Волноводно-стержневой антенный элемент проходной фазированной антенной решетки

Волноводно-стержневой антенный элемент проходной фазированной антенной решетки
Полезная модель относится к антенной технике, в частности к приемопередающим интегральным антенным элементам и может быть использована в проходных фазированных антенных решетках (ФАР) СВЧ-диапазона с электрическим сканированием луча.
Известен приемопередающий элемент проходной ФАР, характеризующийся тем, что он содержит 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 щайбы; цилиндрический ферритовый стержень, согласующие щайбы и диэлектрические излучатели имеют одинаковый диаметр и заключены в общий отрезок металлизированного круглого волновода. На поверхности каждого из диэлектрических излучателей, находящейся за пределами общего отрезка металлизированного круглого волновода, выполнена конусообразная замкнутая по окружности канавка, на поверхность которой нанесено металлизированное покрытие. 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, причем 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 1.
Описанный приемопередающий элемент проходной ФАР удовлетворяет высоким требованиям по диапазонности характеристик фазовращателя, согласования с пространством, сканирования в заданном секторе углов. Однако его недостаток заключается в том, что он сложен по конструкции и технологии изготовления. Поскольку излучатели выступают за пределы металлической плиты, образующей конструктивную силовую основу
МПК-7 И OIP 1/16, H01Q21/00
ФЛР и одновременно являющейся отражающим экраном, который вместе с выступающими излучателями формирует раскрыв ФАР, то для его защиты от атмосферных и механических воздействий требуется специальное радиопрозрачное укрытие.
Отмеченные недостатки в значительной мере устранены в волноводно-стержневом антенном элементе ФАР, содержащем фазовращатель, выполненный в виде намагничивающей обмотки, внутри которой установлен цилиндрический ферр1ПХ)вый стержень, больщая часть поверхности которого металлизирована, образуя круглый волновод. Излучателем является конец этого цилиндрического ферритового стержня, состоящий из свободных от металлизации цилиндрического и конического участков. Излучатель помещен соосно в круглый двухступенчатый волновод больщего диаметра, выполненный в соответствии с периодом решетки в металлической плите, образующей конструктивнуКз силовую основу ФАР. Излучатель расположен в первом отрезке двухступенчатого волновода, а торец его конического участка касается поверхности диэлектрической вставки, установленной во втором отрезке двухступенчатого волновода, имеющем несколько больщий диаметр по сравнению с первым отрезком, и сообщающимся с пространством Между торцом конического участка излучателя и диэлектрической вставкой допускается небольщой воздушный зазор, наличие которого может быть обусловлено конструктивнотехнологическими соображениями, а также тем, что он может служить дополнительной неоднородностью при согласовании излучателя с пространством
Упрощение конструкции и технологии изготовления волноводно-стержневого антенного элемента ФАР достигнуто за счет того, что в нем использован ферритовый стержень в виде единой детали из однородного материала без согласующих трансформаторов и диэлектрических стержней. В качестве излучающих волноводов используются также отверстия в массивной силовой плите, что сокращает общую длину антенного элемента. Стык двух отрезков круглых волноводов с разным поперечным сечением (двухступенчатый волновод) предусмотрен для того, чтобы зафиксировать положение диэлектрической вставки во втором отрезке заподлицо с раскрывом рещетки. Запрессованные в силовую плиту для электродинамического согласования раскрыва ФАР с пространством, диэлектрические вставки одновременно выполняют защитную функцию от атмосферных и механических воздействий на антенные элементы, что позволяет отказаться от дополнительного радиопрозрачного укрытия с внешней стороны рещетки 2.
- /оХ/- / /с V
ЛЯЮТСЯ заметные потери СВЧ-эиергии и зависимость начального сдвига фазы от температуры.
Сущность полезной модели заключается в следующем.
