ЭЛЕМЕНТ ФАЗИРОВАННОЙ ОТРАЖАТЕЛЬНОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ
ELEMENT OF PHASED REFLECTOR ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к области радиотехники КВЧ диапазона, в частности к конструкциям элементов фазированных антенных решеток (ФАР), и может быть использовано в радиолокационных системах с широкоугольным электрическим сканированием луча антенны.
Известны отражательные антенные решетки, т.е. антенные решетки с пространственным возбуждением, у которых прием радиоволн от первичного облучателя и их излучение в пространство осуществляют одни и те же излучающие элементы.
В связи с интенсивным освоением миллиметрового диапазона радиоволн актуальны разработки волноводных ферритовых фазовращателей (ФВ) и элементов фазированных отражательных антенных решеток (или, что тоже самое, отражательных 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 отражательных ФАР (ОФАР) для коротковолновой части миллиметрового диапазона волн, где разработка элементов ФАР с малыми поперечными размерами, высоким быстродействием и низким энергопотреблением встречает определенные технические трудности.
Известны элементы ОФАР, осуществляющие 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 [1] (Денисенко В.В. и др. Многоэлементная ФАР Ка-диапазона волн. - Антенны, 2005, №1 (92), с.7-14). Для фазирования излучающих элементов в ФАР используются волноводные ферритовые фазовращатели отражательного типа для волн, поляризованных по кругу. Каждый ФВ выполнен на круглом ферритовом стержне (ФС) с металлизированными боковой поверхностью и одним торцом, имеет обмотки продольного намагничивания ФС и два магнитопровода. Элементам ОФАР [1] присущ ряд недостатков.
Во-первых, элементы этой ОФАР не являются функционально завершенными элементами. Их излучающие элементы расположены в общей для ФАР несущей плите, а ФВ объединены в подрешетки разных размеров. Отсутствие надежного контакта излучателей и фазовращателей может приводить к рассогласованию ФАР и росту КВЧ-потерь.
Во-вторых, ФВ имеют большие поперечные размеры, при этом шаг антенной решетки превышает длину волны, что ограничивает сектор электрического сканирования луча.
В-третьих, следствиями металлизации поверхностей ФС являются низкое быстродействие ФВ и высокая энергия его управления.
Из известных элементов отражательных фазированных антенных решеток наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности и совокупности существенных признаков является элемент отражательной фазированной антенной решетки, описанный в авторском свидетельстве СССР №1106391 [2] (А.С. СССР №1106391. МПК H01Q 21/00 от 24.11.1982), принятый за прототип.
Этот элемент ОФАР содержит излучатель, выполненный в виде ферритового стержня, проводящий экран, концентрически охватывающий ферритовый стержень, выполненный в виде нескольких равномерно расположенных по цилиндрической поверхности неперекрывающихся продольных полосок, вокруг каждой из которых намотан соленоид, причем продольные полоски соединены с одного конца с торцом ферритового стержня проводящей пластиной, а с другого - с боковой поверхностью ферритового стрежня перемычками, причем продольные полоски, проводящая пластина и перемычки выполнены из магнитного материала. Элемент ОФАР принимает и излучает электромагнитные волны, поляризованные по кругу, имеет более широкий диапазон рабочих частот по сравнению с элементом ОФАР, в котором ФВ выполнен на основе ферритового стержня (ФС) с металлизированной боковой поверхностью.
Элементу ОФАР, принятому за прототип, также присущ ряд недостатков, среди них: низкое быстродействие, низкий КПД, большие поля рассеяния системы продольного намагничивания цилиндрического ферритового стержня, взаимное влияние по полям подмагничивания и по полям КВЧ между соседними элементами антенной решетки, составленной из элементов ОФАР, аналогичных заявленному элементу ОФАР.
Технической задачей предлагаемого изобретения является увеличение быстродействия, уменьшение энергии управления и уменьшение вносимых потерь, увеличение коэффициента усиления.
ск
ст
ст
и
Для реализации поставленной технической задачи в элементе фазированной отражательной антенной решетки, содержащем излучатель, цилиндрический ферритовый стержень, обмотку его продольного намагничивания, внешний магнитопровод в виде нескольких равномерно расположенных по цилиндрической поверхности, соосной ФС, неперекрывающихся продольных полосок магнитопровода, соединенных с одного конца пластиной с торцом ферритового стержня, а с другого конца - с боковой поверхностью ФС - башмаками, выполненными, как и продольные полоски, и пластина, из магнитного материала (из феррита), все элементы расположены в едином волноводе, выполняющем функцию корпуса, дополнительно введен волновод излучателя, отражатель в виде тонкой пленки токопроводящего покрытия на поверхности пластины, примыкающей к первому торцу ФС, согласующий волновод с диэлектрическими шайбами, к фланцу которого вторым торцом примыкает ферритовый стержень, 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=2,5…4, причем волновод излучателя частично входит в корпус с возможностью фиксирования его во внутренней поверхности корпуса.
