ЭЛЕМЕНТ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ Российский патент 2012 года по МПК H01Q21/00 H01P1/19 

Изобретение относится к области радиотехники СВЧ и КВЧ диапазонов, а именно к конструкциям элементов фазированных антенных решеток (ФАР) и может быть использовано в радиолокационных системах с широкоугольным электрическим сканированием луча антенны.

В настоящее время существует реальная потребность в волноводных ферритовых фазовращателях (ВФФВ) и элементах ФАР на их основе с малыми поперечными размерами для антенных систем с широкоугольным электрическим сканированием луча, работающих на электромагнитных волнах, поляризованных по кругу. Особенно актуально создание таких элементов ФАР для миллиметрового диапазона волн, где разработка элементов с малыми поперечными размерами, высоким быстродействием и низким энергопотреблением встречает определенные технические трудности.

Известны элементы фазированных антенных решеток, осуществляющих электрическое сканирование луча. Каждый из них может быть выполнен, например, в виде последовательно соединенных волноводно-диэлектрического излучателя и отражательного волноводного ферритового фазовращателя фарадеевского типа с продольным подмагничиванием, с магнитной памятью, работающего на волнах, поляризованных по кругу.

В частности, известна многоэлементная ФАР Ка-диапазона волн (Денисенко В.В. Дубров Ю.Б., Корчемкин Ю.Б., Макота В.А., Николаев А.И., Толкачев А.А., Шитиков А.М., Шишлов А.В., Шубов А.Т. Многоэлементная ФАР Ка-диапазона волн. Антенны, 2005, №1 (92), с.7-14). Для фазирования излучающих элементов в ФАР используют волноводные ферритовые фазовращатели отражательного типа для волн, поляризованных по кругу. Каждый ВФФВ выполнен на основе круглого ферритового стержня (ФС) с металлизированными боковой поверхностью и одним торцом, имеет несколько обмоток продольного намагничивания ФС и два магнитопровода.

Известным элементам ФАР присущ ряд недостатков. Во-первых, в этой ФАР нет интегрированных элементов. Излучающие элементы расположены в общей для ФАР несущей плите, а ВФФВ объединены в подрешетки разных размеров. Отсутствие надежного контакта излучателей и фазовращателей может приводить к рассогласованию ФАР и росту СВЧ-потерь. Во-вторых, ВФФВ имеют большие поперечные размеры, при этом шаг антенной решетки равен 1,1λ (λ - длина волны в свободном пространстве), что ограничивает сектор сканирования луча углами ±25° от нормали к раскрыву ФАР. В-третьих, следствиями металлизации поверхностей ФС являются низкое быстродействие ВФФВ и высокая энергия его управления.

Известен СВЧ ферритовый фазовращатель для ФАР отражательного типа (см. патент RU №37877, МПК Н01Q 21/00, H01P 1/18, опубликован 27.05.2008). СВЧ ферритовый фазовращатель содержит ферритовый вкладыш из СВЧ-ферритового материала, расположенный внутри катушки управления, обеспечивающей продольное намагничивание ферритового вкладыша, и ступенчатый излучатель-согласователь электромагнитной волны со свободным пространством, соединенный с ферритовым вкладышем. Он дополнительно содержит металлический фланец цилиндрической формы и два продолговатых П-образных магнитопровода из ферритового материала, введенные ножками с двух противоположных сторон в контакт с ферритовым вкладышем в виде металлизированного ферритового стержня круглого сечения через окна прямоугольной формы катушки управления, которая имеет внутреннее продольное отверстие для размещения ферритового стержня (ФС). ФС металлизирован со всех сторон, за исключением входного торца, закрепленного в отверстии металлического фланца в его задней торцевой части. Излучатель-согласователь с внешним пространством выполнен из диэлектрического материала, например из кварца, и введен в переднюю часть металлического фланца, внутри которого расположена втулка, например, из фторопласта в виде кольца, надетого на керамический диск, контактирующий с излучателем-согласователем и входным торцом ФС.