Задачей, на рещение которой направлена полезная модель, является разработка и создание интегрального антенного элемента проходной ФАР, обеспечивающего заданные технические характеристики фазовращателя, удовлетворительное согласование антенного полотна с пространством и выполняющего также функцию укрытия от внешних атмосферных и механических воздействий, как с внещней, так и с внутренней стороны ФАР. Технический результат, достигаемый при осуществлении полезной модели, выражается в снижении потерь СВЧ-энергии антенного элемента ФАР при излучении и приеме, а также уменьшение температурных уходов начального сдвига фазы.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном волноводностержневом антенном элементе для ФАР, содержащем фазовращатель, выполненный в виде намагничивающей обмотки, внутри которой установлен цилиндрический ферритовый стержень, поверхность которого металлизирована, образуя круглый волновод, первым излучателем является обращенный в сторону пространства свободный от металлизации конец цилиндрического ферритового стержня, который помещен соосно в первый отрезок первого круглого двухступенчатого волновода больщего диаметра, выполненного в соответствии с периодом рещетки в металлической плите, образующей конструктивную основу ФАР, при этом торец первого излучателя имеет воздущный зазор с поверхностью первой диэлектрической вставки, установленной во втором отрезке первого двухступенчатого волновода, который имеет несколько больщий диаметр по сравнению с первым отрезком и сообщается с пространством, согласно полезной модели цилиндрический ферритовый стержень состоит из трех частей, причем центральный ферритовый стержень, находящийся внутри намагничивающей обмотки, выполнен из феррита с высокой намагниченностью, а первый и второй боковые ферритовые стержни, играющие роль первого и второго излучателей, выполнены из феррита с низкой намагниченностью, а их концы имеют цилиндрическую форму с фаской, при этом свободный от металлизации конец второго излучателя помещен соосно в первый отрезок второго круглого двухступенчатого волновода больщего диаметра, выполненного в соответствии с периодом рещетки в съемной электропроводящей панели определенных размеров, причем торец второго излучателя имеет воздущный зазор с поверхностью второй диэлектрической вставки, установленной во втором отрезке второго двухступенчатого волновода, который имеет несколько больший диаметр
.x/rV/ V,:cV
по сравнению с первым отрезком и сообщается с пространством со стороны облучателя антенны.
Длина свободных от металлизации концов первого и второго боковых ферритовых стержней и геометрические размеры первого и второго двухступенчатых волноводов определяются рабочей длиной волны и являются неизменными для различных ФАР данного диапазона волн.
Длины первого и второго боковых ферритовых стержней могут быть одинаковыми или разными и определяются конструктивными параметрами проходной ФАР.
Отметим причинно-следственные связи между признаками полезной модели и техническим результатом. При проектировании фазовращателя выбирают материал феррита, имеющий при заданных размерах максимальный фазовый сдвиг и минимальные потери, т.е. максимальную добротность, которая определяется как отнощение фазового сдвига к потерям. Известно, что с уменьщением намагниченности насыщения Ms феррита уменьщаются его магнитные потери, но при этом уменьшается и максимальный фазовый сдвиг, который пропорционален величине остаточной намагниченности Ms 3, 4 Продольные размеры антенного элемента определяются размерами фазовращателя, излучателей и конструктивной толщиной полотна ФАР, в связи с чем, он имеет длину, большую, чем длина фазовращателя и излучателей, за счет длин волноводных секций между ними Если выбрать единый материал, как для фазовращателя, так и для волноводных секций, идущих к излучателям, то общие потери могут возрасти, т.к. материал, используемьи для фазовращателя, имеет больщую намагниченность, а значит, и больщие потери В связи с этим, предлагается использовать для антенного элемента два ферритовых материала с разной намагниченностью, причем ферритовый материал с меньшей намагниченностью - для участков вне фазовращателя. Так, например, ферритовый стержень для волноводной части длиной 60 мм из материала ЛИ-88 с намагниченностью насыщения 1100 Гс имеет потери вдвое меньщие, чем такой же образец для фазовращателя из материала ЗСЧ-18 с намагниченностью насыщения 1870 Гс 5. При этом общие потери в антенном элементе будут на 30% меньше, что весьма существенно для антенных характеристик.
