RU2322737C1

RU2322737C1 - Antenna element of phased lead-through antenna array

Info

Publication number: RU2322737C1
Application number: RU2006142586/09A
Authority: RU
Inventors: Юрий Николаевич Афанасьев (RU); Юрий Николаевич Афанасьев; Павел Леонидович Батов (RU); Павел Леонидович Батов; Юрий Петрович Виниченко (RU); Юрий Петрович Виниченко; Валентин Васильевич Жигарев (RU); Валентин Васильевич Жигарев; Валерий Акимович Кашин (RU); Валерий Акимович Кашин; Александр Алексеевич Леманский (RU); Александр Алексеевич Леманский
Original assignee: Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Алмаз" имени академика А.А. Расплетина"
Priority date: 2006-12-04
Filing date: 2006-12-04
Publication date: 2008-04-20

Abstract

FIELD: antenna engineering; antennas for lead-through phased microwave antenna arrays incorporating provision for electric scanning of beam.

SUBSTANCE: proposed antenna element of lead-through phased antenna array has electric radiators and phase shifter incorporating magnetizing coil disposed within magnetic circuit, as well as cylindrical ferrite rod installed inside magnetizing winding. Dielectric radiators have cylindrical part and are rigidly fixed on one end to ends of cylindrical ferrite rod, and their loose end parts are made in the form of truncated cones, diameter of truncated cone base being smaller than that of dielectric radiator cylindrical part. Central ferrite rod and dielectric radiators are inserted in common section of metal-plated round waveguide. Cylindrical ferrite rod and dielectric radiators are made of material characterized in almost equally high dielectric constant.

EFFECT: reduced microwave energy loss.

4 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к антенной технике, в частности к приемопередающим антенным элементам, и может быть использовано в проходных фазированных антенных решетках (ФАР) СВЧ-диапазона с электрическим сканированием луча.The invention relates to antenna technology, in particular to transceiver antenna elements, and can be used in pass-through phased antenna arrays (PAR) of the microwave range with electric beam scanning.

Известен приемопередающий элемент фазированной антенной решетки, содержащий диэлектрические излучатели и фазовращатель, состоящий из намагничивающей обмотки, расположенной внутри магнитопровода, и цилиндрического ферритового стержня, установленного внутри намагничивающей обмотки, при этом между торцами цилиндрического ферритового стержня и диэлектрических излучателей установлены согласующие диэлектрические шайбы; цилиндрический ферритовый стержень, согласующие шайбы и диэлектрические излучатели имеют одинаковый диаметр и заключены в общий отрезок металлизированного круглого волновода; на поверхности каждого из диэлектрических излучателей, находящейся за пределами общего отрезка металлизированного круглого волновода, выполнена конусообразная замкнутая по окружности канавка, на поверхность которой нанесено металлизированное покрытие; в стенках общего отрезка металлизированного круглого волновода, прилегающих к цилиндрическому ферритовому стержню, выполнены две продольные диаметрально расположенные прорези; магнитопровод выполнен в виде двух П-образных скоб, каждая из которых содержит продольную пластину, расположенную над соответствующей прорезью, и башмаки, опирающиеся на поверхность общего отрезка металлизированного круглого волновода, причем опорная поверхность башмаков выполнена по форме окружности общего отрезка металлизированного круглого волновода и имеет паз, выполненный в ее верхней части по оси симметрии, опорные поверхности башмаков отшлифованы с высоким классом точности и плотно прижаты к поверхности общего отрезка металлизированного круглого волновода.Known transceiver element of a phased antenna array containing dielectric emitters and a phase shifter, consisting of a magnetizing winding located inside the magnetic circuit, and a cylindrical ferrite rod installed inside the magnetizing winding, while between the ends of the cylindrical ferrite rod and dielectric emitters matching dielectric washers are installed; a cylindrical ferrite rod, matching washers and dielectric emitters have the same diameter and are enclosed in a common segment of a metallized circular waveguide; on the surface of each of the dielectric emitters located outside the common segment of the metallized circular waveguide, a cone-shaped circumferentially closed groove is made on the surface of which a metallized coating is applied; in the walls of a common segment of a metallized circular waveguide adjacent to a cylindrical ferrite rod, two longitudinal diametrically arranged slots are made; the magnetic circuit is made in the form of two U-shaped brackets, each of which contains a longitudinal plate located above the corresponding slot, and shoes resting on the surface of a common segment of a metallized round waveguide, and the bearing surface of the shoes is made in the shape of a circle of a common segment of a metallized round waveguide and has a groove made in its upper part along the axis of symmetry, the bearing surfaces of the shoes are ground with a high accuracy class and tightly pressed to the surface of the common metal segment round waveguide.

