RU190520U1 - Проходной элемент фазированной антенной решетки - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области радиотехники сверхвысоких частот (СВЧ), в частности к конструкциям элементов проходных фазированных антенных решеток (ФАР), и может быть использована в радиолокационных системах с электрическим сканированием луча. Проходной элемент ФАР содержит входной и выходной диэлектрические излучатели (1) и (2), входной и выходной волноводы (3) и (4), согласующие волноводы (5) и (6), ферритовый стержень (7), выполненный в виде правильной четырехгранной призмы, волновод (8) ферритового ФВ, обмотку (9) намагничивания, ферритовые П-образные скобы (10) внешнего магнитопровода, примыкающие к соответствующим граням ФС 7; продольную пластину (11) ферритовой скобы (10), башмаки (12) и (13) ферритовой скобы (10), согласующие диэлектрические вставки (14) и (15), металлический цилиндрический корпус (20), прямоугольные четырехугольные шайбы (32) и (33), вплотную прилегающие к окружающим их деталям элемента ФАР. Металлический цилиндрический корпус (20) в поперечном сечении выполнен в форме полого прямоугольного четырехугольника, к стенкам которого изнутри вплотную примыкают продольные пластины (11) П-образных ферритовых скоб (10). Технический результат заключается в уменьшении поперечных размеров и в повышении прочности и стойкости к внешним механическим воздействиям. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Полезная модель относится к области радиотехники сверхвысоких частот (СВЧ), в частности - к конструкциям элементов проходных фазированных антенных решеток (ФАР), и может быть использована в радиолокационных системах с электрическим сканированием луча

Известны волноводные проходные ФАР с пространственным возбуждением облучателями, работающие с кругополяризованными электромагнитными волнами. Их интегрированные элементы выполняются в виде последовательно соединенных приемного излучателя, обращенного к облучателю, проходного волноводного ферритового фарадеевского фазовращателя и апертурного излучателя.

В частности, известен приемопередающий элемент ФАР (см. патент RU 2184410, МПК H01Q 21/00, Н01Р 01/19, опубл. 27.06.2002). Элемент ФАР содержит диэлектрические излучатели и фазовращатель (ФВ), состоящий из намагничивающей обмотки, расположенной внутри магнитопровода, и цилиндрического ферритового стержня (ФС), установленного внутри намагничивающей обмотки. Между торцами цилиндрического ФС и торцами диэлектрических излучателей установлены согласующие диэлектрические шайбы. При этом цилиндрический ФС, согласующие шайбы и диэлектрические излучатели имеют одинаковый диаметр и заключены в общий отрезок круглого волновода. Магнитопровод известного элемента ФАР выполнен в виде двух ферритовых П-образных скоб, каждая из которых содержит продольную пластину и два башмака, опирающиеся подошвами на металлизированную боковую поверхность ФС, причем опорная поверхность башмаков выполнена по форме боковой поверхности стержня, а внутренние поверхности башмаков отшлифованы с высоким классом точности и плотно прижаты к поверхности металлизированного ФС. Общий отрезок металлизированного волновода выполнен в виде медной пленки толщиной 1,1-1,5 мкм. Цилиндрический ФС выполнен из феррита с диэлектрической проницаемостью ε_ф=14-17, согласующие шайбы выполнены из материала, например ситалла, с диэлектрической проницаемостью ε=9-11, а диэлектрические излучатели выполнены из материала, например ситалла, с диэлектрической проницаемостью ε=7,15-7,35.

Приемопередающему элементу ФАР присущ ряд недостатков, в том числе: большое вносимое ослабление, связанное с резонансами волн высших типов, возбуждаемых в неодноволновом ФС; сложность изготовления устройства, требующая применения алмазной обработки длинного феррито-ситаллового стержня со сложной геометрией и лазерной резки тонкого токопроводящего покрытия с последующим вакуумным напылением и осаждением слоев диэлектриков и металлов.

Известен проходной элемент ФАР (см. патент RU 62741, МПК H01Q 21/00, Н01Р 01/16, опубл. 27.04.2007), содержащий диэлектрические излучатели и фазовращатель, состоящий из намагничивающей обмотки, расположенной внутри магнитопровода, и цилиндрического ФС, установленного внутри намагничивающей обмотки. Цилиндрический ФС и диэлектрические излучатели заключены в общий отрезок металлизированного круглого волновода. Цилиндрический ФС и диэлектрические излучатели выполнены из материалов с высокой одинаковой или близкой по значению друг к другу диэлектрической проницаемостьюε, диэлектрические излучатели содержат цилиндрическую часть и одинаковыми торцами жестко соединены с торцами цилиндрического ФС, а на их других торцах выполнены удлинения в виде усеченных конусов, причем диаметр основания усеченных конусов меньше диаметра цилиндрической части диэлектрического излучателя.

