АНТЕННЫЙ ЭЛЕМЕНТ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ

Полезная модель относится к радиотехнике и может использоваться в антенных системах СВЧ диапазона для управления фазовым сдвигом и переключением поляризации электромагнитной волны.
Известен антенный элемент фазированной антенной решетки (патент US №3,938,158 опубликован 10.02.1976), содержащий фазовращатель и переключатель поляризации, включающий участок металлизированного ферритового стержня квадратного сечения. Недостатками его являются сложность конструкции, недостаточно высокое быстродействие и температурная нестабильность.
Известен антенный элемент фазированной антенной решетки (патент RU №2194342 опубликован 10.12.2002 г.), содержащий в едином конструктиве фазовращатель и переключатель поляризации, его основу составляют два ферритовых стержня круглого сечения, между которыми вклеен ферритовый стержень квадратного сечения. Указанные склеенные стержни металлизируются. Переключатель поляризации состоит из металлизированного ферритового стержня квадратного сечения, катушки управления и четырех магнитопроводов (по форме представляющих равнобедренную трапецию), установленных на гранях ферритового стержня. Катушка управления переключателя поляризации создает квадрупольное намагничивание и имеет две обмотки - сброса и набора, которые проходят через пазы магнитопроводов. Наличие четырех дроссельных щелей позволяет увеличить быстродействие антенного элемента и уменьшить потребляемую мощность. К недостаткам данного устройства можно отнести недостаточно высокую температурную стабильность управляемого переключателя поляризации.
Наиболее близким к заявляемому по конструкции является антенный элемент фазированной антенной решетки (патент RU №2249281 опубликован
27.03.2005 г.), который и выбран в качестве прототипа. Антенный элемент содержит в едином конструктиве фазовращатель и переключатель поляризации, его основу составляет один общий металлизированный ферритовый стержень с одинаковым или различным круглым сечением по длине. Он имеет фазовращатель круговой поляризации с обмоткой управления и ферритовыми магнитопроводами, симметрично установленными на участке металлизированного ферритового стержня круглого сечения, образующего волновод круглого сечения, соединенный через волноводный переход длиной не менее λ/8, где λ - длина волны в свободном пространстве, с управляемым переключателем поляризации, включающем другой участок металлизированного ферритового стержня круглого сечения и расположенные на нем магнитопроводы, по форме представляющие собой части кольца (два полукольца или четверти кольца), имеющие пазы для фиксации катушки управления переключением поляризации. Одной из особенностей данной конструкции является отсутствие дроссельных щелей в металлизированном слое ферритового стержня, что значительно снижает трудоемкость изготовления антенного элемента и уменьшает его стоимость. Недостатком данной конструкции является большая энергия переключения, а также недостаточно высокое быстродействие и температурная нестабильность.
Технический результат заявляемого антенного элемента фазированной антенной решетки (ФАР) заключается в снижении энергии и времени переключения поляризации электромагнитной волны, повышении температурной стабильности управляемого переключателя поляризации.
Технический результат достигается за счет того, что антенный элемент фазированной антенной решетки содержит фазовращатель, соединенный через волноводный переход с управляемым переключателем поляризации, включающим участок металлизированного ферритового стержня круглого сечения с установленными на нем магнитопроводами. При этом ферритовый фазовращатель имеет линейную поляризацию и выполнен на волноводе
прямоугольного сечения, продолжением которого является волноводный переход длиной (0,07-0,12)λ также выполненный на волноводе прямоугольного сечения, высота которого равна (0,25-0,3)λ а его ширина равна (0,4-0,5)λ причем размеры волноводов могут быть как одинаковыми, так и отличными друг от друга. В центре волновода перехода по всей длине установлена диэлектрическая пластина с диэлектрической проницаемостью ε=15-17, высота которой составляет (0,4-0,8) от высоты волновода перехода, а ширина - (0,4-0,7) от ширины волновода перехода. Управляемый переключатель поляризации состоит из двух одинаковых секций, каждая из которых содержит две обмотки управления и два магнитопровода, выполненных в виде П-образных ферритовых скоб, симметрично установленных на поверхности металлизированного ферритового стержня, причем опорная поверхность каждого магнитопровода выполнена по форме поверхности металлизированного ферритового стержня и имеет паз в центральной части. При этом соединение волноводного перехода с управляемым переключателем поляризации осуществляют посредством металлической стенки с круглым отверстием в центре и присоединенным к ней круглым металлическим волноводом, внутренний диаметр которого равен диаметру отверстия.
Для увеличения быстродействия и снижения энергии потребления поверхность металлизированного ферритового стержня управляемого переключателя поляризации может дополнительно содержать две продольные прорези, покрытые слоем диэлектрика и слоем металлизированного покрытия.
При этом обмотки управления переключателя поляризации могут быть выполнены по-разному: либо все обмотки управления переключателя поляризации могут быть выполнены с возможностью независимого управления, либо две обмотки управления переключателя поляризации соединены последовательно, а две другие выполнены с возможностью независимого управления.
