ЭЛЕМЕНТ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ

Настоящая полезная модель относится к области радиотехники СВЧ и КВЧ диапазонов, в частности к конструкциям фазированных антенных излучателей для фазированных антенных решеток (ФАР), и может быть использована в радиолокационных системах с широкоугольным электрическим сканированием луча антенны.
В настоящее время находят все большее применение элементы ФАР с пространственным возбуждением, у которых прием электромагнитных волн от первичного облучателя производится одними (например, входными), а их излучение в пространство - другими (например, выходными) излучателями.
Элементы ФАР, осуществляющих электрическое сканирование луча, могут быть выполнены, в частности, в виде последовательно соединенных входного и выходного волноводно-диэлектрических излучателей и размещенного между ними волноводного ферритового фазовращателя с продольным полем намагничивания, пропускающего электромагнитные волны, поляризованные по кругу.
Актуальной задачей является разработка волноводных ферритовых фазовращателей и элементов ФАР проходного типа на их основе, имеющих малые поперечные размеры для антенных систем с широкоугольным электрическим сканированием луча, работающих на электромагнитных волнах с круговой поляризацией поля. Особенно актуально создание таких элементов ФАР для миллиметрового диапазона длин волн, где разработка элементов ФАР с малыми поперечными размерами, высоким быстродействием и низким энергопотреблением встречает определенные технические трудности.
Известен приемопередающий элемент фазированной антенной решетки (см. патент RU 2184410, МПК H01Q 21/00, Н01Р 1/19, опубликован 27.06.2002). Известный элемент ФАР 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 торцами диэлектрических излучателей установлены согласующие диэлектрические шайбы. При этом цилиндрический ферритовый стержень, согласующие шайбы и диэлектрические излучатели имеют одинаковый диаметр и заключены в общий отрезок круглого волновода. Магнитопровод этого элемента ФАР выполнен в виде двух П-образных скоб, каждая из которых содержит продольную пластину и два башмака, опирающиеся на металлизированную боковую поверхность ферритового стержня. Опорная поверхность башмаков выполнена по форме боковой поверхности стержня, а внутренние поверхности башмаков отшлифованы с высоким классом точности и плотно прижаты к поверхности металлизированного ферритового стержня.
Недостатками известного элемента ФАР являются: высокий уровень вносимых СВЧ-потерь, большая длина, сложность изготовления отдельных деталей и сборки элемента ФАР, низкие прочность и стойкость элемента ФАР к ударным и вибрационным воздействиям.
0
0
0
Известен элемент ФАР (см. патент RU 2325741, МПК H01Q 21/00, Н01Р 1/19, опубликован 27.05.2008), содержащий диэлектрические излучатели и фазовращатель, состоящий из намагничивающей обмотки, расположенной внутри магнитопровода, и цилиндрического ферритового стержня, установленного внутри намагничивающей обмотки. Цилиндрический ферритовый стержень и диэлектрические излучатели заключены в общий отрезок металлизированного круглого волновода и выполнены из материалов с высокой одинаковой или близкой по значению друг другу диэлектрической проницаемостью. Диэлектрические излучатели содержат цилиндрическую часть и одними торцами жестко соединены с торцами цилиндрического ферритового стержня, а на их других торцах выполнены удлинения в виде усеченных конусов, причем диаметр основания усеченных конусов меньше диаметра цилиндрической части диэлектрического излучателя. При этом концы общего отрезка металлизированного круглого волновода отстоят на расстоянии (0,05-0,1)λ от основания усеченных конусов, высота которых составляет (0,8-1,2)λ, где λ - центральная длина волны 10-процентного диапазона, диаметр основания усеченных конусов составляет (0,8-0,9), а диаметр их вершин - (0,5-0,6) диаметра цилиндрической части диэлектрического элемента.
В известном элементе ФАР достигается снижение трудоемкости и стоимости производства антенного элемента ФАР за счет упрощения его конструкции. Однако элемент ФАР имеет резонансные пики потерь СВЧ-энергии на высших типах волн. Кроме того, из-за высокой диэлектрической проницаемости материала излучателей, которая одинакова или близка к диэлектрической проницаемости материала ферритового стержня, неизбежно увеличение СВЧ-потерь в ФАР из-за рассогласования ее раскрывов со свободным пространством в секторе сканирования луча.