Недостатками известного элемента ФАР являются низкая механическая прочность, обусловленная отсутствием корпуса устройства, и повышенные СВЧ-потери на рассогласование антенных решеток, собранных из подобных элементов ФАР, в диапазоне частот и в секторе сканирования луча вследствие высокой диэлектрической проницаемости материала диэлектрических излучателей, равной или близкой диэлектрической проницаемости ε_фферритового стержня (порядка 14-16).

Известен проходной элемент ФАР с круговой поляризацией К_а-диапазона (см. патент RU 2592054, МПК H01Q 21/00, опубл. 20.07.2016). Элемент ФАР содержит размещенный в корпусе волноводный ферритовый фазовращатель с магнитной памятью, выполненный с излучателями на ФС в виде тела вращения с круглым поперечным сечением и частичной металлизацией боковой поверхности, на металлизированном участке которого расположена обмотка управления и два магнитопровода П-образной формы. Излучатели выполнены заодно с ФС в виде симметричных неметаллизированных ступенчатых переходов на его концах.

Известный элемент ФАР выполнен на основе круглого ФС со ступенчатыми переходами на концах. При такой конфигурации ФС допустима только поэлементная обработка при алмазном шлифовании. Наличие только двух П-образных магнитопроводов приводит к необходимости увеличения одного из поперечных размеров элемента ФАР, что ограничивает сектор сканирования луча ФАР. Следствием высокой диэлектрической проницаемости излучателей, равной диэлектрической проницаемости ε_ф феррита, является увеличение СВЧ-потерь на рассогласование ФАР со свободным пространством.

Известен проходной элемент ФАР (см. патент RU 2461931, МПК H01Q 21/00, Н01Р 01/19, опубл. 20.09.2012), содержащий входной и выходной диэлектрические излучатели, корпус в виде тонкостенной гильзы и волноводный фарадеевский ФВ, состоящий из ФС в виде N-гранной призмы (N≥4), размещенного вместе с обмоткой его продольного намагничивания внутри магнитопровода в виде N П-образных ферритовых скоб, расположенных по одной на каждой гране ФС, причем волновод элемента ФАР включает волновод, образованный пленкой токопроводящего покрытия боковой поверхности ФС, волноводы излучателей, согласующие и соединительные волноводы, ферритовый блок центрируется в корпусе элемента ФАР диэлектрическими шайбами, установленными внутри ферритового блока на ФС между обмоткой намагничивания и башмаками ферритовых скоб.

Недостатком элемента ФАР является усложнение конструкции размещением диэлектрических шайб внутри ферритового блока и сложные внешние поверхности полочек ферритовых скоб и диэлектрических шайб, выполненных по форме внутренней поверхности корпуса элемента ФАР.

Известен проходной элемент ФАР, совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип (см. патент RU 2325741, МПК H01Q 21/00, Н01Р 01/19, опубл. 27.05.2008). Проходной элемент ФАР-прототип содержит металлический цилиндрический корпус, в котором установлены входной и выходной диэлектрические излучатели и ферритовый ФВ, состоящий из обмотки намагничивания, расположенной внутри магнитопровода, и установленного внутри нее ФС с токопроводящим покрытием боковой поверхности, между торцами которого и торцами диэлектрических излучателей установлены согласующие диэлектрические вставки, размещенные вместе с цилиндрическими хвостовиками диэлектрических излучателей и ФС внутри волновода. Магнитопровод выполнен в виде П-образных скоб, каждая из которых содержит продольную пластину и два башмака, прилегающих к боковой поверхности ФС. ФС выполнен в виде правильной N-гранной призмы с числом граней N≥4, к каждой из которых примыкает одна скоба. Волновод включает N-угольный волновод ферритового ФВ, образованный токопроводящим покрытием боковой поверхности ФС, два волновода излучателей, два согласующих волновода, и два короткозамыкателя с отверстиями вдоль оси, при этом на наружной поверхности корпуса расположена печатная плата, к контактам которой присоединены провода обмотки намагничивания, выведенные через пазы в корпусе.