Конструкция антенного элемента фазированной антенной решетки (ФАР) показана на рисунках Фиг.1 - Фиг.6. Антенный элемент ФАР содержит ферритовый фазовращатель 1 линейной поляризации, выполненный на волноводе прямоугольного сечения, волноводный переход 2, соединяющий фазовращатель 1 с управляемым переключателем поляризации 3, обеспечивающим работу антенного элемента фазированной антенной решетки на двух линейных ортогональных поляризациях. Фазовращатель 1 и управляемый переключатель поляризации 3 соединены через волноводный переход 2 длиной (0,07-0,12)λ выполненный на прямоугольном волноводе, высота которого равна (0,25-0,3)λ а его ширина равна (0,4-0,5)λ являющемся продолжением прямоугольного волновода фазовращателя 1, размеры волноводов перехода и фазовращателя в сечении могут быть как одинаковыми, так и различными. В центре волновода перехода 2 по всей длине установлена диэлектрическая пластина 4 с диэлектрической проницаемостью ε=15-17, имеющая следующие размеры: высота составляет (0,4-0,8) от высоты волновода перехода, а ширина - (0,4-0,7) от ширины волновода перехода. Управляемый переключатель поляризации 3, состоящий из двух одинаковых секций 5, выполнен на круглом металлизированном ферритовом стержне 6. Каждая секция 5 содержит две обмотки управления 7 (обмотку сброса и обмотку набора), два магнитопровода 8, расположенных симметрично на металлизированном ферритовом стержне 6. При этом обмотки 7 переключателя поляризации 3 могут управляться либо все отдельно, либо две из них могут быть соединены последовательно, а две другие управляются отдельно. Магнитопроводы 8 выполнены в виде П-образных ферритовых скоб, опирающихся на поверхность металлизированного ферритового стержня 6. При этом опорная поверхность магнитопроводов 8 выполнена по форме поверхности стержня и имеет паз 9, расположенный в центре опорной поверхности. Для снижения вихревых токов и повышения быстродействия слой металлизации 10 ферритового стержня 6 может дополнительно содержать две продольных прорези 11,
покрытых слоем диэлектрика 12 и слоем металлизированного покрытия 13. В месте соединения перехода с управляемым переключателем поляризации установлена металлическая стенка 14, в центре которой расположено круглое отверстие 15. К стенке 14 присоединен круглый металлический волновод 16, (внутренний диаметр которого равен диаметру отверстия 15). Переключение плоскости поляризации основано на использовании эффекта Фарадея, что позволяет существенно уменьшить энергию потребления и повысить быстродействие переключения поляризации электромагнитной волны.
Переключение поляризации электромагнитной волны в данном антенном элементе фазированной антенной решетки может осуществляться двумя способами.
1
r
r
2
r
r
Первым способом является режим переключения плоскости поляризации электромагнитной волны по предельной петле гистерезиса, схема его показана на Фиг.5. В этом режиме на обмотки сброса обеих секций подается импульс напряжения сброса, который из текущего состояния намагниченности переводит магнитное состояние секции на предельную петлю гистерезиса. При этом секции намагничены в противоположных направлениях, первая секция имеет намагниченность M, равную остаточной намагниченности M, соответствующую точке В на петле гистерезиса. У второй секции намагниченность равна М=-M, что соответствует точке - В. При этом суммарная намагниченность
s
1
2
r
r
M=M+М=M+(-M)=0,
r
т.е. вращатель поляризации работает так, как если бы он был размагничен. В результате суммарный поворот плоскости поляризации равен нулю. Для поворота плоскости поляризации на угол равный π/2 на обмотку набора одной из секций подается импульс напряжения, меняющий намагниченность секции на величину ΔM. Таким образом одна секция остается в магнитном состоянии В, а вторая устанавливается в положение I (если вместо этого импульс напряжения подать на вторую секцию, то их магнитные состояния
r
будут - В и II соответственно). Суммарная намагниченность равна
s
1
2
r
r
M=M+М=M+(-M+ΔM)=ΔM
r
Так как величина ΔM зависит только от длительности импульса, подаваемого на обмотку набора, и не зависит от величины намагниченности M, то предлагаемый вариант двухсекционного вращателя поляризации будет обеспечивать высокую температурную стабильность заданного угла поворота плоскости поляризации электромагнитной волны.
Вторым способом переключения является режим переключения плоскости поляризации электромагнитной волны по частным циклам петли гистерезиса, схема его показана на Фиг.6. В этом режиме переключение плоскости поляризации электромагнитной волны производят подачей импульса напряжения на одну из двух обмоток секции, что переводит каждую секцию в одно из двух магнитных состояний (положения I или II на Фиг.6), в результате чего плоскость поляризации электромагнитной волны секции осуществляет поворот на угол равный π/4 или π/4. Когда обе секции намагничены в противоположном направлении, суммарный угол поворота равен нулю. При совпадении направлений намагниченности секций суммарный угол поворота равен π/2. При этом вращатель поляризации работает в режиме, аналогичном режиму работы логического элемента, что позволяет упростить управление данным вращателем поляризации.
r
Второй способ характеризуется меньшим временем переключения и дополнительным снижением затрат энергии на переключение плоскости поляризации электромагнитной волны по сравнению с первым способом. Однако первый способ более стабилен, так как переключение плоскости поляризации электромагнитной волны происходит по предельной петле гистерезиса через стабильную точку В. Поэтому во втором способе для выхода на режим перед началом работы может потребоваться проведение нескольких циклов перемагничивания.
Использование двухсекционной конструкции управляемого переключателя поляризации позволяет снизить энергию переключения, так как в процессе работы напряжение управления можно подавать на одну секцию, а состояние второй секции задавать только в начале работы. Кроме того, улучшается температурная стабильность управляемого переключателя поляризации, которая обеспечивается тем, что угол поворота плоскости поляризации электромагнитной волны в двухсекционном управляемом переключателе поляризации зависит только от суммы намагниченностей первой и второй секций, т. е. при температурном изменении намагниченностей первой и второй секций их сумма будет постоянна и угол поворота поляризации не меняется.