Цилиндрический ферритовый стержень выполнен из феррита с диэлектрической проницаемостью ε=14÷17. Согласующие шайбы выполнены из материала, например ситалла, с диэлектрической проницаемостью ε=9÷11. Диэлектрические излучатели выполнены из материала, например ситалла, с диэлектрической проницаемостью ε=7,15-7,35. Длины диэлектрических излучателей выбраны из условия обеспечения требуемых механической прочности и жесткости полотна антенной системы. Свободные концы диэлектрических излучателей имеют конусообразную или цилиндрическую форму [1].The cylindrical ferrite core is made of ferrite with a dielectric constant ε = 14 ÷ 17. Matching washers are made of material, for example, ceramic, with a dielectric constant of ε = 9 ÷ 11. Dielectric emitters are made of a material, for example, ceramic, with a dielectric constant ε = 7.15-7.35. The lengths of dielectric emitters are selected from the condition of providing the required mechanical strength and stiffness of the antenna system web. The free ends of dielectric emitters have a conical or cylindrical shape [1].

Причина, препятствующая достижению указанного ниже технического результата при использовании известного приемопередающего элемента ФАР, заключается в следующем. Наличие стыков между цилиндрическим ферритовым стержнем, диэлектрическими согласующими шайбами и излучателями снижает коэффициент прохождения электромагнитной волны через элемент и коэффициент усиления ФАР в целом из-за потерь СВЧ-энергии, обусловленных внутренними ее переотражениями на стыках. Кроме того, использование трех материалов с различной диэлектрической проницаемостью, выполнение канавок на поверхностях диэлектрических излучателей для уменьшения отражений СВЧ-волн от концов общего отрезка металлизированного круглого волновода и улучшения согласования диэлектрических излучателей с пространством усложняют конструкцию устройства и увеличивают трудоемкость и стоимость его производства.The reason that impedes the achievement of the technical result indicated below when using the known transceiver element PAR, is as follows. The presence of joints between a cylindrical ferrite rod, dielectric matching washers and emitters reduces the transmission coefficient of the electromagnetic wave through the element and the gain of the PAR in general due to the loss of microwave energy due to its internal reflections at the joints. In addition, the use of three materials with different dielectric constants, the grooves on the surfaces of dielectric emitters to reduce the reflections of microwave waves from the ends of a common segment of a metallized circular waveguide and improve the alignment of dielectric emitters with space complicate the design of the device and increase the complexity and cost of its production.

Сущность изобретения заключается в следующем. Задачей, на решение которой оно направлено, является снижение трудоемкости и стоимости производства антенного элемента ФАР за счет упрощения его конструкции. Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, выражается в снижении потерь СВЧ-энергии в антенном элементе проходной ФАР.The invention consists in the following. The task to which it is aimed is to reduce the complexity and cost of production of the antenna element of the HEADLIGHT by simplifying its design. The technical result achieved by the implementation of the invention is expressed in reducing the loss of microwave energy in the antenna element of the pass-through headlamp.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном приемопередающем элементе ФАР, содержащем 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, согласно изобретению цилиндрический ферритовый стержень и диэлектрические излучатели 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.The specified technical result is achieved by the fact that in the known transceiver element PAR, containing dielectric emitters and a phase shifter, consisting of a magnetizing winding located inside the magnetic circuit, and a cylindrical ferrite rod installed inside the magnetizing winding, a cylindrical ferrite rod and dielectric emitters are enclosed in a common segment of a metallized round waveguide, according to the invention, a cylindrical ferrite rod and dielectric emitters are made of materials with a high dielectric constant, identical or close to each other, dielectric emitters contain a cylindrical part and are rigidly connected to the ends of a cylindrical ferrite rod by one end, and elongations in the form of truncated cones are made on their other ends, and the base diameter of the truncated cones is less than the diameter the cylindrical part of the dielectric emitter.

Концы общего отрезка металлизированного круглого волновода отстоят на расстоянии (0,05-0,1)λ₀ от основания усеченных конусов.The ends of the common segment of a metallized circular waveguide are at a distance of (0.05-0.1) λ ₀ from the base of the truncated cones.