в
Известен элемент ФАР, совпадающий с заявляемым решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип (см. патент RU 2461931, МПК H01Q 21/00, Н01Р 1/16, опубликован 20.09.2012). Элемент проходной ФАР-прототип содержит входной и выходной диэлектрические излучатели, волноводный ферритовый фазовращатель, состоящий из цилиндрического волноводного ферритового стержня (ФС) в виде правильной N-гранной призмы (N≥4), размещенного вместе с обмоткой его продольного намагничивания внутри внешнего магнитопровода, выполненного в виде N П-образных ферритовых скоб. Каждая скоба состоит из полочки и двух башмаков, прилегающих плоскими подошвами к одной из N граней ферритового стержня. Элемент также включает волновод ферритового фазовращателя, образованный тонкой пленкой токопроводящего покрытия боковой поверхности ферритового стержня, приемный и апертурный волноводы, состоящие из волноводов излучателей, согласующих и соединительных волноводов, согласующие трансформаторы в виде диэлектрических вставок, размещенные между торцами ферритового стержня и хвостовиками диэлектрических излучателей, и корпус в виде цилиндрической гильзы. Через прорези в стенке корпуса выведены провода обмотки намагничивания. Элемент проходной ФАР также содержит выполненные из диэлектрика шайбы, размещенные на ФС между концами обмотки продольного намагничивания и башмаками ферритовых скоб и примыкающие внешней цилиндрической поверхностью к внутренней цилиндрической поверхности корпуса. Диэлектрические вставки выполнены в виде шайб из материала с диэлектрической проницаемостью ε=9,5-10,5.
Известный элемент ФАР имеет уменьшенные поперечные размеры, упрощенную конструкцию, прочность и стойкость к ударным и вибрационным воздействиям. Недостатками известного элемента проходного ФАР являются: высокое энергопотребление при быстрой смене фазовых состояний, обусловленное тем, что однослойное токопроводящее покрытие, обеспечивающее малое сопротивление токам СВЧ и в то же время достаточно прочное, может быть выполнено только из немагнитного металла (медь, серебро, золото) и должно иметь толщину в несколько мкм. При этом такое покрытие будет играть роль немагнитного зазора между пяткой скобы и ферритом ФС, наличие которого снижает диапазон изменения остаточной намагниченности ФС, и, значит, управляемый фазовый сдвиг фазовращателя. Кроме того, относительно толстый слой хорошо проводящего покрытия представляет собой короткозамкнутый виток с малым сопротивлением, что приводит к сильному возрастанию тока управления при уменьшении времени переключения. Также вырастет энергопотребление и уменьшается быстродействие фазовращателя, если металлическая гильза корпуса будет изготовлена из магнитного металла (например, стали). При этом одновременно появится сильное влияние элементов ФАР друг на друга при малом расстоянии между ними в решетке.
Задачей настоящей полезной модели является разработка такого элемента ФАР, которой бы, сохраняя малые потери СВЧ сигнала, имел минимальное влияние токопроводящего покрытия боковой поверхности ферритового стержня на быстродействие и энергопотребление фазовращателя при быстрой смене фазовых состояний.
Поставленная задача решается тем, что элемент ФАР включает содержащий входной и выходной диэлектрические излучатели, волноводный ферритовый фазовращатель, состоящий из цилиндрического волноводного ферритового стержня квадратного поперечного сечения, размещенного вместе с обмоткой его продольного намагничивания внутри внешнего магнитопровода, выполненного в виде четырех П-образных ферритовых скоб. Каждая скоба состоит из полочки и двух башмаков, прилегающих плоскими подошвами к одной из четырех граней ферритового стержня. В состав элемента также входит волновод ферритового фазовращателя в виде токопроводящего покрытия боковой поверхности ферритового стержня, входной и выходной волноводы, состоящие из волноводов излучателей, согласующих волноводов и короткозамыкателей, а также согласующие трансформаторы, размещенные между торцами ферритового стержня и хвостовиками диэлектрических излучателей, и корпус в виде цилиндрической гильзы. Новым в элементе ФАР является выполнение токопроводящего покрытия боковой поверхности ферритового стержня двухслойным, а именно состоящего из внутреннего медного слоя толщиной (1,2-2,0)·d, где d - толщина скин-слоя в меди на рабочей мкм, и наружного никелевого слоя толщиной (1,5-3,0)·d, выполнение корпуса из немагнитного металла.
Корпус элемента проходной ФАР может быть выполнен из нейзильбера или из нержавеющей стали.
В корпусе могут быть выполнены прорези, через которые выведены провода обмотки продольного намагничивания.
