую мощность.
Известен СВЧ фазовращатель (см. патент RU 31873, МПК H01P 5/107, опубликован 27.08.2003), содержащий входной и выходной переходы, связывающие соответственно отрезки микрополосковых линий и отрезок прямоугольного волновода, вдоль оси которого установлен ферритовый стержень, на параллельных боковых поверхностях которого закреплены диэлектрические пластины с различной диэлектрической проницаемостью, входной и выходной волноводы выполнены в виде первого и второго отрезков прямоугольных волноводов, имеющих элементы настройки в виде оригинально выполненных и установленных штырей связи, настроечных винтов и диэлектрических вставок.
Недостатком известного технического решения является сложность конструкции фазовращателя, обусловленная наличием элементов настройки в виде установленных штырей связи, настроечных винтов и диэлектрических вставок. Кроме того, известный СВЧ ферритовый фазовращатель имеет недостаточно высокое быстродействие и завышенную потребляемую мощность.
k
ф
k
ф
k
ф
k
ф
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков к настоящей полезной модели является сверхвысокочастотный фазовращатель (см. патент RU 2207666, МПК H01P 1/195, опубликован 27.06.2003), содержащий корпус в виде отрезка запредельного прямоугольного волновода, ферритовый сердечник, установленный вдоль оси корпуса, магнитную систему управления полем СВЧ энергии, две диэлектрические пластины с диэлектрической проницаемостью от 1,5 до 1,9 от диэлектрической проницаемости феррита, расположенные на поверхностях ферритового сердечника, параллельных узким стенкам корпуса. Толщина пластин выбрана из соотношения 0,4≤2t/t≤0,7, где t - толщина диэлектрических пластин; t - толщина ферритового сердечника. Две другие диэлектрические пластины с диэлектрической проницаемостью от 1,0 до 1,6 от диэлектрической проницаемости феррита расположены на поверхностях ферритового сердечника, параллельных широким стенкам корпуса, причем толщина пластин выбрана из соотношения 0,27≤2h/h≤0,5, где h - толщина диэлектрических пластин; h - высота ферритового сердечника. Кроме того, n диэлектрических пластин, где n=1÷4, с диэлектрической проницаемостью в пределах от 0,5 до 1,0 от диэлектрической проницаемости феррита расположены на одной или двух широких стенках корпуса. Корпус в виде отрезка запредельного прямоугольного волновода выполнен из сплава титана с большим удельным сопротивлением для обеспечения быстродействия фазовращателя и с посеребренным внутренним каналом для уменьшения потерь СВЧ энергии. Этим решением был значительно снижен эффект Фуко, однако на пути к дальнейшему повышению быстродействия даже этот корпус стал препятствием.
Недостатками известного СВЧ ферритового фазовращателя является недостаточно высокое быстродействие и сильное увеличение потребляемой мощности при уменьшении времени переключения.
Задачей настоящего технического решения является разработка такого сверхвысокочастотного фазовращателя, который бы имел увеличенное быстродействие и уменьшенную потребляемую мощность.
Поставленная задача решается тем, что сверхвысокочастотный фазовращатель содержит корпус в виде отрезка запредельного прямоугольного волновода, ферритовый сердечник, установленный вдоль оси корпуса, магнитную систему управления полем СВЧ энергии, и две диэлектрические пластины, расположенные на поверхностях ферритового сердечника, параллельных узким стенкам корпуса.
2
Новыми признаками полезной модели является выполнение корпуса из диэлектрического материала с диэлектрической проницаемостью не более 3,5, на внешние поверхности которого нанесен слой металла с удельным сопротивлением (0,05÷0,15) Ом·мм/м и толщиной, в 2-3 раза превышающую толщину скин-слоя в слое металла на рабочей частоте фазовращателя.