Высота усеченных конусов составляет (0,8-1,2)λ₀, где λ₀ - центральная длина волны 10-процентного диапазона.The height of the truncated cones is (0.8-1.2) λ ₀ , where λ ₀ is the center wavelength of the 10 percent range.

Диаметр основания усеченных конусов составляет (0,8-0,9), а диаметр их вершин - (0,5-0,6) диаметра цилиндрической части диэлектрического элемента.The diameter of the base of the truncated cones is (0.8-0.9), and the diameter of their vertices is (0.5-0.6) of the diameter of the cylindrical part of the dielectric element.

Причинно-следственная связь между существенными признаками и техническим результатом выражается в том, что, благодаря выполнению ферритового стержня и излучателей из материалов с высокими равными или близкими по величине значениями диэлектрической проницаемости, уменьшению количества стыков за счет исключения согласующих шайб-трансформаторов, а также разнице диаметров цилиндрической и конической частей излучателей улучшается согласование антенного элемента с пространством, что снижает потери СВЧ-энергии и, соответственно, повышает коэффициент усиления проходной ФАР.A causal relationship between the essential features and the technical result is expressed in the fact that, due to the implementation of the ferrite rod and emitters from materials with high equal or close values of dielectric constant, a decrease in the number of joints due to the exclusion of matching washer transformers, as well as the difference in diameters the cylindrical and conical parts of the emitters improves the matching of the antenna element with space, which reduces the loss of microwave energy and, accordingly, increases t gain entrance PAR.

Изобретение поясняется чертежами, на которых представлены: фиг.1 - конструкция антенного элемента проходной ФАР; фиг.2 - вид сбоку по стрелке А фиг.1; фиг.3 - график разности коэффициентов усиления проходных ФАР, содержащих заявленный и известный антенные элементы; фиг.4 - зависимости от частоты коэффициентов эллиптичности заявленного и известного антенных элементов.The invention is illustrated by drawings, on which are presented: figure 1 - design of the antenna element of the passage HEADLIGHT; figure 2 is a side view along arrow A of figure 1; figure 3 is a graph of the difference in the gain of the pass-through headlamps containing the claimed and known antenna elements; figure 4 - depending on the frequency of the coefficients of ellipticity of the claimed and known antenna elements.

