ПРОХОДНОЙ ЭЛЕМЕНТ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ

Полезная модель относится к области радиотехники сверхвысоких частот (СВЧ), в частности - к конструкциям элементов проходных фазированных антенных решеток (ФАР), и может быть использована в радиолокационных системах с электрическим сканированием луча
Известны волноводные проходные ФАР с пространственным возбуждением облучателями, работающие с кругополяризованными электромагнитными волнами. Их интегрированные элементы выполняются в виде последовательно соединенных приемного излучателя, обращенного к облучателю, проходного волноводного ферритового фарадеевского фазовращателя и апертурного излучателя.
ф
В частности, известен приемопередающий элемент ФАР (см. патент RU 2184410, МПК H01Q 21/00, Н01Р 01/19, опубл. 27.06.2002). Элемент ФАР содержит диэлектрические излучатели и фазовращатель (ФВ), состоящий из намагничивающей обмотки, расположенной внутри магнитопровода, и цилиндрического ферритового стержня (ФС), установленного внутри намагничивающей обмотки. Между торцами цилиндрического ФС и торцами диэлектрических излучателей установлены согласующие диэлектрические шайбы. При этом цилиндрический ФС, согласующие шайбы и диэлектрические излучатели имеют одинаковый диаметр и заключены в общий отрезок круглого волновода. Магнитопровод известного элемента ФАР выполнен в виде двух ферритовых П-образных скоб, каждая из которых содержит продольную пластину и два башмака, опирающиеся подошвами на металлизированную боковую поверхность ФС, причем опорная поверхность башмаков выполнена по форме боковой поверхности стержня, а внутренние поверхности башмаков отшлифованы с высоким классом точности и плотно прижаты к поверхности металлизированного ФС. Общий отрезок металлизированного волновода выполнен в виде медной пленки толщиной 1,1-1,5 мкм. Цилиндрический ФС выполнен из феррита с диэлектрической проницаемостью ε=14-17, согласующие шайбы выполнены из материала, например ситалла, с диэлектрической проницаемостью ε=9-11, а диэлектрические излучатели выполнены из материала, например ситалла, с диэлектрической проницаемостью ε=7,15-7,35.
Приемопередающему элементу ФАР присущ ряд недостатков, в том числе: большое вносимое ослабление, связанное с резонансами волн высших типов, возбуждаемых в неодноволновом ФС; сложность изготовления устройства, требующая применения алмазной обработки длинного феррито-ситаллового стержня со сложной геометрией и лазерной резки тонкого токопроводящего покрытия с последующим вакуумным напылением и осаждением слоев диэлектриков и металлов.
Известен проходной элемент ФАР (см. патент RU 62741, МПК H01Q 21/00, Н01Р 01/16, опубл. 27.04.2007), содержащий диэлектрические излучатели и фазовращатель, состоящий из намагничивающей обмотки, расположенной внутри магнитопровода, и цилиндрического ФС, установленного внутри намагничивающей обмотки. Цилиндрический ФС и диэлектрические излучатели заключены в общий отрезок металлизированного круглого волновода. Цилиндрический ФС и диэлектрические излучатели выполнены из материалов с высокой одинаковой или близкой по значению друг к другу диэлектрической проницаемостьюε, диэлектрические излучатели содержат цилиндрическую часть и одинаковыми торцами жестко соединены с торцами цилиндрического ФС, а на их других торцах выполнены удлинения в виде усеченных конусов, причем диаметр основания усеченных конусов меньше диаметра цилиндрической части диэлектрического излучателя.
ф
Недостатками известного элемента ФАР являются низкая механическая прочность, обусловленная отсутствием корпуса устройства, и повышенные СВЧ-потери на рассогласование антенных решеток, собранных из подобных элементов ФАР, в диапазоне частот и в секторе сканирования луча вследствие высокой диэлектрической проницаемости материала диэлектрических излучателей, равной или близкой диэлектрической проницаемости εферритового стержня (порядка 14-16).
а
Известен проходной элемент ФАР с круговой поляризацией К-диапазона (см. патент RU 2592054, МПК H01Q 21/00, опубл. 20.07.2016). Элемент ФАР содержит размещенный в корпусе волноводный ферритовый фазовращатель с магнитной памятью, выполненный с излучателями на ФС в виде тела вращения с круглым поперечным сечением и частичной металлизацией боковой поверхности, на металлизированном участке которого расположена обмотка управления и два магнитопровода П-образной формы. Излучатели выполнены заодно с ФС в виде симметричных неметаллизированных ступенчатых переходов на его концах.