Слой металла, нанесенный на внешние поверхности корпуса из диэлектрического материала, может быть выполнен из никеля или из хрома, а также может быть составлен из двух субслоев: примыкающего к поверхности корпуса субслоя меди или серебра, или алюминия, например, толщиной 20-30% от общей толщины слоя металла, и нанесенного на него субслоя из никеля или хрома.
k
ф
k
ф
Расположенные на поверхностях ферритового сердечника, параллельных узким стенкам корпуса, две диэлектрические пластины преимущественно могут иметь диэлектрическую проницаемость в пределах от 1,5 до 1,9 от диэлектрической проницаемости феррита и толщину, выбранную из соотношения 0,4≤2t/t≤0,7, где t - толщина диэлектрических пластин; t - толщина ферритового сердечника.
k
ф
k
ф
На поверхностях ферритового сердечника, параллельных широким стенкам корпуса, могут быть расположены две диэлектрические пластины, преимущественно имеющие диэлектрическую проницаемость в пределах от 1,0 до 1,6 от диэлектрической проницаемости феррита и толщину, выбранную из соотношения 0,27≤2hh≤0,5, где h - толщина диэлектрических пластин; h - высота ферритового сердечника.
На внутренней поверхности по меньшей мере одной широкой стенки корпуса может быть расположена по меньшей мере одна диэлектрическая пластина, преимущественно имеющая диэлектрическую проницаемость в пределах от 0,5 до 1,0 от диэлектрической проницаемости феррита.
На слой металла, нанесенный на внешние поверхности диэлектрического корпуса, дополнительно может быть нанесен слой изоляционного лака с толщиной слоя в пределах от 1 до 30 мкм.
2
2
Выбор значения диэлектрической проницаемости диэлектрического материала корпуса обусловлен тем, что при диэлектрической проницаемости материала корпуса более 3,5 происходит перераспределение СВЧ поля из ферритового сердечника к стенкам волновода, что снижает фазовую активность фазовращателя. Выбор удельного сопротивления и толщины слоя металла обусловлен тем, что при удельном сопротивлении, большем 0,15 Ом·мм/м, либо при толщине слоя металла менее удвоенной толщины скин-слоя сильно возрастают потери СВЧ энергии. При использовании слоя металла с удельным сопротивлением менее 0,05 Ом·мм/м и толщине более трех толщин скин-слоя возрастает энергия переключения фазовращателя в режиме повышенного быстродействия. Использование слоя металла из двух подслоев с указанным распределением толщины наиболее рационально сочетает малые потери в СВЧ диапазоне с малым энергопотреблением по цепям управления.
Настоящая полезная модель поясняется чертежом, где:
на фиг. 1, фиг. 2 показан настоящий СВЧ фазовращатель с частичным разрезом;
на фиг. 2 изображен вид сверху на СВЧ фазовращатель;
на фиг. 3 дано поперечное сечение средней части корпуса СВЧ фазовращателя с установленными в нем ферритовым сердечником и диэлектрическими пластинами;
На фиг. 4 приведена фотография образца сверхвысокочастотного фазовращателя, изготовленного на основе настоящей полезной модели;
на фиг. 5 в таблице приведены сравнительные характеристики серийно выпускаемых СВЧ фазовращателей с металлическим корпусом и СВЧ фазовращателей, изготовленных на основе настоящей полезной модели.