Известный элемент ФАР представляет собой функционально завершенный элемент отражательной ФАР. В нем втулка из фторопласта с керамическим диском непосредственно контактирует с торцом ферритового стержня и торцом излучателя-согласователя и соединена с ними клеевым соединением. Известный элемент характеризуется более высоким быстродействием и меньшим энергопотреблением. Однако известный элемент ФАР не свободен от недостатков. Это, в первую очередь, относительно большие поперечные размеры элемента. В качестве несущего элемента использован пластмассовый каркас катушки управления, к которой приклеены все другие детали, а ФС металлизирован со всех сторон, за исключением входного торца, закрепленного в отверстии металлического фланца. Такое конструктивное выполнение фазовращателя приводит к снижению быстродействия и увеличению энергии управления.

Известен элемент ФАР, совпадающий с заявляемым решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип (см. патент RU №2325741, МПК H01Q 21/00, H01P 1/19, опубликован 27.05.2008). Известный элемент-прототип содержит входной и выходной диэлектрические излучатели и волноводный ферритовый фазовращатель фарадеевского типа. Фазовращатель состоит из обмотки намагничивания, расположенной внутри магнитопровода, и установленного внутри нее ФС в виде правильной N-гранной призмы с числом граней N≥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_и=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. На его основе может быть построен и элемент отражательной ФАР (ОФАР).

К недостаткам прототипа относятся низкое быстродействие и высокое энергопотребление, обусловленные наличием токопроводящего покрытия на боковой поверхности ФС. Энергия, затрачиваемая на управление ВФФВ, расходуется в основном на изменение состояния остаточной намагниченности ферритовой среды и 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.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение работы элемента ФАР в отражательном режиме, упрощение элемента ФАР конструкции и технологии изготовления, снижение трудоемкости производства, повышение быстродействия и уменьшение энергии управления.

Решение поставленной задачи достигается тем, что элемент ФАР, работающий на волнах, поляризованных по кругу, содержит диэлектрический излучатель (ДИ), волновод излучателя, согласующий волновод, корпус и ВФФВ фарадеевского типа с магнитной памятью. ВФФВ состоит из волновода, обмотки намагничивания, расположенной внутри магнитопровода, установленного внутри обмотки намагничивания ФС с квадратной формой поперечного сечения. Между первым торцом ФС и торцом ДИ в согласующем волноводе установлена диэлектрическая вставка. Магнитопровод выполнен в виде ферритовых скоб, расположенных на гранях ФС. Каждая ферритовая скоба содержит пластину и два башмака, обращенных подошвами к грани ФС. Новизна элемента ФАР заключается в том, что он 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. ФС 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_ск≤0,33 а_c, где а_c - размер поперечного сечения ФС, мм. Средние скобы на двух соседних гранях ФС смещены относительно своих крайних скоб вдоль продольной оси пластины в разные стороны на толщину башмака, причем длина ℓ_ст ФС, длина ℓ_ск ферритовой скобы и толщина t_б башмака удовлетворяют соотношению:

ℓ_ст=ℓ_ск+t_б, мм.

Волновод излучателя, согласующий волновод и корпус элемента ФАР могут быть выполнены в виде единого волновода.

Корпус элемента ФАР и отражатель ВФФВ могут быть выполнены в виде единого волновода.

Материал ферритовых скоб и материал ФС в частном случае имеет одинаковые магнитные параметры, а толщина t_б башмаков ферритовых скоб может удовлетворять соотношению

0,25а_с<t_б<0,3а_с.

Диэлектрический каркас может быть выполнен из материала с относительной диэлектрической проницаемостью не более 2,5, а толщина стенок каркаса может составлять не менее 0,1λ, где λ - длина волны в свободном пространстве, мм.

Отражатель может быть выполнен в виде круглого волновода длиной не менее 0,2λ и диаметром D_отр, удовлетворяющим соотношению

0,4λ<D_отр≤0,5λ.

Для повышения быстродействия и уменьшения энергии управления в ВФФВ используется ФС без токопроводящего покрытия его боковой поверхности и одного из торцов.

Упрощение конструкции, повышение технологичности и снижение трудоемкости производства элемента ФАР достигается благодаря устранению таких технологических операций, необходимых для изготовления прототипа, как многослойная металлизация поверхности ФС путем вакуумного напыления или химического осаждения и прецизионное впаивание или вклеивание ФС в волноводную арматуру. Достижению этих же целей служит и применение ФС с квадратной формой поперечного сечения и башмаков ферритовых скоб, исключающих алмазное шлифование сложных посадочных поверхностей.

Для обеспечения работы элемента ФАР в отражательном режиме в него на выходе ВФФВ установлен отражатель электромагнитной волны.

