ЭЛЕМЕНТ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ
ELEMENT OF THE PHASED ARRAY ANTENNA

Область техники
Изобретение относится к области радиотехники сверхвысокочастотного и крайне высокочастотного диапазонов, а конкретно к конструкциям элементов фазированных антенных решеток (ФАР), и может быть использовано в радиолокационных системах с широкоугольным электрическим сканированием луча антенны.
Несмотря на то, что технологии реализации ФАР на основе элементов с волноводными ферритовыми фазовращателями (ВФФВ), в особенности т.н. фарадеевскими ВФФВ, достигли высокой степени совершенства, задача создания простых по конструкции и технологии изготовления элементов ФАР проходного типа с широкоугольным электрическим сканированием луча, обеспечивающих работу в сантиметровом диапазоне длин волн, с малыми поперечными размерами и минимизацией потерь в заданном диапазоне, остается актуальной.
Уровень техники
и
Из уровня техники известен «Элемент фар проходного типа с пространственным возбуждением» (патент RU №2325741, МПК H01Q 21/00, Н01Р 1/19, опубликован 27.05.2008). Известный элемент содержит входной и выходной диэлектрические излучатели и волноводный ферритовый фазовращатель фарадеевского типа. Фазовращатель состоит из обмотки намагничивания, расположенной внутри магнитопровода, и установленного внутри нее ферритового стержня (ФС) в виде правильной N-гранной призмы с числом граней N больше или равно 4. Магнитопровод выполнен в виде П-образных скоб, расположенных по одной на каждой грани ферритового стержня. Волновод элемента ФАР образован токопроводящим покрытием боковой поверхности ФС. Имеются также два волновода излучателей, два согласующих волновода, диаметр которых больше или равен диаметру окружности, описанной вокруг поперечного сечения ФС, 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, равной 3,8-4,2. Элемент ФАР помещен внутрь корпуса, выполненного в виде металлической гильзы, соединенной с волноводом излучателя клеевым соединением. Это малогабаритный элемент ФАР проходного типа, прочный и устойчивый к внешним воздействиям.
К недостаткам устройства относятся низкое быстродействие и высокое энергопотребление, обусловленные наличием токопроводящего покрытия на боковой поверхности ФС, а также большие поперечные размеры. Энергия, затрачиваемая на управление ВФФВ, расходуется в основном на преодоление эффекта "короткозамкнутого витка". Этим витком в ВФФВ является волновод, образованный токопроводящим покрытием боковой поверхности ФС. При импульсном перемагничивании ВФФВ в этом витке возникают токи проводимости, замедляющие процесс перемагничивания и увеличивающие энергопотребление от системы управления ВФФВ. Необходимость впаивать ФС в волноводную арматуру также усложняет технологический процесс изготовления элемента ФАР.
ск
с
с
б
Кардинальным решением проблемы повышения быстродействия и снижения энергопотребления путем устранения эффекта короткозамкнутого витка является полный отказ от токопроводящего покрытия ферритового стержня. Известен «Отражательный элемент фазированной антенной решетки» на основе ФС без токопроводящего покрытия, работающий на волнах, поляризованных по кругу (патент RU №2439759, МПК H01Q 21/00, Н01Р 1/19, опубликован 10.01.2012), содержащий диэлектрический излучатель (ДИ), волновод излучателя, согласующий волновод, корпус и волноводный ферритовый фазовращатель (ВФФВ) фарадеевского типа с магнитной памятью, состоящий из волновода, обмотки намагничивания, расположенной внутри магнитопровода, установленного внутри обмотки намагничивания ФС с квадратной формой поперечного сечения, между первым торцом которого и торцом ДИ в согласующем волноводе установлена диэлектрическая вставка, а магнитопровод выполнен в виде ферритовых скоб, расположенных на гранях ФС, при этом каждая ферритовая скоба содержит полочку и два башмака, обращенных подошвами к грани ФС, отличающийся тем, что содержит диэлектрический каркас, размещенный между обмоткой намагничивания и боковой поверхностью ФС, и отражатель, выполненный в виде закороченного на одном конце отрезка запредельного волновода, примыкающего другим концом ко второму торцу ФС; который первым торцом примыкает непосредственно к фланцу согласующего волновода, в качестве волновода ВФФВ служит упомянутый корпус; на каждой грани ФС расположены три ферритовых скобы вплотную друг к другу, башмаки которых находятся в непосредственном контакте с ферритом ФС; каждая ферритовая скоба выполнена шириной а больше 0,33а, где а - размер поперечного сечения ФС, мм; при этом средние скобы на двух соседних гранях ФС смещены относительно своих крайних скоб вдоль продольной оси полочки в разные стороны на толщину башмака, причем длина  ФС, длина  ферритовой скобы и толщина t башмака удовлетворяют соотношению: , мм.
