RU2237324C1

RU2237324C1 - Phased array aerial element

Info

Publication number: RU2237324C1
Application number: RU2003115003/09A
Authority: RU
Inventors: В.Л. Колесников (RU); В.Л. Колесников; А.И. Канащенков (RU); А.И. Канащенков; В.В. Францев (RU); В.В. Францев; Ю.Н. Гуськов (RU); Ю.Н. Гуськов; Ф.И. Емельченков (RU); Ф.И. Емельченков
Original assignee: Открытое акционерное общество "Корпорация "Фазотрон-Научно-исследовательский институт радиостроения"
Priority date: 2003-05-22
Filing date: 2003-05-22
Publication date: 2004-09-27

Abstract

FIELD: radio engineering.

SUBSTANCE: device has phase inverter of circular polarization having control winding and ferrite magnetic circuits symmetrically arranged on metallized circular cross-section ferrite rod area forming wave guide of circular cross-section connected to controllable polarization switch via wave guide transition element not less than λ/8 in length and having a metallized ferrite magnetic segment of square cross-section and magnetic circuits arranged on its sides and having slots for fixing coil for controlling polarization switching. Other shape of metallized rod is to be applied for reducing dimensions with square cross-section dimensions not exceeding circular cross-section dimensions, and magnetic circuits shaped as rectangular parallelepiped for reducing array step.

EFFECT: high operation speed; small sizes; low cost.

7 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в антенных системах СВЧ диапазона с ферритовыми фазовращателями для управления переключением различных поляризаций в любой последовательности.The invention relates to radio engineering and can be used in microwave antenna systems with ferrite phase shifters to control the switching of various polarizations in any sequence.

Известны фарадеевские переключатели поляризации, имеющие металлизированный ферритовый стержень с катушкой управления (см. В.Н. Боголюбов и др. "Управляемые ферритовые устройства СВЧ", М.: Советское радио, 1972, с.36-39).Faraday polarization switches having a metallized ferrite rod with a control coil are known (see V.N. Bogolyubov et al. "Controlled Microwave Ferrite Devices", M .: Soviet Radio, 1972, p. 36-39).

Однако они работают в том случае, когда на входе имеется линейная поляризация, и таким образом не позволяют иметь на выходе круговую поляризацию.However, they work when there is linear polarization at the input, and thus do not allow circular polarization at the output.

Известен антенный элемент, содержащий фазовращатель, работающий на круговой поляризации, включающий металлизированный ферритовый стержень с обмоткой управления, и переключатель поляризации, включающий металлизированный ферритовый стержень квадратного сечения, образующий волновод квадратного сечения, и расположенные на его сторонах магнитопроводы с угловыми пазами для фиксации катушки управления (переключением поляризации), выполненной с одной обмоткой, проходящей последовательно через все пазы с выходом на внешнюю поверхность магнитопроводов (см. патент США № 3753160, МКИ Н 01 Р 1/19, публ. 14.08.73 г.).A known antenna element containing a phase shifter operating on circular polarization, including a metallized ferrite rod with a control winding, and a polarization switch including a metallized ferrite rod with a square section, forming a square waveguide, and magnetic circuits with angular slots located on its sides to fix the control coil ( polarization switching), performed with one winding passing sequentially through all the grooves with access to the outer surface of the ma nitoprovodov (see. U.S. Patent № 3753160, IPC H 01 F 1/19, publ. 08.14.73 g).