Наличие отличительных признаков позволяет сделать вывод о том, что предлагаемое техническое решение соответствует критерию новизны.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где:

на фиг.1 изображен в продольном разрезе заявляемый элемент ФАР;

на фиг.2 показан поперечный разрез в месте расположения башмаков ферритовых скоб по А-А элемента ФАР, изображенного на фиг.1;

на фиг.3 приведен поперечный разрез в месте расположения каркаса и обмотки намагничивания и полочек ферритовых скоб по Б-Б элемента ФАР, изображенного на фиг.1;

на фиг.4 показан поперечный разрез в месте расположения отражателя по В-В элемента ФАР, изображенного на фиг.1;

на фиг.5 показан в аксонометрии ферритовый блок ВФФВ элемента ФАР.

На фиг.1-5 обозначено: 1 - ДИ, 2 - волновод излучателя, 3 - согласующий волновод, 4 - диэлектрическая вставка, 5 - ФС, 6 - каркас обмотки намагничивания, 7 - обмотка намагничивания, 8 - ферритовая скоба, 9 - полочка ферритовой скобы, 10 - башмак ферритовой скобы, 11 - отражатель, 12 - выводы обмотки намагничивания, 13 - корпус элемента ФАР, 14 - щечки каркаса обмотки намагничивания.

Элемент ФАР работает следующим образом.

При падении на ФАР (на чертеже не показана), составленной из заявляемых элементов ФАР, электромагнитной волны, поляризованной по кругу, от облучателя ФАР (на чертеже не показан) или из свободного пространства, на вход волновода 2 ДИ 1, например круглого, поступает электромагнитная волна, принятая ДИ 1. В волноводе 2 излучателя 1 возбуждается волна типа Н₁₁, с его выхода она поступает на вход согласующего волновода 3 с диэлектрической вставкой 4 и возбуждает в нем также волну типа Н₁₁. С выхода согласующего волновода 3 электромагнитная волна поступает в ВФФВ элемента ФАР, который включает корпус 13 элемента ФАР, выполняющий роль волновода ВФФВ, ФС 5, каркас 6 с обмоткой 7 намагничивания с выводами 12 и магнитопровод в виде 12 ферритовых скоб 8. Возбужденная в ФС 5 поверхностная волна распространяется вдоль него, достигает торца ФС 5, отражается от входа отражателя 11, распространяется в обратном направлении, последовательно проходит ФС 5, согласующий волновод 3, волновод 2 излучателя 1 и излучается ДИ 1 в свободное пространство. Фаза переизлученной элементом ФАР электромагнитной волны, поляризованной по кругу, зависит от длины волны λ, формы поперечного сечения и размеров ДИ 1, волноводов 2 и 3, ФС 5, каркаса 6, обмотки 7 намагничивания, ферритовых скоб 8 и отражателя 11, а также от параметров материалов ДИ 1, диэлектрической вставки 4 и ФС 5.

Дополнительное изменение фазы переизлученной электромагнитной волны, например, в пределах Δφ=0°-360°, дискретно или непрерывно осуществляется посредством ВФФВ путем изменения параметров ферритовых сред ФС 5 и ферритовых скоб 8 (например, остаточной магнитной индукции Br). Продольное поле намагничивания создается в ФС 5 обмоткой 7 намагничивания, запитываемой через выводы 12 обмотки 7 намагничивания от системы управления лучом ФАР или от источника питания (на чертежах не показаны).

Расположение ферритового блока (фиг.5) внутри волновода, функцию которого в заявляемом элементе ФАР выполняет корпус 13 элемента ФАР, делает этот волновод многоволновым. В этом случае наличие ферритовых скоб 8, примыкающих башмаками 10 к боковой поверхности ФС 5, не имеющей токопроводящего покрытия, каркаса 6 и обмотки 7 намагничивания может приводить к возбуждению волн высших типов многоволнового волновода ВФФВ, и увеличению отражения поверхностной волны ФС 5 от его стыка с согласующим волноводом 3. Следствием этого может быть увеличение СВЧ-потерь, вносимых ВФФВ. Для предотвращения увеличения СВЧ-потер относительная диэлектрическая проницаемость ФС 5 и размеры его поперечного сечения а_с×а_с выбираются такими, чтобы поле низшей поверхностной электромагнитной волны ФС 5 было преимущественно сосредоточено в пределах площади S_ст=a_c ² поперечного сечения ФС 5. В этом случае на стыке ФС 5 и согласующего волновода 3 возбуждается поверхностная волна ФС 5 с минимальными потерями на возбуждение волн высших типов. При этом на каждой грани ФС 5 расположены три ферритовых скобы 8 вплотную друг к другу, башмаки 10 которых находятся в непосредственном контакте с ферритом ФС. Каждая ферритовая скоба 8 выполнена шириной a_ск≤0,33 а_с. Средние скобы (8б на фиг.5) на двух соседних гранях ФС 5 смещены относительно своих крайних скоб (8а, 8в) вдоль продольной оси полочки в разные стороны на толщину t_б башмака 10.