ф
Известный элемент ФАР выполнен на основе круглого ФС со ступенчатыми переходами на концах. При такой конфигурации ФС допустима только поэлементная обработка при алмазном шлифовании. Наличие только двух П-образных магнитопроводов приводит к необходимости увеличения одного из поперечных размеров элемента ФАР, что ограничивает сектор сканирования луча ФАР. Следствием высокой диэлектрической проницаемости излучателей, равной диэлектрической проницаемости ε феррита, является увеличение СВЧ-потерь на рассогласование ФАР со свободным пространством.
Известен проходной элемент ФАР (см. патент RU 2461931, МПК H01Q 21/00, Н01Р 01/19, опубл. 20.09.2012), содержащий входной и выходной диэлектрические излучатели, корпус в виде тонкостенной гильзы и волноводный фарадеевский ФВ, состоящий из ФС в виде N-гранной призмы (N≥4), размещенного вместе с обмоткой его продольного намагничивания внутри магнитопровода в виде N П-образных ферритовых скоб, расположенных по одной на каждой гране ФС, причем волновод элемента ФАР включает волновод, образованный пленкой токопроводящего покрытия боковой поверхности ФС, волноводы излучателей, согласующие и соединительные волноводы, ферритовый блок центрируется в корпусе элемента ФАР диэлектрическими шайбами, установленными внутри ферритового блока на ФС между обмоткой намагничивания и башмаками ферритовых скоб.
Недостатком элемента ФАР является усложнение конструкции размещением диэлектрических шайб внутри ферритового блока и сложные внешние поверхности полочек ферритовых скоб и диэлектрических шайб, выполненных по форме внутренней поверхности корпуса элемента ФАР.
Известен проходной элемент ФАР, совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип (см. патент RU 2325741, МПК H01Q 21/00, Н01Р 01/19, опубл. 27.05.2008). Проходной элемент ФАР-прототип содержит металлический цилиндрический корпус, в котором установлены входной и выходной диэлектрические излучатели и ферритовый ФВ, состоящий из обмотки намагничивания, расположенной внутри магнитопровода, и установленного внутри нее ФС с токопроводящим покрытием боковой поверхности, между торцами которого и торцами диэлектрических излучателей установлены согласующие диэлектрические вставки, размещенные вместе с цилиндрическими хвостовиками диэлектрических излучателей и ФС внутри волновода. Магнитопровод выполнен в виде П-образных скоб, каждая из которых содержит продольную пластину и два башмака, прилегающих к боковой поверхности ФС. ФС выполнен в виде правильной N-гранной призмы с числом граней N≥4, к каждой из которых примыкает одна скоба. Волновод включает N-угольный волновод ферритового ФВ, образованный токопроводящим покрытием боковой поверхности ФС, два волновода излучателей, два согласующих волновода, и два короткозамыкателя с отверстиями вдоль оси, при этом на наружной поверхности корпуса расположена печатная плата, к контактам которой присоединены провода обмотки намагничивания, выведенные через пазы в корпусе.
Известный проходной элемент-прототип имеет большие поперечные размеры, что снижает сектор сканирования луча ФАР, составленной из подобных элементов, а также низкую прочность и стойкость к внешним механическим воздействиям. Низкая механическая прочность и стойкость известного элемента ФАР к внешним механическим воздействиям обусловлены тем, что весь ферритовый блок, включающий ФС, обмотку намагничивания и ферритовые скобы внешнего магнитопровода, удерживается внутри корпуса лишь за счет концов ФС, вклеенных токопроводящим клеем в квадратные отверстия соединительных волноводов. Кроме того, некоторые внешние ребра пластин ферритовых скоб могут находиться в контакте с внутренней поверхностью тонкостенного цилиндрического корпуса элемента ФАР, деформируя его.
Задачей настоящего технического решения является разработка проходного элемента ФАР, который бы имел уменьшенные поперечные размеры и одновременно повышенную прочность и стойкость к внешним механическим воздействиям.
Поставленная задача решается тем, что проходной элемент ФАР содержит металлический цилиндрический корпус, в котором установлены входной и выходной диэлектрические излучатели и ферритовый ФВ, состоящий из обмотки намагничивания, расположенной внутри магнитопровода, и установленного внутри нее ФС с токопроводящим покрытием боковой поверхности, между торцами которого и торцами диэлектрических излучателей установлены согласующие диэлектрические вставки, размещенные вместе с цилиндрическими хвостовиками диэлектрических излучателей и ФС внутри волновода. Магнитопровод выполнен в виде П-образных ферритовых скоб, каждая из которых содержит продольную пластину и два башмака, прилегающих к боковой поверхности ФС. ФС выполнен в виде правильной четырехгранной призмы, к каждой гране которой примыкает одна скоба. Волновод включает четырехугольный волновод ферритового ФВ, образованный токопроводящим покрытием боковой поверхности ФС, два волновода излучателей, два согласующих волновода, и два короткозамыкателя с отверстиями вдоль оси. На наружной поверхности корпуса расположена печатная плата, к контактам которой присоединены провода обмотки намагничивания, выведенные через пазы в корпусе. Новым в проходном элементе ФАР является то, что металлический цилиндрический корпус в поперечном сечении выполнен в форме полого прямоугольного четырехугольника, к стенкам которого изнутри вплотную примыкают продольные пластины П-образных скоб.