Известен антенный элемент фазированной антенной решетки, содержащий фазовращатель круговой поляризации с обмоткой управления и ферритовыми магнитопроводами, включающий участок металлизированного ферритового стержня круглого сечения, образующий 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 более широкий участок металлизированного ферритового стержня квадратного сечения, образующий волновод квадратного сечения, и расположенные на нем магнитопроводы с сечением в форме равнобедренной трапеции, имеющие пазы с размерами не более λ/20 для фиксации катушки управления переключением поляризации, выполненной с по меньшей мере двумя обмотками, расположенными внутри указанных пазов с возможностью обеспечения управляемого перехода с одного вида поляризации на другой в любой последовательности (см. патент РФ №2194342, МПК Н 01 Р 1/19, публ. 2002 г.).A known antenna element of a phased antenna array containing a circular polarization phase shifter with a control winding and ferrite magnetic circuits, including a section of a metallized ferrite rod of circular cross section, forming a circular waveguide connected through a waveguide transition with a length of at least λ / 8, where λ is the wavelength in free space , with a controlled polarization switch, including another wider section of a metallized ferrite rod of square cross section, forming a wave a square cross-section, and magnetic conductors located on it with a cross section in the form of an isosceles trapezoid, having grooves with dimensions not exceeding λ / 20 for fixing a polarization switching control coil made with at least two windings located inside these grooves with the possibility of providing a controlled transition with one type of polarization to another in any sequence (see RF patent No. 2194342, IPC H 01 P 1/19, publ. 2002).

Известные технические решения имеют сложную нетехнологичную конструкцию, что увеличивает стоимость, габариты и вес антенного элемента.Known technical solutions have a complex non-technological design, which increases the cost, dimensions and weight of the antenna element.

Изобретение решает задачу создания дешевого эффективного, малогабаритного, технологичного, с малым потреблением энергии и малым временем переключения антенного элемента для фазированной антенной решетки малого веса с большим углом сканирования луча, работающего с возможностью управляемого переключения различных видов поляризаций (на практике применяется обычно три вида поляризации - две линейных ортогональных и круговая - левая или правая), что имеет большое значение при создании РЛС для увеличения их потенциала, для улучшения распознавания целей и увеличения помехозащищенности. Увеличение сектора сканирования луча антенны происходит из-за увеличения количества антенных элементов (уменьшение шага). При этом в случае, когда антенные элементы расположены близко друг от друга, между ними возникает взаимодействие, что приводит к искажению диаграммы направленности антенны. Для уменьшения полей рассеяния и исключения взаимодействия магнитного поля, обмотки управления переключателя поляризации экранируются магнитопроводами переключателя (что исключает их взаимовлияние, так как магнитное поле обмотки управления экранируется магнитопроводами переключателя).The invention solves the problem of creating a cheap efficient, small-sized, technological, with low energy consumption and short switching time antenna element for a low-weight phased array antenna with a large beam scanning angle, working with the ability to switch different types of polarizations in a controlled manner (in practice, three types of polarization are used - two linear orthogonal and circular - left or right), which is of great importance when creating radars to increase their potential, to improve the location Navan goals and increase noise immunity. The increase in the scanning sector of the antenna beam occurs due to an increase in the number of antenna elements (decrease in step). Moreover, in the case when the antenna elements are located close to each other, interaction occurs between them, which leads to a distortion of the antenna pattern. To reduce the scattering fields and exclude the interaction of the magnetic field, the control windings of the polarization switch are shielded by the magnetic circuits of the switch (which excludes their mutual influence, since the magnetic field of the control winding is shielded by the magnetic circuits of the switch).

Большое значение в элементах антенной решетки имеют габариты конструкции. С целью уменьшения габаритов предлагается применить иную форму металлизированного стержня, в которой размеры квадратного сечения не превышают размер круглого сечения, и магнитопроводы в форме прямоугольного параллелепипеда, что позволит уменьшить шаг решетки.Of great importance in the elements of the antenna array are the dimensions of the structure. In order to reduce the dimensions, it is proposed to use a different form of a metallized rod, in which the dimensions of the square section do not exceed the size of the round section, and magnetic cores in the form of a rectangular parallelepiped, which will reduce the grid pitch.