Одна из особенностей данного элемента заключается в том, что для уменьшения дифракционных потерь на стыке ферритового блока с проводящим фланцем предлагается использовать магнитопровод сложной конфигурации, образованный системой из 12 скоб, размещенных на боковой поверхности стержня. Среди недостатков описанного технического решения можно выделить технологическую сложность сборки ферритового блока, отягощенную необходимостью точного позиционирования скоб на поверхности стержня. Проблемой также являются большие поперечные размеры элемента (диаметр до 0,68λ,), обусловленные размерами стержня.
ск
ст
ст
и
Наиболее близким техническим решением является «Элемент фазированной отражательной антенной решетки» (патент RU 2474018, МПК H01Q 21/29, опубликован 27.01.2013), принятый в качестве прототипа и содержащий излучатель, цилиндрический ферритовый стержень, 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 ферритового стержня, а с другого конца с боковой поверхностью ферритового стержня - 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 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 в пределах от 2,5 до 4, причем волновод излучателя частично входит в корпус с возможностью фиксирования его во внутренней поверхности корпуса.
Технической проблемой прототипа является относительно большой поперечный размер элемента (диаметр до 1,1 длины волны), а также сложность изготовления ферритовых деталей с цилиндрической формой образующей контактных поверхностей.
Раскрытие сущности изобретения
Задачей настоящего технического решения является создание элемента ФАР проходного типа с широкоугольным электрическим сканированием луча, для работы в сантиметровом диапазоне длин волн, с малыми поперечными размерами в заданном диапазоне, обеспечивающего минимальные время и энергию переключения, простого по конструкции и в изготовлении.
ст
ск
ск
ст
ск
ст
Решение поставленной задачи достигается тем, что элемент ФАР, работающий на волнах с круговой поляризацией поля, содержит апертурный излучатель, волновод излучателя, согласующий трансформатор, к основанию которого примыкает волноводный ферритовый фазовращатель (ВФФВ), состоящий из ферритового стержня (ФС), расположенного внутри катушки намагничивания в виде каркаса и обмотки продольного намагничивания ферритового стержня на нем, заключенных в магнитопровод, все элементы расположены в едином волноводе, выполняющем функцию корпуса и отличается тем, что ФС имеет квадратную форму поперечного сечения, размер стороны которого а находится в диапазоне от 0,225λ до 0,25λ, где λ - средняя длина волны рабочего диапазона частот, магнитопровод выполнен в виде системы П-образных ферритовых скоб, размещенных по одной на каждой боковой грани ФС, толщина полок ферритовых скоб b ограничена соотношением b=(1,1…1,2)(Br/Br)(а/4),
ст
где Br - остаточная намагниченность материала ферритового стержня;
ск
s
Br - остаточная намагниченность материала ферритовых скоб, материал ферритовых скоб имеет намагниченность насыщения, ограниченную условием 2πγ(4πM)/ω<0,8,
где величины в системе единиц Гаусса и ω=2πf - круговая частота;
f - частота рабочая;
s
4πM - намагниченность насыщения;
γ - гиромагнитное отношение, равное 2,8 МГц/Э,
тр
ст
при этом материал ферритовых скоб имеет более высокую остаточную намагниченность и более высокую коэрцитивную силу в сравнении с материалом ФС, материал согласующего трансформатора имеет диэлектрическую проницаемость ε из диапазона от 12 до 14, диаметр основания согласующего трансформатора составляет не более 0,3λ, нерезонансный режим работы ВФФВ обеспечивается длиной ФС из соотношения l=((2n+1)/4)(1,05…1,15)λ,
где n - целое число больше нуля,
на поверхностях ферритовых скоб, примыкающих к внутренней поверхности корпуса, выполнены фаски, а для обеспечения работы ФАР в проходном режиме содержит приемный излучатель с волноводом излучателя и согласующий трансформатор, примыкающий к другому торцу ВФФВ.
карк
В частности, каркас катушки выполняется толщиной большей или равной 0,02λ из материала с низкой диэлектрической проницаемостью ε лежащей в диапазоне от 2 до 5.
Краткое описание чертежей
Техническое решение поясняется фигурами 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 - катушка намагничивания, 11 - каркас, 12 - обмотка, 13 - магнитопровод, 14 - ферритовая скоба, 15 - полка, 16 - башмак, 17 - фаска.
Осуществление изобретения
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, расположенного внутри катушки намагничивания 10 в виде каркаса 11 и обмотки 12 продольного намагничивания ферритового стержня 9 на нем, 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.