k
ф
k
ф
k
ф
k
ф
2
Сверхвысокочастотный фазовращатель (см. фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3) содержит корпус 1 в виде отрезка запредельного прямоугольного волновода, ферритовый сердечник 2, установленный по оси корпуса 1, магнитную систему управления полем СВЧ, состоящую из двух ферритовых магнитопроводов 3, расположенных вне корпуса 1 и соединенных с ферритовым сердечником 2 через прорези 4 в корпусе 1, образуя замкнутую магнитную цепь, и катушки 5, состоящей из двух обмоток: обмотки обнуления и обмотки управления. Сверхвысокочастотный фазовращатель содержит также две диэлектрические пластины 6, преимущественно имеющие диэлектрическую проницаемость в пределах от 1,5 до 1,9 от диэлектрической проницаемости феррита и толщину, выбранную из соотношения 0,4≤2t/t≤0,7, где t - толщина диэлектрических пластин; t - толщина ферритового сердечника. Диэлектрические пластины 6 расположены на поверхностях ферритового сердечника 2, параллельных узким стенкам 7 корпуса 1. Корпус 1 выполнен из диэлектрического материала с диэлектрической проницаемостью не более 3,5, на внешние поверхности которого нанесен слой 8 металла с удельным сопротивлением (0,054÷0,15) Ом·мм/м и толщиной, в 2-3 раза превышающей толщину скин-слоя в слое данного металла на рабочей частоте фазовращателя. В качестве такого металла может быть использован никель или хром. Дополнительно на поверхностях ферритового сердечника 2, параллельных широким стенкам 9 корпуса 1, могут быть расположены две диэлектрические пластины 10, преимущественно имеющие диэлектрическую проницаемость в пределах от 1,0 до 1,6 от диэлектрической проницаемости феррита и толщину, выбранную из соотношения 0,27≤2h/h≤0,5, где h - толщина диэлектрических пластин; h - высота ферритового сердечника. На внутренней поверхности одной или двух широких стенок 9 корпуса 1 может быть расположено от одной до четырех диэлектрических пластин 11, преимущественно имеющих диэлектрическую проницаемость в пределах от 0,5 до 1,0 от диэлектрической проницаемости феррита. Согласование сверхвысокочастотного фазовращателя осуществляют с помощью переходников 12 и диэлектрических параллелепипедов 13. Для предотвращения возможного замыкания используемого при намотке катушки 5 провода в эмалевой изоляции (вследствие наличия в ней точечных повреждений) слой 8 металла на внешней поверхности корпуса 1 СВЧ-фазовращателя дополнительно покрывается тонким слоем 14 изоляционного лака, например, марки АК-113 или АК-113Ф (ГОСТ 23832-79). Толщину слоя 14 изоляционного лака (в пределах 1-30 мкм) и конкретную марку лака выбирают в зависимости от рабочей температуры и заданных климатических условий эксплуатации СВЧ-фазовращателя.
1
1
2
2
1
2
1
2
2
Сверхвысокочастотный фазовращатель работает следующим образом. СВЧ сигнал, проходя через корпус 1 в виде отрезка запредельного прямоугольного волновода, по центру которого расположен продольно намагничиваемый импульсами тока в обмотках обнуления и управления катушки 5 ферритовый сердечник 2 с установленными на него диэлектрическими пластинами 6, способствующими увеличению концентрации СВЧ поля внутри феррита, взаимодействует с ферритовым сердечником 2, изменяя его магнитную проницаемость и, следовательно, фазовую скорость электромагнитной волны, т.е. вносимого фазового сдвига. Импульсом тока определенной величины и длительности, подаваемой в обмотку обнуления катушки 5, фазовращатель выводится на предельный гистерезисный цикл. После выключения импульса обнуления фазовращатель переходит в состояние, соответствующее остаточной намагниченности, которое принимается за нуль отсчета фазы. Далее, подавая в обмотку управления катушки 5 импульсы тока противоположной полярности различной длительности, устанавливают требуемое значение фазового сдвига. Быстродействие определяется временем, за которое устанавливается требуемый фазовый сдвиг, и складывается из длительности импульса обнуления, длительности паузы между импульсами обнуления и управления, и