Сущность изобретения в создании малогабаритного эффективного быстродействующего технологичного антенного элемента, содержащего в едином исполнении фазовращатель, работающий на волне круговой поляризации в продольном магнитном поле, с переключателем поляризации, создающим две линейные ортогональные поляризации.The essence of the invention is to create a compact efficient high-speed technological antenna element containing a single phase shifter operating on a wave of circular polarization in a longitudinal magnetic field, with a polarization switch that creates two linear orthogonal polarizations.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в антенном элементе фазированной антенной решетки, содержащем фазовращатель круговой поляризации с обмоткой управления и ферритовыми магнитопроводами, включающий участок металлизированного ферритового стержня круглого сечения, образующий волновод круглого сечения, соединенный через волноводный переход длиной не менее λ/8 с управляемым переключателем поляризации, включающем участок металлизированного ферритового стержня квадратного сечения, образующий волновод квадратного сечения, и расположенные на его сторонах магнитопроводы, имеющие пазы для фиксации катушки управления переключением поляризации, выполненной с по меньшей мере двумя обмотками, расположенными внутри указанных пазов с возможностью обеспечения управляемого перехода с одного вида поляризации на другой в любой последовательности, размер диагонали квадратного сечения соответствующего участка металлизированного стержня не более диаметра участка металлизированного ферритового стержня круглого сечения.The solution of this problem is achieved by the fact that in the antenna element of the phased antenna array containing a circular polarization phase shifter with a control winding and ferrite magnetic circuits, including a section of a metallized ferrite rod of circular cross section, forming a circular waveguide connected through a waveguide transition of at least λ / 8 with a controlled polarization switch, including a plot of a metallized ferrite rod of square cross section, forming a square waveguide , and magnetic conductors located on its sides, having grooves for fixing a polarization switching control coil made with at least two windings located inside these grooves with the possibility of providing a controlled transition from one type of polarization to another in any sequence, the size of the diagonal square section of the corresponding section metallized rod no more than the diameter of the plot metallized ferrite rod of circular cross section.

Целесообразно фазовращатель круговой поляризации и управляемый переключатель поляризации выполнить на одном общем металлизированном ферритовом стержне с соответствующими участками круглого и квадратного сечения.It is advisable to use a circular polarization phase shifter and a controlled polarization switch on one common metallized ferrite rod with corresponding sections of circular and square cross-section.

Предпочтительно участок квадратного сечения выполнить в виде сужения на общем металлизированном ферритовом стержне круглого сечения.Preferably, the square section is made in the form of a narrowing on a common metallized ferrite rod of circular cross section.

Предпочтительно каждый магнитопровод выполнить в виде прямоугольного параллелепипеда с пазом на широкой грани, образующим с соответствующей прилегающей поверхностью участка металлизированного ферритового стержня квадратного сечения канал для фиксации катушки управления переключением поляризации.Preferably, each magnetic circuit is made in the form of a rectangular parallelepiped with a groove on a wide face, forming a channel with a corresponding adjacent surface of a metallized ferrite rod of square cross section for fixing the polarization switching control coil.

Целесообразно размеры, в том числе длину и высоту, пазов магнитопроводов выполнить не более λ/20, где λ - длина волны в свободном пространстве.It is advisable that the dimensions, including the length and height, of the grooves of the magnetic cores be made no more than λ / 20, where λ is the wavelength in free space.

Предпочтительно по меньшей мере две обмотки катушки управления расположить внутри пазов магнитопроводов ниже внешней верхней их поверхности.Preferably, at least two windings of the control coil are located inside the grooves of the magnetic circuits below their outer upper surface.

Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволяет установить, что заявителями не обнаружены технические решения, характеризующиеся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных (по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату) отличительных признаков в заявляемом объекте, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству. Сведений об известности отличительных признаков в совокупностях признаков известных технических решений с достижением такого же, как у заявляемого устройства, положительного эффекта не имеется. На основании этого сделан вывод, что предлагаемое техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".The analysis of the prior art, including a search by patent and scientific and technical sources of information and identification of sources containing information about analogues of the claimed invention, allows us to establish that the applicants have not found technical solutions characterized by features identical to all the essential features of the claimed invention. The definition from the list of identified analogues of the prototype made it possible to identify a set of essential (with respect to the technical result perceived by the applicant) distinctive features in the claimed object set forth in the claims. Therefore, the claimed invention meets the requirement of "novelty" under applicable law. Information about the fame of the distinguishing features in the totality of the characteristics of the known technical solutions with the achievement of the same as the claimed device, there is no positive effect. Based on this, it was concluded that the proposed technical solution meets the criterion of "inventive step".