Известно, также, что начальная электрическая длина ферритового фазовращателя уменьшается с увеличением температуры за счет уменьшения Ms 3, 4 В связи с этим в антенных устройствах осуществляют интенсивный воздушный продув антенных элементов, чтобы максимально выровнять начальный сдвиг фазы. В не намагниченном феррите электрическая длина с увеличением температуры увеличивается. Поэтому, при использовании в предлагаемой конструкции намагниченного и не намагниченногх) ферритов нроисходит определенная компенсация температурного изменения начальной электрической длины фазовращателя с изменением температуры, что улучшает антенные характеристики.
Полезная модель поясняется чертежами, на которых изображены, фиг. 1 - конструктивная схема волноводно-стержневого антенного элемента проходной ФАР, на фиг. 2 схема излучателя.
Волноводно-стержневой антенный элемент проходной ФАР (фиг. 1) содержит фазовращатель 1, выполненный в виде намагничивающей обмотки (на чертеже не показана), внутри которой установлен центральный цилиндрический ферритовый стержень 2 (фазосдвигающая секция), обладающий высокой намагниченностью (например, феррит марки ЗСЧ-18 по ПЯ0.707.463ТУ). Фазовращатель может быть выполнен по известным правилам, например, в виде намагничивающей обмотки, расположенной внутри магнитопровода. Намагничивающая обмотка катущки управления намотана на бумажный каркас и надета на центральный цилиндрический ферритовый стержень 2. Выводы обмотки соединены с системой управления фазовращателями. Сверху намагничивающей обмотки расположены два магнитопровода, выполненные в виде П-образных скоб, каждая из которых содержит продольную пластину и башмаки. Магнитопроводы выполнены из материала с низкой коэрцитивной силой порядка 0.35 эрстед (например., феррит марки 0,35ВТ по ЫК7.773.179 ТУ). Внутренняя поверхность продольных пластин имеет цилиндрическую форму, а опорные поверхности башмаков выполнены по форме окружности центрального ферритового стержня 2. В верхней части опорной поверхности башмаков по оси симметрии выполнен паз, предназначеный для обеспечения азимутальной симметрии подмагничивающего магнитного поля, благодаря чему уменьшаются резонансные пики потерь СВЧ-энергии на вьющих типах волн. С помощью бандажа (например, пропитанной лаком прочной нити) опорные поверхности башмаков, которые должны бьггь отщлифованы с высоким классом точности, плотно прижаты к боковой поверхности центрального ферритового стержня 2 так, чтобы зазор между ними не превышал 30 мкм 1.
К торцам центрального ферритового стержня 2 жестко присоединены, соответственно, первый 3 и второй 4 боковые цилиндрические ферритовые стержни с низкой намагниченностью (например, феррит марки ЛИ-88 по САМТ.75711.001ТУ). Диэлектрическая и магнитная проницаемости материала центрального 2 и боковых 3, 4 ферритовых стержней отличаются незначительно, поэтому согласующие трансформаторы между ними не требуются. Указанные детали выполнены с одинаковым диаметром, жестко соединены
между собой, например, с помощью клея, и заключены в общий огрезок круглого металлизированного волновода 5, образованного путем напыления или гальванического нанесения слоя металла, например, меди, толщиной 1,1 - 1,5 мкм на их поверхность за исключением концов первого 3 и второго 4 боковых ферритовых стержней. Первым излучателем, обращенным в сторону пространства, является свободный от металлизации конец первого бокового ферритового стержня 3, имеющий цилиндрическую форму с фаской. Он помещен соосно в первый отрезок 6 первого круглого двухступенчатого волновода больщего диаметра, выполненного в соответствии с периодом рещетки в металлической силовой плите 7, образующей конструктивную основу ФАР. Двухступенчатый волновод может быть образован путем, например, фрезеровки в силовой плите 7 со стороны пространства. Торец
первого излучателя 3 имеет воздущный зазор с поверхностью первой диэлектрической вставки 8, установленной во втором отрезке 9 первого двухступенчатого волновода, который имеет несколько больщий диаметр по сравнению с первым отрезком 6 и сообщается с пространством. Вторым излучателем, обращенным в сторону облучателя антенны, является свободный от металлизации конец второго бокового ферритового стержня 4, также имеющий цилиндрическую форму с фаской. Он помещен соосно в первый отрезок 10 второго круглого двухступенчатого волновода больщего диаметра, выполненного в соответствии с периодом рещетки в съемной электропроводящей панели 11 определенных размеров. Вторые двухступенчатые волноводы могут быть образованы, например, методом щтамповки в металлическом или покрытом слоем металлизации пластмассовом листе. Торец второго 4 излучателя имеет воздущный зазор с поверхностью второй диэлектрической вставки 12, установленной во втором отрезке 13 второго двухступенчатого волновода, который имеет несколько больщий диаметр по сравнению с первым отрезком 10 и сообщается с пространством.