Выполнение внутреннего медного слоя токопроводящего покрытия боковой поверхности ферритового стержня толщиной (1,2-2,0)·d, где d - толщина скин-слоя в меди на рабочей частоте фазовращателя, мкм, наружного никелевого слоя толщиной (1,5-3,0)·d, и выполнение корпуса из немагнитного металла обусловлено следующим. При толщине внутреннего медного слоя меньше 1,2d становятся существенными потери в металлизации ФС, а при толщине внутреннего слоя больше 2d недопустимо падает сопротивление короткозамкнутого витка, образованного слоем металлизации, что уменьшает крутизну фазо-временной характеристики и увеличивает энергопотребление при импульсном управлении фазовращателем. При толщине наружного никелевого слоя толщиной меньше 1,5d покрытие не выполняет своих защитных функций, а при толщине наружного никелевого слоя толщиной больше 3d слой никеля начинает влиять на сопротивление короткозамкнутого витка, образованного металлизацией. Выбор для наружного покрытия именно никеля обусловлен тем, что этот металл наряду с высокой коррозионной стойкостью обладает большой механической прочностью и низким магнитным сопротивлением, что сводит толщину немагнитного зазора в фазовращателе к минимальной величине -толщине медного покрытия. Выполнение корпуса из немагнитного металла позволяет избежать затягивания части силовых линий магнитного поля из скоб в корпус и наведения в нем вихревых токов, увеличивающих энергопотребление фазовращателя и затягивающих процессы перемагничивания феррита в нем.
Настоящая полезная модель поясняется чертежом, где
на фиг. 1 показан вид сбоку на настоящий элемент ФАР с частичным продольным разрезом;
на фиг. 2 приведен поперечный разрез по А-А элемента ФАР.
На фиг. 1 - фиг. 2 обозначено: 1 - входной диэлектрический излучатель; 2 - выходной диэлектрический излучатель; 3 - входной волновод излучателя; 4 - выходной волновод излучателя; 5, 6 - согласующие волноводы; короткозамыкатели 7, 8 согласующих волноводов 5, 6; волноводный ферритовый стержень 9 квадратного сечения, волновод 10 ферритового фазовращателя в виде токопроводящего покрытия боковой поверхности ферритового стержня 9, обмотка 11 его продольного намагничивания, расположенная внутри внешнего магнитопровода, выполненного в виде четырех П-образных ферритовых скоб 12, каждая из которых состоит из полочки 13 и двух башмаков 14 и 15, прилегающих плоскими подошвами к одной из четырех граней ферритового стержня 9; согласующие трансформаторы 16, корпус 17 виде цилиндрической гильзы. Согласующие трансформаторы 16 выполнены в виде диэлектрических дисков, упирающиеся в торцы волноводного ферритового стержня 9. Токопроводящее покрытие боковой поверхности ферритового стержня 9 выполнено из внутреннего медного слоя толщиной (1,2-2,0)·d, где d - толщина скин-слоя в меди на рабочей частоте фазовращателя, мкм, и наружного никелевого слоя толщиной (1,5-3,0)·d, корпус 17 выполнен из немагнитного металла.
Настоящий элемент ФАР работает следующим образом.
11
В режиме передачи электромагнитная волна, поляризованная по кругу, излучаемая облучателем фазированной антенной решетки (не показана), составленной из элементов ФАР, принимается входным диэлектрическим излучателем 1 каждого элемента ФАР и возбуждает в его цилиндрической части волну типа НЕ диэлектрического волновода, а затем волну типа Ни во входном волноводе 3 входного излучателя 1. Затем электромагнитная волна проходит через входной согласующий переход, образованный участком волновода 3 и согласующим волноводом 5, заполненным материалом трансформатора 16, и возбуждает в волноводе 10 ферритового фазовращателя, присоединенном через короткозамыкатель 7, низшую волну типа Hi квадратного волновода, заполненного ферритовой средой. С выхода ферритового фазовращателя, вставленного в короткозамыкатель 8, электромагнитная волна поступает в согласующий волновод 6, волновод 4 выходного диэлектрического излучателя 2 и излучается в свободное пространство выходным диэлектрическим излучателем 2. Фаза излучаемой элементом ФАР электромагнитной волны, поляризованной по кругу, зависит от длины волны, диаметра поперечного сечения, размеров входного и выходного излучателей 1, 2 и входного и выходного волноводов 4, 5, а также параметров материалов диэлектрических излучателей 1, 2, трансформатора 16 и ферритового стержня 9. Дополнительное изменение фазы электромагнитной волны в интервале Δφ=0÷2π осуществляется посредством волноводного ферритового фазовращателя фарадеевского типа путем изменения параметров ферритовой среды ФС 9 при его продольном намагничивании. Поле намагничивания создается в ФС 9 обмоткой 11 его продольного намагничивания, соединенной с системой управления лучом ФАР (не показана).