Ферритовый стержень 9 имеет квадратную форму поперечного сечения, обеспечивающую простоту обработки материала ферритовых стержня и скоб, а магнитопровод 13 выполнен в виде системы П-образных ферритовых скоб 14, размещенных по одной на каждой боковой грани ФС 9, что обеспечивает простую конструкцию и технологию сборки ВФФВ 8.
ст
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. Анализ плотности потока энергии и дисперсионных характеристик показывает, что приемлемый размер стороны поперечного сечения ферритового стержня 9, а, 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.
ск
ск
ст
ск
ст
Для уменьшения диаметра элемента ФАР предлагается уменьшить поперечные размеры ферритовых скоб 14 при сохранении однородности магнитной цепи за счет их выполнения из феррита с большей остаточной намагниченностью и большей коэрцитивной силой в сравнении с ферритом ФС 9, при этом толщина полок 15, b, ферритовых скоб 14 определяется из соотношения b=(1,1…1,2)(Br/Br)(a/4), а материал ферритовых скоб 14 имеет намагниченность насыщения, ограниченную условием 2πγ(4πMs)/ω<0,8. Намагниченность насыщения материала ферритовых скоб 14 ограничена сверху областью резкого роста магнитных потерь. Избыточные магнитные потери в ферритовых скобах 14 позволяют гасить побочные резонансы высших типов, вызванные различными нарушениями симметрии конструктива. 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 геометрии ВФФВ 8.
Для обеспечения работы в проходном режиме, элемент ФАР содержит приемный излучатель 4 с волноводом излучателя 2 и согласующий трансформатор 6, примыкающий к другому торцу ВФФВ 8.
тр
Для снижения дифракционных потерь на переходе от волноводов 2 излучателей 3 и 4 к ВФФВ 8 предлагается использовать согласующие трансформаторы 6 с диэлектрической проницаемостью ε из диапазона от 12 до 14 и диаметром основания 7 не более 0,3λ, что позволяет снизить диаметр пятна возбуждения ВФФВ 8 и в тоже время обеспечить более эффективное возбуждение волны рабочего типа.
карк
Для снижения потерь от взаимного влияния обмотки 12 и ферритового стержня 9 на распространение рабочей волны, обмотка 12 намагничивания отделена от поверхности ФС 9 каркасом 11. Каркас 11 катушки намагничивания 10 выполняется толщиной не менее 0,02λ из материала с низкой диэлектрической проницаемостью ε лежащей в диапазоне от 2 до 3.
ст
Для обеспечения нерезонансного режима работы ВФФВ 8 предлагается наиболее просто реализуемый метод управления положением резонансов, заключающийся в подборе длины ферритового стержня 9 из соотношения l=((2n+1)/4)(1,05…1,15)λ. Значение длины ФС 9 - результат оптимизации всей конструкции ВФФВ 8 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.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что была найдена оптимальная феррито-диэлектрическая структура, позволяющая реализовать элемент ФАР на ФС без токопроводящего покрытия диаметром не превышающим 0.5λ, при сохранении конструктивной простоты элемента-прототипа. Выяснена природа резонансных потерь, возникающая в подобных структурах, закономерности появления и расположения резонансов на определенных частотах с учетом их перемещения при изменении состояния намагниченности ферритовой среды, предложен и реализован простой подход, позволяющий управлять положением этих резонансов без использования дополнительных конструктивных элементов.
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 элементов ФАР, возбуждает поверхностную волну НЕ 11 приемного излучателя 4. Поверхностная волна возбуждает волну НИ 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 НЕ 11, 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 катушкой намагничивания 10 продольного поля намагничивания с соответствующим значением магнитной индукции в момент прохождения по расположенной на каркасе 11 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, а также размеры и характеристики материалов ферритовых деталей волноводного ферритового фазовращателя, согласующих трансформаторов, каркаса катушки намагничивания, позволяют сформировать необходимую структуру полей сложного феррито-диэлектрического волновода, которая практически не взаимодействует с катушкой намагничивания, не распространяется в ферритовых скобах, не способствует возбуждению волн высших типов, что позволило, в обозначенных в формуле изобретения диапазонах конструктивных параметров в зависимости от требований по предпочтительному соотношению эксплуатационных показателей, получить целесообразные решения задачи создания элементов ФАР проходного типа с поперечным размером до 0,5λ, обеспечивающих, без усложнения конструкции и при упрощении технологии изготовления, работу устройства в секторе сканирования с углом раскрыва до ±60° в сантиметровом диапазоне длин волн с вносимыми потерями не более 1,7 Дб, временем переключения (не более 110 мкс) и энергией (не более 200 мкДж). Эти показатели получены в испытаниях и являются передовыми в своем классе.