Таким образом, описанная конструкция представляет собой волноводный канал, содержащий фазовращатель фарадеевского типа, обеспечивающий продольное намагничивание центрального ферритового стержня 2, и излучатели, которые конструктивно являются круглыми коаксиально-волноводными излучателями (фиг. 2). Боковые ферритовые стержни 3 (4), имеющие диаметр dj, диэлектрическую и магнитную проницаемости з и fi3, проходят в первый отрезок 6 (10) круглого двухступенчатого волновода через входное отверстие с диаметром do. В отличие от прототипа 2, где dj  do, в заявленной конструкции входное отверстие несколько больще диаметра ферритового стержня, примерно на 1,0 мм. Образованный канал выполняет только конструктивные функции - через него ферри Zf-   / 6
)
ТОВЫЙ стержень 3 (4) вставляется в первый отрезок двухстуг1енчаго1Х) волновода без повреждения металлического покрытия (на фиг. 2 для наглядности это покрытие выделено серым тоном). Сово1супность технологических допусков при монтаже волноводностержневых антенных элементов должна удовлетворять требованию - металлизированная часть ферритового стержня никогда не должна попадать в область первого отрезка 6 (10) двухступенчатого волновода. Металлизированная часть первого бокового ферритового стержня 3 и входное отверстие в силовой плите 7 диаметром do, являющееся, по сути, отрезком волновода, образуют коаксиальный волновод, длина которого достаточна для затухания всех высших типов волн, возбуждаемых в этом коаксиале, если толщина силовой плиты 7 не менее
где /; - длина первого отрезка 6 первого двухступенчатого волновода, /2 - длина второго отрезка 9 первого двухступенчатого волновода, Яо - длина волны в свободном пространстве.
В случае несоосности ферритового стержня и отверстия, в этом коаксиале, помимо высших типов волн, может также возникнуть волна ТЕМ, однако ее влияние пренебрежимо мало. Металлизированная часть второго бокового ферритового стержня 4 и входной патрубок 14 в электропроводящей панели 11 диаметром do также образуют коаксиальный волновод (фиг. 1), длина которого выбирается равной примерно (0,3-0,4) л, что достаточно для затухания всех, возбуждаемых здесь, высших типов волн.
Свободный от металлизации конец бокового ферритового стержня 3 (4), собственно излучатель, находится в первом отрезке 6 (10) двухступенчатого волновода большего диаметра ( и глубиной // с воздушным заполнением (f/ ///  /). Этот отрезок стыкуется со вторым отрезком 9 (13) двухступенчатого волновода большего диаметра d:  di и глубиной /2, который заполнен твердым диэлектриком 8 (12) с «г / и 2-1 Стык двух отрезков волноводов с разным поперечным сечением необходим для того, чтобы жестко зафиксировать диэлектрическую вставку 8 (12) во втором отрезке 9 (13) круглого двухступенчатого волновода заподлицо с раскрывом, как с внешней, так и с внутренней стороны полотна ФАР. Свободный от металлизации конец бокового ферритового стержня 3 (4) имеет цилиндрическую часть длиной 1з и фаску высотой /. Диаметр торца ферритового стержня d4 и высота фаски / подбираются как из конструктивно-технологических соображений (в частности, для удобства вставления стержня во входное отверстие (патрубок) двухступенчатого волновода), так и с учетом удовлетворения электродинамических харакI,+12+(0,3-0,4) 2о,
теристик излучателя. Наличие зазора /5 между торцом ферритового стержня 3 (4) и поверхностью диэлектрической вставки 8 (12), запрессованной во второй отрезок 9 (13) двухступенчатого волновода, обусловлено в основном двумя причинами. Во-первых, при вставлении ферритового стержня в двухступенчатый волновод его торец не должен упираться в диэлектрическую вставку, иначе она может быть вытолкнута из волновода. Вовторых, зазор как дополнительная неоднородность используется наряду с другими элементами настройки для согласования излучателя с пространством.