На фиг.1 показан антенный элемент, выполненный согласно изобретению, в прямоугольной изометрической проекции; на фиг.2 показана конфигурация катушки управления; на фиг.3 показан антенный элемент в разрезе; на фиг.4 показан управляемый переключатель поляризации в сечении (сечение А-А на фиг.3); на фиг.5 показан металлизированный ферритовый стержень для антенного элемента на фиг.3; на фиг.6 показана петля гистерезиса для объяснения работы управляемого переключателя поляризации.Figure 1 shows an antenna element made according to the invention, in a rectangular isometric view; figure 2 shows the configuration of the control coil; figure 3 shows the antenna element in section; figure 4 shows a controlled polarization switch in cross section (section aa in figure 3); figure 5 shows a metallized ferrite rod for the antenna element in figure 3; 6 shows a hysteresis loop for explaining the operation of a controlled polarization switch.

Антенный элемент фазированной антенной решетки содержит фазовращатель круговой поляризации с обмоткой 1 управления и ферритовыми магнитопроводами 2, симметрично установленными на участке 3 металлизированного ферритового стерженя круглого сечения, образующего волновод круглого сечения, соединенный через волноводный переход 4 длиной (S) не менее λ/8 с управляемым переключателем поляризации, включающим участок 5 металлизированного ферритового стержня квадратного сечения, образующий волновод квадратного сечения, и расположенные на его сторонах магнитопроводы 6, имеющие пазы 7 для фиксации катушки 8 управления переключением поляризации, выполненной с по меньшей мере двумя обмотками - обмоткой 9 сброса и обмоткой 10 набора, расположенными внутри указанных пазов 7 ниже внешней верхней поверхности магнитопроводов 6 с возможностью обеспечения управляемого перехода с одного вида поляризации на другой в любой последовательности, и общим выводом 11. Длина (L) участка 5 металлизированного ферритового стержня квадратного сечения (фиг.3) не менее длины (I) расположенных на нем магнитопроводов 6 управляемого переключателя поляризации, размер (С) диагонали его квадратного сечения не более диаметра (D) участка 3 металлизированного ферритового стержня круглого сечения, размер (а) его стороны не менее ширины (b) указанных магнитопроводов 6.The antenna element of the phased antenna array contains a circular polarization phase shifter with a control winding 1 and ferrite magnetic circuits 2 symmetrically mounted on a portion 3 of a metallized ferrite rod of circular cross section forming a waveguide of circular cross section connected through a waveguide transition 4 of length (S) of at least λ / 8 with a controllable a polarization switch, including a section 5 of a metallized ferrite rod of square cross section, forming a waveguide of square cross section, and located on it with On the other hand, magnetic cores 6 having grooves 7 for fixing a polarization switching control coil 8 made with at least two windings - a reset winding 9 and a set winding 10 located inside these grooves 7 below the outer upper surface of the magnetic cores 6 with the possibility of a controlled transition from one kind polarization to another in any sequence, and the general conclusion 11. The length (L) of section 5 of a metallized ferrite rod of square cross section (Fig. 3) is not less than the length (I) of the magnetoproduct waters 6 of the controlled polarization switch, the size (C) of the diagonal of its square section is not more than the diameter (D) of section 3 of the metallized ferrite rod of circular cross section, the size (a) of its side is not less than the width (b) of these magnetic cores 6.