Антенный элемент проходной ФАР (фиг.1) содержит фазовращатель, состоящий из расположенной внутри магнитопровода 1 намагничивающей обмотки 2, в которой установлен цилиндрический ферритовый стержень 3, и два диэлектрических излучателя 4, 5. Цилиндрический ферритовый стержень 3 выполнен из феррита с высокой диэлектрической проницаемостью порядка ε=14-17, например, из феррита марки 3СЧ-18 (ЫК7.074.076ТУ) с ε=16. Диэлектрические излучатели 4, 5 имеют цилиндрическую и коническую части и выполнены из материала, также обладающего высокой диэлектрической проницаемостью порядка ε=14-17, например, из керамического материала МТ-16 с ε=16 [2]. Цилиндрический ферритовый стержень 3 и цилиндрические части диэлектрических излучателей 4, 5 выполнены с одинаковым диаметром, их торцы жестко соединены между собой, например с помощью клея, и заключены в общий отрезок круглого металлизированного волновода 6. Волновод может быть получен путем напыления или гальванического нанесения слоя металла, например меди, толщиной 1,1-1,5 мкм на поверхность цилиндрического ферритового стержня 3 и большую часть цилиндрической поверхности диэлектрических излучателей 4, 5. Свободные торцевые части последних выполнены в виде усеченных конусов, которые могут быть образованы при отливке диэлектрического излучателя или путем его механической обработки. Высота L усеченных конусов составляет (0,8-1,2)λ₀, где λ₀ - центральная длина волны 10-процентного диапазона, диаметр d₂ их оснований меньше диаметра d₁ цилиндрической части диэлектрических излучателей 4, 5 (фиг 4) и составляет (0,8-0,9)d₁, а диаметр d₃ его вершины - (0,5-0,6)d₁. Общий отрезок металлизированного круглого волновода 4 на цилиндрической части диэлектрических излучателей 4, 5 заканчивается на расстоянии S=(0,05-0,1)λ₀ от основания усеченных конусов. Длины цилиндрических частей диэлектрических излучателей 4, 5 могут быть равными или различными в зависимости от конструктивных особенностей проходной ФАР и определяются из условия обеспечения требуемых механической прочности и жесткости полотна антенны, а также возможности размещения в нем устройств управления приемопередающими элементами и отвода тепла, например, трубопроводов системы продувки сжатым воздухом или системы с жидким хладагентом. Максимальный диаметр основания d₂ усеченного конуса и минимальный диаметр его вершины d₃ выбирают расчетным путем из условия хорошего возбуждения в нем поверхностной волны, минимизации отражений СВЧ-энергии на стыке «волновод - излучатель» и согласования диэлектрических излучателей 4, 5 излучателя с пространством.The antenna element of the passable PAR (Fig. 1) contains a phase shifter consisting of a magnetizing winding 2 located inside the magnetic circuit 1, in which a cylindrical ferrite rod 3 is installed, and two dielectric emitters 4, 5. The cylindrical ferrite rod 3 is made of ferrite with a high dielectric constant of the order ε = 14-17, for example, from ferrite grade 3SCh-18 (YK7.074.076TU) with ε = 16. The dielectric emitters 4, 5 have cylindrical and conical parts and are made of a material also having a high dielectric constant of the order of ε = 14-17, for example, of the MT-16 ceramic material with ε = 16 [2]. The cylindrical ferrite rod 3 and the cylindrical parts of the dielectric emitters 4, 5 are made with the same diameter, their ends are rigidly interconnected, for example with glue, and enclosed in a common segment of a circular metallized waveguide 6. The waveguide can be obtained by sputtering or galvanic deposition of a metal layer , for example, copper, 1.1-1.5 μm thick on the surface of a cylindrical ferrite rod 3 and most of the cylindrical surface of dielectric emitters 4, 5. The free end parts of the latter they are in the form of truncated cones, which may be formed during casting of the dielectric radiator, or by machining it. The height L of the truncated cones is (0.8-1.2) λ ₀ , where λ ₀ is the central wavelength of the 10 percent range, the diameter d _{2 of} their bases is less than the diameter d _{1 of the} cylindrical part of the dielectric emitters 4, 5 (Fig 4) and is (0.8-0.9) d ₁ , and the diameter d _{3 of} its peak is (0.5-0.6) d ₁ . The total length of the metallized circular waveguide 4 on the cylindrical part of the dielectric emitters 4, 5 ends at a distance S = (0.05-0.1) λ ₀ from the base of the truncated cones. The lengths of the cylindrical parts of the dielectric emitters 4, 5 can be equal or different depending on the design features of the through-beam headlamp and are determined from the condition of ensuring the required mechanical strength and stiffness of the antenna sheet, as well as the possibility of placing control devices for transceiving elements and heat removal, for example, pipelines compressed air purge systems or liquid refrigerant systems. The maximum diameter of the base d _{2 of the} truncated cone and the minimum diameter of its apex d ₃ are chosen by calculation from the condition of good excitation of the surface wave in it, minimization of microwave energy reflections at the “waveguide-emitter” junction and matching of the dielectric emitters 4, 5 of the emitter with space.