В режиме приема из свободного пространства на выходной диэлектрический излучатель 2 элемента ФАР падает плоская поляризованная по кругу электромагнитная волна с противоположным направлением вращения и принимается им. Затем электромагнитная волна последовательно проходит через отрезки волноводов (4, 6, 10, 5, 3) волноводного канала элемента ФАР в обратном направлении, получает такое же, как и в режиме передачи, дополнительное изменение фазы Δφ в фазовращателе и излучается входным диэлектрическим излучателем 1 в направлении облучателя ФАР.
и
и
Настоящий элемент ФАР отличается простотой изготовления отдельных деталей и блоков и сборки устройства в целом. При его изготовлении могут быть использованы нормализованные, серийно выпускаемые материалы, клеи и технологические процессы. Входной волновод, образованный волноводом 3, согласующим волноводом 5 и короткозамыкателем 7, равно как и выходной волновод, образованный волноводом 4, согласующим волноводом 6 и короткозамыкателем 8, целесообразно изготавливать в виде единой детали в виде стакана, в дне которого вырублено квадратное окно. Изготовление может выть проведено на высокопроизводительном оборудовании. Корпус 17 элемента ФАР - целесообразно изготавливать путем вырубки из предварительно изготовленной методом протяжки тонкостенной трубы. Диэлектрические излучатели 1,2 может быть выполнен, например, из композитного материала (СВЧ-ферриты и диэлектрики / Проспект. - С-Пб.: ОАО «Завод Магнетон, 2001. - 20 с.) с относительной диэлектрической проницаемостью ε=3,5-4,5 и изготовлен литьем, прессованием или механической обработкой. Аналогичным образом из композитных материалов с относительной диэлектрической проницаемостью ε=9-11 (СВЧ-ферриты и диэлектрики / Проспект. - С-Пб.: ОАО «Завод Магнетон, 2001. - 20 с.) могут быть изготовлены согласующие трансформаторы 16. Обмотку управления 11 целесообразно делать
бескаркасной с пропиткой клеем (например БФ-6). Для изготовления ФС 9 и ферритовых скоб 12 могут быть использованы нормализованные ферритовые материалы (СВЧ-ферриты и диэлектрики / Проспект. - С-Пб.: ОАО «Завод Магнетон, 2001. - 20 с.), например, для изготовления элемента ФАР миллиметрового диапазона феррит марки 1СЧ12. Простота формы и посадочных поверхностей этих деталей позволяет использовать при их изготовлении широко применяемый процесс плоского алмазного шлифования. Двуслойное токопроводящее покрытие может наноситься на стержень 9 как гальваническим осаждением, последовательно меди и никеля, так и методом вакуумного напыления. Ферритовый фазовращатель, состоящий из стержня 9, катушки 11 и скоб 12 целесообразно собирать отдельно в виде единого ферритового блока, детали которого соединены клеем, например БФ-6. Сборку настоящего элемента ФАР целесообразно осуществлять клеевым соединением отдельных деталей с использованием нормализованных клеев. В частности, для клеевого соединения входного или выходного волновода (3, 5, 7 или 4, 6, 8) с диэлектрическим излучателем 1 или 2 со вставленным в него трансформатором 16, равно как и для соединения этих волноводов с корпусом 17, может быть использован эпоксидный клей марки ВК-9. Соединение короткозамыкателей 7, 8 и металлизированного ФС 9, 10 следует применять электропроводящий клей марки ЭК-С, применяемый при монтажных операциях при производстве изделий электронной техники и выдерживающий термоциклирование в интервале температур от -60 до +85°С. Для герметизации устройства отверстия для выводов обмотки намагничивания 11 могут быть заполнены герметиком.
2
Эффективность настоящего технического решения проверена экспериментально на макетах элементов фазированной антенной решетки миллиметрового диапазона длин волн в полосе частот прямоугольного волновода сечением 7,2×3,4 мм. Макет элемента ФАР весит не более 2 грамм и имеет поперечный размер не более 0,6λ. При измерении энергопотребления макета проведено сопоставление с аналогом, имевшим однослойное покрытие. Зафиксировано уменьшение энергии переключения в 1,5 раза.