Известный проходной элемент-прототип имеет большие поперечные размеры, что снижает сектор сканирования луча ФАР, составленной из подобных элементов, а также низкую прочность и стойкость к внешним механическим воздействиям. Низкая механическая прочность и стойкость известного элемента ФАР к внешним механическим воздействиям обусловлены тем, что весь ферритовый блок, включающий ФС, обмотку намагничивания и ферритовые скобы внешнего магнитопровода, удерживается внутри корпуса лишь за счет концов ФС, вклеенных токопроводящим клеем в квадратные отверстия соединительных волноводов. Кроме того, некоторые внешние ребра пластин ферритовых скоб могут находиться в контакте с внутренней поверхностью тонкостенного цилиндрического корпуса элемента ФАР, деформируя его.

Задачей настоящего технического решения является разработка проходного элемента ФАР, который бы имел уменьшенные поперечные размеры и одновременно повышенную прочность и стойкость к внешним механическим воздействиям.

Поставленная задача решается тем, что проходной элемент ФАР содержит металлический цилиндрический корпус, в котором установлены входной и выходной диэлектрические излучатели и ферритовый ФВ, состоящий из обмотки намагничивания, расположенной внутри магнитопровода, и установленного внутри нее ФС с токопроводящим покрытием боковой поверхности, между торцами которого и торцами диэлектрических излучателей установлены согласующие диэлектрические вставки, размещенные вместе с цилиндрическими хвостовиками диэлектрических излучателей и ФС внутри волновода. Магнитопровод выполнен в виде П-образных ферритовых скоб, каждая из которых содержит продольную пластину и два башмака, прилегающих к боковой поверхности ФС. ФС выполнен в виде правильной четырехгранной призмы, к каждой гране которой примыкает одна скоба. Волновод включает четырехугольный волновод ферритового ФВ, образованный токопроводящим покрытием боковой поверхности ФС, два волновода излучателей, два согласующих волновода, и два короткозамыкателя с отверстиями вдоль оси. На наружной поверхности корпуса расположена печатная плата, к контактам которой присоединены провода обмотки намагничивания, выведенные через пазы в корпусе. Новым в проходном элементе ФАР является то, что металлический цилиндрический корпус в поперечном сечении выполнен в форме полого прямоугольного четырехугольника, к стенкам которого изнутри вплотную примыкают продольные пластины П-образных скоб.

Металлический цилиндрический корпус проходного элемента ФАР может быть выполнен со скошенными ребрами.

Металлический цилиндрический корпус проходного элемента ФАР может быть выполнен с закругленными ребрами.

Металлический цилиндрический корпус может быть выполнен составным в виде обращенных друг к другу торцами П-образных профилей, соединенных клеевым соединением. В этом случае П-образные профили корпуса соединены клеевым соединением с продольными пластинами П-образных скоб и с наружными поверхностями входного и выходного волноводов.

С внешней стороны башмаков могут быть установлены прямоугольные четырехугольные шайбы, вплотную прилегающие к окружающим их деталям элемента ФАР.

Настоящая полезная модель поясняется графическими материалами, где:

на фиг. 1 показан элемент проходной ФАР с частичным продольным сечением;

на фиг. 2 приведен настоящий проходной элемент ФАР в поперечном разрезе по сечению А-А на фиг. 1 (в месте расположения башмаков ферритовых скоб);

на фиг. 3 показан настоящий проходной элемент ФАР в поперечном разрезе по сечению Б-Б на фиг. 1 (в месте расположения прямоугольной четырехугольной шайбы, центрирующей ферритовый блок в корпусе элемента ФАР);

на фиг. 4 приведен настоящий проходной элемент ФАР в поперечном разрезе по сечению В-В на фиг. 1 (в месте расположения пластин ферритовых скоб внешнего магнитопровода).