Геометрические размеры первого и второго двухступенчатых волноводов и свободные от металлизации концы первого 3 и второго 4 боковых ферритовых стержнейизлучателей (фиг. 2), а также длина центрального ферритового стержня 2 (фиг. 1) определяются рабочей длиной волны и являются неизменными для различных ФАР данного диапазона волн. Длины первого 3 и второго 4 боковых ферритовых стержней  быть одинаковыми или разными и определяются конструктивными параметрами проходной Ф.АР, в частности, толщиной ее полотна, компоновкой вспомогательных элементов и пр
Для удобства эксплуатации проходной ФАР, например, при замене вышедших из строя волноводно-стержневых антенных элементов, последние объединены в съемные антенные модули, каждый из которых содержит, например, по шестнадцать антенных элементов, смонтированных вместе с устройствами управления фазовращателями на печатной плате и жестко закрепленных в металлической монтажной раме. При сборке ФАР монтажные рамы антенных модулей скрепляются с металлической плитой 7 с помощью болтовых соединений. Электропроводящие панели 11 выполнены в виде насадок на антенные модули со стороны облучателя антенны и скреплены с монтажными рамами также с помощью болтовых соединений.
Волноводно-стержневой антенный элемент проходной ФАР в режиме передачи работает следующим образом. СВЧ-энергия с волной круговой поляризации от облучателя антенны попадает на полотно антенной системы и проходит внутрь второго 13 и первого 10 отрезков вторых двухступенчатых волноводов (фиг. 1). Размеры двухступенчатого волновода (фиг. 2) рассчитаны так, что практически вся попавщая в него СВЧ-энергия через второй излучатель 4 концентрируется в центральном металлизированном ферритовом стержне 2. Проходя через фазовращатель 1, электромагнитная волна получает заданный фазовый сдвиг в зависимости от длительности импульсов напряжения, подаваемых на катущку управления. После окончания действия импульсов напряжения магнитная система запоминает это состояние, и фазовый сдвиг будет сохраняться до следующего цикла пере uoi.
магничивания. Далее электромагнитная волна распространяется по центральному ферритовому стержню 2 к первому излучателю 3 и через первый двухступенчатый волновод излучается в пространство. При приеме процесс протекает в обратном порядке. В этом случае излучаемая вторым двухступенчатым волноводом СВЧ-энергия фокусируется на приемной части облучателя антенны.
Использование полезной модели обеспечивает высокие антенные характеристики ФАР за счет уменьшения потерь СВЧ-энергии в антенном элементе и улучшения температурной стабильности начального фазового сдвига.
.u..cr
Источники информации;
1.RU № 2184410, Н 01Q 21/00, Н 01Р 1/19, 2002.
2.Ю.П. Виниченко, А.Е. Туманская. Волноводно-стержневой излучатель для фазированной антенной решетки. - «Электромагнитные волны и электронные системы, 1998, т. 3, № 5, стр. 61-63, рис. 1.
3.Лаке Баттон. Сверхвысокочастотные ферриты и ферромагнетики - М: Мир.1965.
4.А.Л. Микаэлян. Теория и применение ферритов на сверхвысоких частотах. - М.: Энергоиздат. 1963.
5.Сверхвысокочастотные магнитные и диэлектрические материалы. Справочник ОАО «Завод Магнетон Санкт-Петербург, 2001.