RU166140U1 - Элемент фазированной антенной решетки - Google Patents

Abstract

1. Элемент фазированной антенной решетки, содержащий входной и выходной диэлектрические излучатели, волноводный ферритовый фазовращатель, состоящий из цилиндрического волнового ферритового стержня квадратного поперечного сечения, размещенного вместе с обмоткой его продольного намагничивания внутри внешнего магнитопровода, выполненного в виде четырех П-образных ферритовых скоб, каждая из которых состоит из полочки и двух башмаков, прилегающих плоскими подошвами к одной из четырех граней ферритового стержня, волновода ферритового фазовращателя в виде токопроводящего покрытия боковой поверхности ферритового стержня, входной и выходной волноводы, состоящие из волноводов излучателей, согласующих волноводов и трансформаторов, размещенных между торцами ферритового стержня и хвостовиками диэлектрических излучателей, и корпус в виде цилиндрической гильзы, отличающийся тем, что токопроводящее покрытие боковой поверхности ферритового стержня 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 выполнен из немагнитного металла.2. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что корпус выполнен из нейзильбера.3. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что корпус выполнен из нержавеющей стали.4. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что в корпусе выполнены прорези, через которые выведены провода обмотки продольного намагничивания.

Description

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.

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)λ₀ от основания усеченных конусов, высота которых составляет (0,8-1,2)λ₀, где λ₀ - 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.

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_в=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.

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 НЕ₁₁ 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.

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_и=3,5-4,5 и изготовлен литьем, прессованием или механической обработкой. Аналогичным образом из композитных материалов с относительной диэлектрической проницаемостью ε_и=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.

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 мм². 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.

Claims (4)

1. Элемент фазированной антенной решетки, содержащий входной и выходной диэлектрические излучатели, волноводный ферритовый фазовращатель, состоящий из цилиндрического волнового ферритового стержня квадратного поперечного сечения, размещенного вместе с обмоткой его продольного намагничивания внутри внешнего магнитопровода, выполненного в виде четырех П-образных ферритовых скоб, каждая из которых состоит из полочки и двух башмаков, прилегающих плоскими подошвами к одной из четырех граней ферритового стержня, волновода ферритового фазовращателя в виде токопроводящего покрытия боковой поверхности ферритового стержня, входной и выходной волноводы, состоящие из волноводов излучателей, согласующих волноводов и трансформаторов, размещенных между торцами ферритового стержня и хвостовиками диэлектрических излучателей, и корпус в виде цилиндрической гильзы, отличающийся тем, что токопроводящее покрытие боковой поверхности ферритового стержня 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 выполнен из немагнитного металла.

2. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что корпус выполнен из нейзильбера.

3. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что корпус выполнен из нержавеющей стали.

4. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что в корпусе выполнены прорези, через которые выведены провода обмотки продольного намагничивания.

Images