Проходной элемент ФАР (см. фиг. 1 - фиг. 4) содержит: входной диэлектрический излучатель 1 и выходной диэлектрический излучатель 2 с цилиндрическими хвостовиками; входной волновод 3 и выходной волновод 4 соответственно излучателя 1 и излучателя 2, согласующие волноводы 5 и 6, ФС 7, выполненный в виде правильной четырехгранной призмы, волновод 8 ферритового ФВ, обмотку 9 намагничивания, ферритовую П-образную скобу 10 внешнего магнитопровода, примыкающую к соответствующей гране ФС 7; продольную пластину 11 ферритовой скобы 10, башмаки 12 и 13 ферритовой скобы 10, согласующие диэлектрические вставки 14 и 15, шайбы 16 и 17 соответственно диэлектрических вставок 14 и 15, стержни 18 и 19 соответственно диэлектрических вставок 14 и 15, металлический цилиндрический корпус 20, продольные пазы 21 и 22 в корпусе 20, печатную плату 23, контактные площадки 24 и 25, провода 26 и 27 обмотки 9 намагничивания, короткозамыкатели 28 и 29 входного и выходного согласующих волноводов, концы 30 и 31 ФС, прямоугольные четырехугольные шайбы 32 и 33, вплотную прилегающие к окружающим их деталям элемента ФАР. Токопроводящее покрытие боковой поверхности ФС 7 образует четырехугольный волновод 8 ферритового ФВ. Металлический цилиндрический корпус 20 в поперечном сечении выполнен в форме полого прямоугольного четырехугольника, к стенкам которого изнутри вплотную примыкают продольные пластины 11 П-образных ферритовых скоб 10. Металлический цилиндрический корпус 20 может быть выполнен со скошенными или с закругленными ребрами, а также металлический цилиндрический корпус 20 может быть выполнен составным в виде обращенных друг к другу торцами П-образных профилей, соединенных клеевым соединением, например, с продольными пластинами 11 П-образных ферритовых скоб 10 и с наружными поверхностями входного волновода 3 и выходного волновода 4.

Настоящий проходной элемент ФАР работает следующим образом. В режиме передачи электромагнитная волна, поляризованная по кругу, излучаемая облучателем (на фигурах не показан) ФАР, составленной из настоящих проходных элементов ФАР (на фигурах не показана), принимается входным диэлектрическим излучателем 1 и возбуждает в его цилиндрической части волну типа НЕ₁₁ круглого диэлектрического волновода 3, а затем волну типа Н₁₁ круглого волновода 3 входного излучателя 1. Затем электромагнитная волна проходит через согласующий волновод 5 и возбуждает в квадратном волноводе 8 ферритового ФВ низшую волну типа Ню квадратного волновода 8, образованного токопроводящим покрытием боковой поверхности ФС 7 и заполненного ферритовой средой. С выхода волновода 8 ферритового ФВ электромагнитная волна поступает в согласующий волновод 6, выходной излучатель 2 и излучается в свободное пространство. Фаза излучаемой проходным элементом ФАР кругополяризованной электромагнитной волны зависит от длины волны, формы поперечного сечения, размеров излучателей 1 и 2 и волноводов 5, 6, а также параметров материалов стержни 18 и 19 соответственно диэлектрических вставок 14 и 15 и ФС 7. Дополнительное изменение фазы электромагнитной волны Δϕ, регулируемой в интервале 0-2π, осуществляется волноводным ферритовым ФВ путем изменения параметров ферритовой среды при ее продольном намагничивании. Поле намагничивания создается в ФС 7 обмоткой 9 намагничивания, соединенной с системой управления лучом (на фигурах не показана) ФАР проводами 26 и 27 обмотки 9 намагничивания, выведенными через продольные пазы 21 и 22 в корпусе 20 и соединенными с контактными площадками 24 и 25 печатной платы 23, размещенной на внешней поверхности цилиндрического корпуса 20 элемента ФАР.

В режиме приема из свободного пространства на выходной диэлектрический излучатель 2 падает кругополяризованная электромагнитная волна с противоположным направлением вращения вектора

по сравнению с излучаемой волной и принимается излучателем 2. Затем электромагнитная волна последовательно проходит через отрезки волноводов волноводного канала элемента ФАР в обратном направлении, получает такое же, как и в режиме передачи, дополнительное изменение фазы Δϕ в ФВ и излучается входным диэлектрическим излучателем 1 в направлении облучателя ФАР (на фигурах не показан).

Длины входного и выходного диэлектрических излучателей 1 и 2 выбирают с учетом конструктивных особенностей конкретной ФАР и требований, предъявляемых к ее электрическим характеристикам (геометрия расположения излучателей 1 и 2 в раскрывах антенной решетки, сектор сканирования луча, геометрия системы возбуждения). Диаметры на концах конических частей диэлектрических излучателей 1 и 2 выбирают из условий согласования со свободным пространством и достаточной механической прочности. Диаметры цилиндрических частей диэлектрических излучателей 1 и 2, а также волноводов излучателей выбирают из условия одноволнового режима работы. При этом параметры входного излучателя 1 выбирают из условия обеспечения эффективности возбуждения приемной антенной решетки и формирования требуемого амплитудного распределения поля по ее элементам. Параметры выходного излучателя 2 выбирают с учетом требуемого изменения коэффициента усиления ФАР в секторе электрического сканирования луча.