Металлический цилиндрический корпус проходного элемента ФАР может быть выполнен со скошенными ребрами.
Металлический цилиндрический корпус проходного элемента ФАР может быть выполнен с закругленными ребрами.
Металлический цилиндрический корпус может быть выполнен составным в виде обращенных друг к другу торцами П-образных профилей, соединенных клеевым соединением. В этом случае П-образные профили корпуса соединены клеевым соединением с продольными пластинами П-образных скоб и с наружными поверхностями входного и выходного волноводов.
С внешней стороны башмаков могут быть установлены прямоугольные четырехугольные шайбы, вплотную прилегающие к окружающим их деталям элемента ФАР.
Настоящая полезная модель поясняется графическими материалами, где:
на фиг. 1 показан элемент проходной ФАР с частичным продольным сечением;
на фиг. 2 приведен настоящий проходной элемент ФАР в поперечном разрезе по сечению А-А на фиг. 1 (в месте расположения башмаков ферритовых скоб);
на фиг. 3 показан настоящий проходной элемент ФАР в поперечном разрезе по сечению Б-Б на фиг. 1 (в месте расположения прямоугольной четырехугольной шайбы, центрирующей ферритовый блок в корпусе элемента ФАР);
на фиг. 4 приведен настоящий проходной элемент ФАР в поперечном разрезе по сечению В-В на фиг. 1 (в месте расположения пластин ферритовых скоб внешнего магнитопровода).
Проходной элемент ФАР (см. фиг. 1 - фиг. 4) содержит: входной диэлектрический излучатель 1 и выходной диэлектрический излучатель 2 с цилиндрическими хвостовиками; входной волновод 3 и выходной волновод 4 соответственно излучателя 1 и излучателя 2, согласующие волноводы 5 и 6, ФС 7, выполненный в виде правильной четырехгранной призмы, волновод 8 ферритового ФВ, обмотку 9 намагничивания, ферритовую П-образную скобу 10 внешнего магнитопровода, примыкающую к соответствующей гране ФС 7; продольную пластину 11 ферритовой скобы 10, башмаки 12 и 13 ферритовой скобы 10, согласующие диэлектрические вставки 14 и 15, шайбы 16 и 17 соответственно диэлектрических вставок 14 и 15, стержни 18 и 19 соответственно диэлектрических вставок 14 и 15, металлический цилиндрический корпус 20, продольные пазы 21 и 22 в корпусе 20, печатную плату 23, контактные площадки 24 и 25, провода 26 и 27 обмотки 9 намагничивания, короткозамыкатели 28 и 29 входного и выходного согласующих волноводов, концы 30 и 31 ФС, прямоугольные четырехугольные шайбы 32 и 33, вплотную прилегающие к окружающим их деталям элемента ФАР. Токопроводящее покрытие боковой поверхности ФС 7 образует четырехугольный волновод 8 ферритового ФВ. Металлический цилиндрический корпус 20 в поперечном сечении выполнен в форме полого прямоугольного четырехугольника, к стенкам которого изнутри вплотную примыкают продольные пластины 11 П-образных ферритовых скоб 10. Металлический цилиндрический корпус 20 может быть выполнен со скошенными или с закругленными ребрами, а также металлический цилиндрический корпус 20 может быть выполнен составным в виде обращенных друг к другу торцами П-образных профилей, соединенных клеевым соединением, например, с продольными пластинами 11 П-образных ферритовых скоб 10 и с наружными поверхностями входного волновода 3 и выходного волновода 4.