С этой же целью отражатель 11 ВФФВ выполнен в виде отрезка запредельного волновода, например круглого. Его диаметр D_отр и длина ℓ_отр выбираются из условия минимизации потерь ВФФВ на возбуждение волн высших типов.

Размеры ДИ 1 D_и и ℓ_и выбирают из условия согласования элемента ФАР со свободным пространством или с волноводом измерительного тракта.

С целью ослабления влияния обмотки намагничивания на распространение вдоль ФС поверхностной волны обмотка 7 намагничивания отделена от поверхности ФС 5 каркасом 6.

Предлагаемый 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. Волновод 2 излучателя 1, согласующий волновод 3, корпус 13 элемента ФАР и отражатель 11 - тела вращения, которые могут быть легко изготовлены на высокопроизводительном оборудовании. Причем для снижения трудоемкости изготовления элемента ФАР волновод 2 излучателя, согласующий волновод 3 и корпус 13 могут быть выполнены в виде одного волновода. Либо в виде одного волновода могут быть изготовлены корпус 13 и отражатель 11.

ДИ 1 может быть выполнен, например, из композитного материала (СВЧ-ферриты и диэлектрики / Проспект. - СПб.: ОАО «Завод Магнетон, 2001. - 20 с.) с относительной диэлектрической проницаемостью ε_и=3,8-4,2 и изготовлен литьем, прессованием или механической обработкой. Аналогичным образом из литьем, прессованием или механической обработкой. Аналогичным образом из композитных материалов (СВЧ-ферриты и диэлектрики / Проспект. - СПб.: ОАО «Завод Магнетон, 2001. - 20 с.) могут быть изготовлены диэлектрическая вставка 4 и каркас 6 обмотки 7 намагничивания.

Для изготовления ФС 5 и ферритовых скоб 8 могут быть использованы нормализованные ферритовые материалы (СВЧ-ферриты и диэлектрики / Проспект. - СПб.: ОАО «Завод Магнетон, 2001. - 20 с.), например феррит марки 1СЧ12. Простота формы и посадочных поверхностей этих деталей позволяет использовать при их изготовлении широко применяемый процесс плоского алмазного шлифования.

Сборку заявляемого элемента ФАР целесообразно осуществлять клеевым соединением отдельных деталей с использованием нормализованных клеев. В частности, для клеевого соединения волновода 2 излучателя 1 и согласующего волновода 3, согласующего волновода 3 и корпуса 13, а также корпуса 13 и отражателя 11, в случае их изготовления в виде отдельных деталей может быть использован 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 сборки заявляемого элемента ФАР нет необходимости разрабатывать специальные кондукторы и приспособления. Все детали, за исключением ферритового блока - тела вращения и их осевое центрирование обеспечивается выбором допусков на размеры деталей при их изготовлении. Ферритовый блок, показанный на фиг.5, при установке в корпус 13 элемента ФАР центрируется с помощью щечек 14 каркаса 6 обмотки 7 намагничивания. Для повышения стойкости элемента ФАР к атмосферным воздействиям в дополнение к клеевым соединениям отдельных деталей ДИ 1, диэлектрическая вставка 4 и ферритовый блок (фиг.5) могут быть покрыты влагостойким лаком. Для герметизации устройства отверстия для выводов 12 обмотки 7 намагничивания могут быть заполнены герметиком.