Кроме того, функция отражателя в виде тонкой пленки токопроводящего покрытия на поверхности пластины может быть перенесена на закороченный на конце отрезок волновода, диаметр которого выбирается из соотношения d>0,65·λ, где λ - длина волны в свободном пространстве, либо отрезок закороченного на конце волновода, диаметр которого выбирается из соотношения d<0,55·λ. При этом упрощается конструкция элемента ОФАР и технология его изготовления.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема элемента фазированной отражательной антенной решетки, на фиг.2 - схема описываемого элемента в случае замещения отражателя закороченным отрезком волновода, на фиг.3 - схема описываемого элемента в случае замещения пластины закороченным отрезком волновода.
Элемент ОФАР содержит излучатель 1 (фиг.1), установленный в волновод 2 излучателя, к которому последовательно примыкают согласующие диэлектрические шайбы 3, 4, которые заключены в отрезок волновода. На ферритовый стержень 5 установлен каркас катушки 6, на который намотана обмотка 7 намагничивания. Полоска 8 магнитопровода и башмак 9 установлены на боковую поверхность ферритового стержня 5, к другому торцу которого примыкает пластина 10, выполненная из феррита. Все перечисленные детали установлены вместе с выводами 11 питающих проводов в корпус 12. Волновод 13 изготавливается с корпусом 12 в виде единой детали. Отражатель в виде тонкий пленки токопроводящего покрытия 14, нанесенной на одну из сторон пластины 10.
и
Все указанные детали жестко соединены между собой, например, с помощью клея. Длина излучателя l зависит от требований, предъявляемых к конкретной отражательной ФАР. Его свободный конец имеет конусообразную форму. ФС выполнен из феррита КВЧ диапазона с диэлектрической проницаемостью ε=13-15. Согласующие диэлектрические шайбы выполнены из материала с диэлектрической проницаемостью ε=5-10. Конструктивно цилиндрический ферритовый стержень 5, обмотка 7 намагничивания, полоски 8 магнитопровода, башмаки 9 и пластина 10 образуют управляемый фазовращатель, при этом обмотка 7 намагничивания подключается к устройству управления элементом ФАР посредством выводов 11 питающих проводов.
и
11
1
Элемент ОФАР работает следующим образом. При падении на антенную решетку электромагнитной волны, поляризованной по кругу, от облучателя ФАР или из свободного пространства на излучатель 1, выполненный из материала с диэлектрической проницаемостью ε=2,5…4, на входе волновода излучателя 2, например, круглого, возбуждается низшая несимметричная поверхностная волна типа НЕ, которая, распространяясь в согласующих ступенчатых переходах, преобразуется в ферритовом стержне в волну основного типа к-НЕ.
Возбужденная в ФС 5 поверхностная волна распространяется вдоль него, достигает торца ФС, отражается от пластины 10, распространяется в обратном направлении, последовательно проходит ферритовый стержень 5, согласующие шайбы 4, 3, волновод излучателя 2 и излучается в свободное пространство излучателем 1.
Отражение распространяющейся волны может быть достигнуто установкой в корпус 12 волновода 15 (фиг.2).
Фаза переизлученной элементом ОФАР электромагнитной волны, поляризованной по кругу, зависит от длины волны λ в свободном пространстве, формы поперечного сечения и размеров излучателя 1, волновода 2 и диэлектрических шайб 3, 4, ферритового стержня 5, каркаса обмотки 6, обмотки 7 намагничивания, башмаков 9 и полосок 8 магнитопровода, пластины 10, а также параметров материалов, из которых они изготовлены. Продольное поле намагничивания создается в ФС 5 обмоткой 7 намагничивания, на которую от системы управления лучом ФАР или источника питания (на фиг.1 не показано) подается питание через выводы питающих проводов 11.
ск
ст
ст
При выполнении полоски 8 с башмаком 9 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 (см. фиг.1), функцию отражателя выполняет пластина 10, имеющая на одной из сторон тонкую пленку токопроводящего покрытия 14.
11
При использовании в качестве отражателя отрезка волновода 15, закороченного на конце, его размеры могут быть выбраны либо из условия распространения волны основного типа, например Н круглого волновода диаметром d>0,65·λ, и длиной l=0,25·λ, где λ - длина волны в свободном пространстве, либо используется волновод 15, закороченный на конце и имеющий диаметр, выбранный из условия нераспространения волны основного типа, т.е. его диаметр не может превышать размер d<0,55·λ, как показано на фиг.2.
2
Таким образом, техническим результатом является то, что, благодаря выполнению ферритового стержня и магнитопроводов из одного и того же материала, изготовлению диэлектрических шайб из материала со значением диэлектрической проницаемости, близким к диэлектрической проницаемости феррита, улучшается согласование фазовращателя с излучателем, а следовательно, элемента ОФАР с пространством, что снижает потери энергии. Использование внутриволноводной системы продольного намагничивания и пластины из ферритового материала приводит к существенному сокращению энергии и времени переключения элемента ОФАР. Эффективность полученного решения проверена экспериментально, при этом результаты для полосы частот W-диапазона (волновод сечением 1,2×2,4 мм) позволяют утверждать, что элемент ОФАР имеет КВЧ-потери не более 2 дБ, регулируемый фазовый сдвиг от 0° до 400°, при времени переключения не более 10 мкс. Диаметр элемента ОФАР не превышает 1,1 длины волны, что позволяет использовать его для построения плоской ОФАР с двумерным электрическим сканированием луча в секторе не менее ±15°.