11
11
Настоящий проходной элемент ФАР работает следующим образом. В режиме передачи электромагнитная волна, поляризованная по кругу, излучаемая облучателем (на фигурах не показан) ФАР, составленной из настоящих проходных элементов ФАР (на фигурах не показана), принимается входным диэлектрическим излучателем 1 и возбуждает в его цилиндрической части волну типа НЕ круглого диэлектрического волновода 3, а затем волну типа Н круглого волновода 3 входного излучателя 1. Затем электромагнитная волна проходит через согласующий волновод 5 и возбуждает в квадратном волноводе 8 ферритового ФВ низшую волну типа Ню квадратного волновода 8, образованного токопроводящим покрытием боковой поверхности ФС 7 и заполненного ферритовой средой. С выхода волновода 8 ферритового ФВ электромагнитная волна поступает в согласующий волновод 6, выходной излучатель 2 и излучается в свободное пространство. Фаза излучаемой проходным элементом ФАР кругополяризованной электромагнитной волны зависит от длины волны, формы поперечного сечения, размеров излучателей 1 и 2 и волноводов 5, 6, а также параметров материалов стержни 18 и 19 соответственно диэлектрических вставок 14 и 15 и ФС 7. Дополнительное изменение фазы электромагнитной волны Δϕ, регулируемой в интервале 0-2π, осуществляется волноводным ферритовым ФВ путем изменения параметров ферритовой среды при ее продольном намагничивании. Поле намагничивания создается в ФС 7 обмоткой 9 намагничивания, соединенной с системой управления лучом (на фигурах не показана) ФАР проводами 26 и 27 обмотки 9 намагничивания, выведенными через продольные пазы 21 и 22 в корпусе 20 и соединенными с контактными площадками 24 и 25 печатной платы 23, размещенной на внешней поверхности цилиндрического корпуса 20 элемента ФАР.
В режиме приема из свободного пространства на выходной диэлектрический излучатель 2 падает кругополяризованная электромагнитная волна с противоположным направлением вращения вектора  по сравнению с излучаемой волной и принимается излучателем 2. Затем электромагнитная волна последовательно проходит через отрезки волноводов волноводного канала элемента ФАР в обратном направлении, получает такое же, как и в режиме передачи, дополнительное изменение фазы Δϕ в ФВ и излучается входным диэлектрическим излучателем 1 в направлении облучателя ФАР (на фигурах не показан).
Длины входного и выходного диэлектрических излучателей 1 и 2 выбирают с учетом конструктивных особенностей конкретной ФАР и требований, предъявляемых к ее электрическим характеристикам (геометрия расположения излучателей 1 и 2 в раскрывах антенной решетки, сектор сканирования луча, геометрия системы возбуждения). Диаметры на концах конических частей диэлектрических излучателей 1 и 2 выбирают из условий согласования со свободным пространством и достаточной механической прочности. Диаметры цилиндрических частей диэлектрических излучателей 1 и 2, а также волноводов излучателей выбирают из условия одноволнового режима работы. При этом параметры входного излучателя 1 выбирают из условия обеспечения эффективности возбуждения приемной антенной решетки и формирования требуемого амплитудного распределения поля по ее элементам. Параметры выходного излучателя 2 выбирают с учетом требуемого изменения коэффициента усиления ФАР в секторе электрического сканирования луча.
Выполнение металлического цилиндрического корпуса 20 в поперечном сечении в форме полого прямоугольного четырехугольника, к стенкам которого изнутри вплотную примыкают продольные пластины 11 П-образных ферритовых скоб 10, позволило более плотно разместить проходные элементы в ФАР, что обеспечило, как показала экспериментальная проверка, на 10% расширение сектора сканирования луча ФАР.
Введение прямоугольных четырехугольных шайб 32 и 33 позволяет упростить сборку проходного элемента ФАР и повысить его стойкость к внешним механическим воздействиям за счет лучшей фиксации ферритового блока внутри прямоугольного цилиндрического корпуса 20 элемента ФАР.
Настоящий проходной элемент ФАР конструктивно прост, технологичен, отличается простотой изготовления отдельных деталей и сборки, характеризуется низкой трудоемкостью и невысокой стоимостью. Для его создания в условиях серийного производства нет необходимости разрабатывать новые материалы и использовать дорогостоящие технологические процессы, достаточно использовать нормализованные серийно выпускаемые материалы, клеи и освоенные технологические процессы.
Сборку настоящего проходного элемента ФАР целесообразно осуществлять клеевым соединением отдельных деталей с использованием промышленных нормализованных клеев. В частности, для клеевого соединения концов ФС с соединительными волноводами может быть использован электропроводный клей, например марки ЭК-С, применяемый при монтажных операциях при производстве изделий электронной техники, или аналогичный ему клей. Для клеевого соединения других деталей элемента проходной ФАР могут использоваться неэлектропроводные клеи, не вносящие дополнительных СВЧ-потерь.
Проходной элемент ФАР может быть эффективно использован, например, в антенных системах радиолокационных комплексов как стационарных, так и мобильных, наземного, морского и воздушного базирования, в том числе функционирующих в условиях повышенных механических воздействий.