При заявляемом конструктивном выполнении элемент ФАР представляет собой прочную и жесткую конструкцию, устойчивую к внешним ударным и вибрационным механическим воздействиям. Предлагаемый элемент ФАР конструктивно прост, технологичен, его изготовление характеризуется низкой трудоемкостью и невысокой стоимостью. Для его создания в условиях серийного производства нет необходимости разрабатывать сложные технологические приспособления и использовать дорогостоящие технологические процессы, характерные для изготовления элемента ФАР, принятого за прототип.

Таким образом практическая реализация предложенного элемента ФАР не вызывает сомнений.

Предлагаемый элемент ФАР может быть использован в составе многоэлементной фазированной антенной решетки, выводы его обмотки намагничивания соединяются с системой управления лучом ФАР (на чертеже не показана).

Технический результат заключается в создании высокотехнологичного малогабаритного элемента ФАР, с малыми потерями, высоким быстродействием и низкой энергией управления, простого в изготовлении и сборке, прочного и устойчивого к внешним климатическим и механическим воздействиям.

Эффективность предложенного технического решения проверена экспериментально при создании элементов ФАР миллиметрового диапазона волн в полосе частот прямоугольного волновода сечением 7,2×3,4 мм². Экспериментальный образец элемента ФАР имеет диаметр D_э не более 0,68λ, что позволяет использовать его при создании плоских отражательных ФАР с широкоугольным электрическим сканированием луча при отклонении его от нормали к раскрытию ФАР до 45°-50°.

Фазовращатель элемента ФАР создает регулируемый фазовый сдвиг Δφ=0°-400°, максимальные вносимые им потери не превышают 1,5 дБ, при этом максимальное время перефазирования не более 20 мкс, а средняя энергия управления не превышает 15 мкДж.

Изобретение относится к области радиотехники СВЧ и КВЧ диапазонов. Элемент фазированной антенной решетки (ФАР), работающий на волнах, поляризованных по кругу, содержит диэлектрический излучатель (1), волновод (2) излучателя, согласующий волновод (3), волноводный ферритовый фазовращатель (ВФФВ) фарадеевского типа с магнитной памятью, отражатель (11) и корпус (13). Фазовращатель с целью повышения быстродействия и снижения энергии управления выполнен на основе ферритового стержня (5) (ФС) с квадратной формой поперечного сечения, не содержащего токопроводящего покрытия боковой поверхности, размещенного вместе с каркасом (6) и обмоткой (7) намагничивания и магнитопроводом внутри волновода, функцию которого выполняет корпус (13) элемента ФАР. Для предотвращения роста СВЧ-потерь вследствие возбуждения в ВФФВ волн высших типов магнитопровод выполнен в виде 12 ферритовых скоб (8) П-образной формы, расположенных определенным образом по 3 скобы на каждой грани ФС (5). Отражатель (11) ВФФВ выполнен в виде закороченного на одном конце отрезка запредельного волновода, примыкающего другим концом к плоскости торца ФС (5). Технический результат заключается в создании высокотехнологичного, малогабаритного элемента ОФАР с малыми потерями, высоким быстродействием и низкой энергией управления, простого в изготовлении и сборке, прочного и устойчивого к внешним климатическим и механическим воздействиям. 5 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Элемент фазированной антенной решетки (ФАР), работающий на волнах, поляризованных по кругу, 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 ферритового стержня (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_ск<0,33а_с, где а_с - 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 ℓ_ст ФС, длина ℓ_ск ферритовой скобы и толщина t_б башмака удовлетворяют соотношению:
ℓ_ст=ℓ_ск+t_б, мм.

2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что волновод излучателя, согласующий волновод и упомянутый корпус выполнены в виде единого волновода.

3. Элемент по п.1, отличающийся тем, что упомянутый корпус и отражатель выполнены в виде единого волновода.

4. Элемент по п.1, отличающийся тем, что материал ферритовых скоб и материал ФС имеет одинаковые магнитные параметры, а толщина t_б башмаков ферритовых скоб удовлетворяет соотношению:
0,25а_с<t_б<0,3а_с.

5. Элемент по п.1, отличающийся тем, что диэлектрический каркас выполнен из материала с относительной диэлектрической проницаемостью не более 2,5, а толщина стенок каркаса составляет не менее 0,1λ, где λ - длина волны в свободном пространстве, мм.

6. Элемент по п.1, отличающийся тем, что отражатель выполнен в виде круглого волновода длиной не менее 0,2λ и диаметром D_отр, удовлетворяющим соотношению:
0,4λ<D_отр<0,5λ.