Выполнение металлического цилиндрического корпуса 20 в поперечном сечении в форме полого прямоугольного четырехугольника, к стенкам которого изнутри вплотную примыкают продольные пластины 11 П-образных ферритовых скоб 10, позволило более плотно разместить проходные элементы в ФАР, что обеспечило, как показала экспериментальная проверка, на 10% расширение сектора сканирования луча ФАР.

Введение прямоугольных четырехугольных шайб 32 и 33 позволяет упростить сборку проходного элемента ФАР и повысить его стойкость к внешним механическим воздействиям за счет лучшей фиксации ферритового блока внутри прямоугольного цилиндрического корпуса 20 элемента ФАР.

Настоящий проходной элемент ФАР конструктивно прост, технологичен, отличается простотой изготовления отдельных деталей и сборки, характеризуется низкой трудоемкостью и невысокой стоимостью. Для его создания в условиях серийного производства нет необходимости разрабатывать новые материалы и использовать дорогостоящие технологические процессы, достаточно использовать нормализованные серийно выпускаемые материалы, клеи и освоенные технологические процессы.

Сборку настоящего проходного элемента ФАР целесообразно осуществлять клеевым соединением отдельных деталей с использованием промышленных нормализованных клеев. В частности, для клеевого соединения концов ФС с соединительными волноводами может быть использован электропроводный клей, например марки ЭК-С, применяемый при монтажных операциях при производстве изделий электронной техники, или аналогичный ему клей. Для клеевого соединения других деталей элемента проходной ФАР могут использоваться неэлектропроводные клеи, не вносящие дополнительных СВЧ-потерь.

Проходной элемент ФАР может быть эффективно использован, например, в антенных системах радиолокационных комплексов как стационарных, так и мобильных, наземного, морского и воздушного базирования, в том числе функционирующих в условиях повышенных механических воздействий.

Claims (6)

1. Проходной элемент фазированной антенной решетки (ФАР), содержащий металлический цилиндрический корпус, в котором установлены входной и выходной диэлектрические излучатели и ферритовый фазовращатель (ФВ), состоящий из обмотки намагничивания, расположенной внутри магнитопровода, и установленного внутри нее ферритового стержня (ФС) с токопроводящим покрытием боковой поверхности, между торцами которого и торцами диэлектрических излучателей установлены согласующие диэлектрические вставки, размещенные вместе с цилиндрическими хвостовиками диэлектрических излучателей и ФС внутри волновода, магнитопровод выполнен в виде П-образных скоб, каждая из которых содержит продольную пластину и два башмака, прилегающих к боковой поверхности ФС, ФС выполнен в виде правильной четырехгранной призмы, к каждой гране которой примыкает одна скоба, волновод включает четырехугольный волновод ферритового ФВ, образованный токопроводящим покрытием боковой поверхности ФС, два волновода излучателей, два согласующих волновода и два короткозамыкателя с отверстиями вдоль оси, при этом на наружной поверхности металлического цилиндрического корпуса расположена печатная плата, к контактам которой присоединены провода обмотки намагничивания, выведенные через пазы в корпусе, отличающийся тем, что металлический цилиндрический корпус в поперечном сечении выполнен в форме полого прямоугольного четырехугольника, к стенкам которого изнутри вплотную примыкают продольные пластины П-образных скоб.

2. Элемент ФАР по п. 1, отличающийся тем, что металлический цилиндрический корпус выполнен со скошенными ребрами.

3. Элемент ФАР по п. 1, отличающийся тем, что металлический цилиндрический корпус выполнен с закругленными ребрами.

4. Элемент ФАР по п. 1, отличающийся тем, что металлический цилиндрический корпус выполнен составным в виде обращенных друг к другу торцами П-образных профилей, соединенных клеевым соединением.

5. Элемент ФАР по п. 4, отличающийся тем, что П-образные профили корпуса соединены клеевым соединением с продольными пластинами П-образных скоб и с наружными поверхностями входного и выходного волноводов.

6. Элемент ФАР по п. 1, отличающийся тем, что с внешней стороны башмаков установлены прямоугольные четырехугольные шайбы, вплотную прилегающие к окружающим их деталям элемента ФАР.

Images