длительности импульса управления. Длительность процессов обнуления и управления пропорциональны соответственно отношениям N/U и N/U, где U и U - напряжения, подаваемые в обмотки обнуления и управления катушки 5, а N и N число витков в этих обмотках. Длительность паузы между импульсами определяется скоростью угасания переходных процессов - тока в короткозамкнутом витке, образованном металлизацией корпуса волновода (тока Фуко). Величина и скорость угасания этого тока сильно зависит от омического сопротивления стенок волновода. При действии импульсов обнуления и управления на возбуждение тока Фуко затрачивается дополнительная энергия, обратно пропорциональная длительности импульсов. По окончании импульса управления соответствующий ему фазовый сдвиг фазовращателя установится также только после затухания тока Фуко в стенках волновода. Таким образом, для реального увеличения быстродействия требуется максимально увеличить сопротивление витка, образованного стенкой волновода. Для этой цели в данной полезной модели корпус выполнен из тонкого диэлектрического материала с диэлектрической проницаемостью не более 3,5 и низким значением тангенса диэлектрических потерь, на внешние поверхности которого нанесен слой металла с высоким удельным сопротивлением (0,054÷0,15) Ом·мм/м и толщиной, в 2-3 раза превышающей толщину скин-слоя в данном металле на рабочей частоте. В такой конструкции фазовращателя поле СВЧ сигнала почти полностью сконцентрировано внутри ферритового сердечника 2, поэтому применение для покрытия внешних поверхностей корпуса 1 слоя 8 из металла с высоким удельным сопротивлением к увеличению потерь СВЧ энергии не приводит. Для уменьшения СВЧ потерь возможно выполнение слоя металла на внешней поверхности диэлектрического корпуса из двух субслоев: внутреннего субслоя (толщиной 20-30% от общей толщины слоя) из хорошо проводящего металла (медь, серебро, алюминий), а внешнего субслоя из металла с высоким удельным сопротивлением (хром, никель и т.п.). Такой тип покрытия наиболее актуален для реализации фазовращателя в высокочастотной части СВЧ диапазона.
Наружную поверхность слоя металла на внешней поверхности диэлектрического корпуса, за исключением поверхности фланцев, защищают от повреждений и коррозии слоем лака, либо краски.
Настоящее техническое решение обеспечивает повышение быстродействия не менее чем в 2,5 раза и соответствующее снижение потребляемой мощности за счет уменьшения среднего тока.
Были изготовлены образцы СВЧ фазовращателя на основе настоящей полезной модели (см. фиг. 4). Корпус СВЧ фазовращателя изготавливали из стеклонаполненного полиамида марки ПА-610-ЛСВ-30. Внешняя поверхность волноводных каналов, а также поверхность переходников (фланцевых элементов) покрывалась методом гальванического осаждения или вакуумного напыления тонким слоем никеля или хрома. Внешную металлизированная поверхность корпуса СВЧ-фазовращателя покрывали тонким слоем изоляционного марки АК-113Ф (ГОСТ 23832-79). Ферритовый сердечник изготавливали из феррита марки ФМН-8 ЕСКФ.750710.071 ТУ, который обеспечил наилучшие параметры фазовращателей. В качестве материала диэлектрических пластин использовали керамику марок МТС и МСТ со значениями диэлектрической проницаемости ε=25 (марка МТС-25 ЕСКФ.750750.009 ТУ) для пластин, параллельных узким стенкам корпуса; ε=16 (марка МСТ-16 ЕСКФ.750750.002 ТУ) для пластин, параллельных широким стенкам корпуса, и диэлектрических параллелепипедов; и ε=10 (марка МСТ-10 ЕСКФ.750750.004 ТУ) для пластин, расположенных на внутренней поверхности стенок корпуса.
Сравнительные характеристики серийно выпускаемых СВЧ фазовращателей с металлическим корпусом ФВФН2-25 по техническим условиям ЕСКФ.430441.008 ТУ и СВЧ фазовращателя по настоящей полезной модели приведены в таблице на фиг. 5. Из данных таблицы следует, что СВЧ фазовращатель, реализованный по настоящей полезной модели, имеет повышенное быстродействие и пониженную потребляемую мощность при меньших массогабаритных показателях.