При этом фазовращатель круговой поляризации и управляемый переключатель поляризации имеют общий металлизированный ферритовый стержень с участками 3, 5 соответственно круглого и квадратного сечения. При таком выполнении участок 5 квадратного сечения технологически выполнен в виде сужения на общем металлизированном ферритовом стержне круглого сечения (фиг.5).In this case, the circular polarization phase shifter and the controlled polarization switch have a common metallized ferrite rod with sections 3, 5 of respectively circular and square sections. With this embodiment, the square section 5 is technologically made in the form of a narrowing on a common metallized ferrite rod of circular cross section (Fig. 5).

Каждый магнитопровод 6 выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда с пазом 7 на широкой грани, образующим с соответствующей прилегающей поверхностью участка 5 металлизированного ферритового стержня квадратного сечения канал для фиксации катушки 8 управления переключением поляризации. Размеры, в том числе длина (d) и высота (h), пазов 7 магнитопроводов 6 не более λ/20, где λ - длина волны в свободном пространстве.Each magnetic circuit 6 is made in the form of a rectangular parallelepiped with a groove 7 on a wide face, forming a channel with a corresponding adjacent surface of a metallized ferrite rod portion 5 of square cross section for fixing the polarization switching control coil 8. The dimensions, including length (d) and height (h), of the grooves 7 of the magnetic cores 6 are not more than λ / 20, where λ is the wavelength in free space.

Катушка 8 управления переключением поляризации выполнена последовательным неоднократным прохождением ее обмоток 9, 10 через пазы 7 магнитопроводов 6, расположенных на смежных сторонах участка 5 металлизированного ферритового стержня квадратного сечения, с образованием многовитковой намотки, выполненной вне верхней и боковой поверхностей магнитопроводов 6.The polarization switching control coil 8 is made by repeatedly passing its windings 9, 10 through the grooves 7 of the magnetic cores 6 located on the adjacent sides of the square 5 metallized ferrite core, with the formation of a multi-turn winding made outside the upper and side surfaces of the magnetic cores 6.

В катушке 8 управления переключением поляризации обмотки 9, 10 выполнены в виде жгута.In the coil 8 control switching polarization of the winding 9, 10 is made in the form of a bundle.

Антенный элемент на входе может быть сопряжен со статическим поляризатором, состоящим из постоянных магнитов 12 и металлического шунта 13 (например, из пермалоя). Другой конец металлизированного ферритового стержня может быть сопряжен с антенным излучателем, состоящим из двух керамических дисков 14, 15 и металлического корпуса 16 (фиг.3).The antenna element at the input can be paired with a static polarizer consisting of permanent magnets 12 and a metal shunt 13 (for example, permaloy). The other end of the metallized ferrite rod can be paired with an antenna emitter consisting of two ceramic disks 14, 15 and a metal housing 16 (Fig.3).

Таким образом, антенный элемент содержит в едином конструктиве фазовращатель и переключатель поляризации, его основу составляют один общий металлизированный ферритовый стержень с круглым и квадратным сечением на соответствующих его участках 3, 5. Переключатель поляризации состоит из более узкого участка 5 металлизированного ферритового стержня квадратного сечения, катушки 8 управления и четырех магнитопроводов 6 (по форме представляющие собой параллелепипеды), установленных на четырех гранях участка 5 металлизированного ферритового стержня. Катушка 8 управления переключателя поляризации создает квадрупольное намагничивание и имеет две обмотки 9, 10 - сброса и набора, которые экранируются магнитопроводами 6.Thus, the antenna element contains a phase shifter and a polarization switch in a single construct, its basis is one common metallized ferrite rod with round and square sections in its corresponding sections 3, 5. The polarization switch consists of a narrower section 5 of a metallized ferrite rod of square section, coils 8 controls and four magnetic cores 6 (in the form of parallelepipeds) mounted on the four faces of the metallized ferrite section 5 with pulling. The control coil 8 of the polarization switch creates quadrupole magnetization and has two windings 9, 10 - reset and set, which are shielded by magnetic circuits 6.

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.One of the features of this design is the absence of throttle slots in the metallized layer of the ferrite rod, which significantly reduces the complexity of manufacturing the antenna element and reduces its cost.

Антенный элемент работает следующим образом.The antenna element works as follows.

На вход элемента подается волна с линейной поляризацией, которая преобразуется в волну с круговой поляризацией с помощью статического поляризатора, состоящего из постоянных магнитов 12 и металлического шунта 13.A linearly polarized wave is fed to the element input, which is converted into a circularly polarized wave using a static polarizer consisting of permanent magnets 12 and a metal shunt 13.

Переключатель поляризации работает следующим образом.The polarization switch operates as follows.

Подается напряжение на обмотку 9 сброса и магнитная система устанавливается в положение -В (фиг.6). Затем подается импульс на обмотку 10 набора заданной длительности и система переходит в состояние работы с сигналами линейной поляризацией, соответствующее положению I на фиг.6. Если подают другую длительность импульса, получается состояние II, соответствующее состоянию круговой поляризации. При подаче импульса напряжения большей длительности имеем ортогональную поляризацию (состояние III на фиг.6). Переход в различные состояния (фиг.6) можно осуществлять в различной последовательности, например, начать с состояния II, затем перейти в состояние I или III. Антенный элемент имеет низкую стоимость, более компактную конструкцию, удобен в эксплуатации, технологичен в изготовлении. Малый вес, малое потребление энергии, низкие потери, высокое быстродействие и возможность работы с управляемым переключением поляризации в любой последовательности позволяют эффективно применить предлагаемый антенный элемент в современных РЛС.A voltage is applied to the reset winding 9 and the magnetic system is set to position -B (Fig.6). Then a pulse is applied to the winding 10 of the set of a given duration and the system goes into a state of operation with linear polarization signals corresponding to position I in FIG. 6. If a different pulse duration is supplied, state II is obtained corresponding to the state of circular polarization. When applying a voltage pulse of longer duration, we have orthogonal polarization (state III in Fig.6). The transition to various states (Fig.6) can be carried out in a different sequence, for example, start from state II, then go to state I or III. The antenna element has a low cost, more compact design, is convenient to operate, and is technologically advanced to manufacture. Light weight, low energy consumption, low losses, high speed and the ability to work with controlled polarization switching in any sequence can effectively use the proposed antenna element in modern radars.

Claims

1. An antenna element of a phased antenna array containing a circular polarization phase shifter with a control winding and ferrite magnetic circuits, including a section of a metallized ferrite rod of circular cross section, forming a circular waveguide connected through a waveguide transition of at least λ / 8 with a controlled polarization switch, including a metallized polarization section a square ferrite rod forming a square waveguide and magnetic cores located on its sides, and sweeping grooves for fixing a polarization switching control coil made with at least two windings located inside these grooves with the possibility of providing a controlled transition from one type of polarization to another in any sequence, characterized in that the square diagonal size of the corresponding section of the metallized rod is not more than the diameter of the plot metallized ferrite rod of circular cross section.

2. The antenna element according to claim 1, characterized in that the circular polarization phase shifter and the controlled polarization switch have a common metallized ferrite rod with corresponding sections of circular and square cross-section.

3. The antenna element according to claim 1 or 2, characterized in that the square section is made in the form of a narrowing on a common metallized ferrite rod of circular cross section.

4. The antenna element according to any one of claims 1 to 3, characterized in that each magnetic circuit is made in the form of a rectangular parallelepiped with a groove on a wide face, forming a channel with a corresponding adjacent surface of a metallized ferrite rod of square cross section for fixing the polarization switching control coil.

5. The antenna element according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the dimensions, including length and height, of the grooves of the magnetic cores are not more than λ / 20, where λ is the wavelength in free space.

6. The antenna element according to any one of claims 1 to 5, characterized in that at least two windings of the control coil are located inside the grooves of the magnetic circuits below their outer upper surface.

7. The antenna element according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the length of the plot of a metallized ferrite rod of square cross section is not less than the length of the magnetic circuits of a controlled polarization switch located on it.