Фазовращатель может быть выполнен по известным правилам [1]. В частности, намагничивающая обмотка 2 катушки управления намотана на бумажный каркас и надета на цилиндрический ферритовый стержень 3, располагаясь над прорезями в стенках общего отрезка металлизированного круглого волновода 6. Выводы намагничивающей обмотки 2 соединены с системой управления антенными элементами (на чертеже не показано). Сверху намагничивающей обмотки 2 расположены два магнитопровода 1, выполненных в виде П-образных скоб, каждая из которых содержит продольную пластину и башмаки. Внутренняя поверхность продольных пластин имеет цилиндрическую форму. Опорные поверхности башмаков выполнены по форме окружности общего отрезка металлизированного круглого волновода 6. В верхней части опорной поверхности башмаков по оси симметрии выполнен паз, предназначенный для обеспечения азимутальной симметрии подмагничивающего магнитного поля, благодаря чему уменьшаются резонансные пики потерь СВЧ-энергии на высших типах волн. Продольные пластины П-образных скоб располагаются над прорезями в стенках общего отрезка металлизированного круглого волновода 6. С помощью бандажа (например, пропитанной лаком прочной нити) опорные поверхности башмаков, которые должны быть отшлифованы с высоким классом точности, плотно прижаты к боковой поверхности общего отрезка металлизированного круглого волновода 6 так, чтобы зазор между ними не превышал 30 мкм. Магнитопроводы выполнены из материала с низкой коэрцетивной силой порядка 0,35 эрстед.Phaser can be performed according to known rules [1]. In particular, the magnetizing winding 2 of the control coil is wound on a paper frame and worn on a cylindrical ferrite rod 3, located above the slots in the walls of a common segment of a metallized circular waveguide 6. The terminals of the magnetizing winding 2 are connected to the antenna element control system (not shown in the drawing). On top of the magnetizing winding 2 are two magnetic cores 1, made in the form of U-shaped staples, each of which contains a longitudinal plate and shoes. The inner surface of the longitudinal plates has a cylindrical shape. The supporting surfaces of the shoes are made in the shape of a circle of a common segment of a metallized circular waveguide 6. A groove is made in the upper part of the supporting surface of the shoes along the symmetry axis to ensure the azimuthal symmetry of the magnetizing magnetic field, which reduces the resonance peaks of microwave energy loss on higher types of waves. The longitudinal plates of the U-shaped brackets are located above the slots in the walls of the common segment of the metallized round waveguide 6. Using a bandage (for example, a strong filament impregnated with varnish), the supporting surfaces of the shoes, which must be sanded with a high accuracy class, are tightly pressed to the side surface of the general segment of the metallized circular waveguide 6 so that the gap between them does not exceed 30 microns. Magnetic cores are made of a material with a low coercive force of the order of 0.35 oersted.

Описанный антенный элемент ФАР работает следующим образом. В режиме передачи СВЧ-энергия с волной круговой поляризации от облучателя ФАР падает на первый излучатель элемента, например, усеченный конус 4, проходит внутрь него и распространяется по его цилиндрической части и цилиндрическому ферритовому стержню 3 внутри общего отрезка металлизированного волновода 6. Пройдя через фазовращатель, электромагнитная волна получает определенный фазовый сдвиг в зависимости от длительности импульсов напряжения, подаваемых в намагничивающую обмотку 2 из системы управления элементами ФАР. Распространяясь далее, электромагнитная волна попадает на второй излучатель 5 и через усеченный излучается в пространство. После окончания действия импульсов напряжения магнитная система фазовращателя запоминает это состояние и фазовый сдвиг будет сохраняться до следующего цикла перемагничивания. При приеме процесс протекает в обратном порядке.The described antenna element of the phased array operates as follows. In the transmission mode, microwave energy with a circular polarization wave from the PAR illuminator falls on the first radiator of the element, for example, a truncated cone 4, passes inside it and propagates along its cylindrical part and cylindrical ferrite rod 3 inside a common segment of a metallized waveguide 6. Passing through a phase shifter, the electromagnetic wave receives a certain phase shift depending on the duration of the voltage pulses supplied to the magnetizing winding 2 from the control system of the PAR elements. Propagating further, the electromagnetic wave hits the second emitter 5 and is transmitted through space to the truncated one. After the end of the action of voltage pulses, the magnetic system of the phase shifter remembers this state and the phase shift will remain until the next magnetization reversal cycle. When taken, the process proceeds in the reverse order.

Как следует из графика фиг.3, на котором изображена зависимость от относительной частоты f/f₀, где f₀ - центральная частота диапазона, разности коэффициентов усиления ΔG фазированных антенных решеток с заявленными и известными антенными элементами, коэффициент усиления ФАР, набранной из опытных образцов заявленного антенного элемента, в 90% заданного диапазона частот существенно, до 1,4 дБ, превышает аналогичный показатель ФАР, содержащей антенные элементы, взятые в качестве прототипа. Заявленный антенный элемент обеспечивает также существенный, не менее 0,8 дБ, выигрыш по коэффициенту эллиптичности электромагнитного поля. Это подтверждается графиками фиг.4, где представлены зависимости от относительной частоты f/f₀ коэффициентов эллиптичности К_е (отношение осей поляризационного эллипса) заявленного антенного элемента и прототипа. Приведенные экспериментальные данные свидетельствуют об уменьшении потерь СВЧ-энергии в заявленном приемопередающем антенном элементе по сравнению с прототипом.As follows from the graph of figure 3, which shows the dependence on the relative frequency f / f ₀ , where f ₀ is the center frequency of the range, the difference of the gain ΔG of the phased antenna arrays with the claimed and known antenna elements, the gain of the PAR, recruited from prototypes of the claimed antenna element, in 90% of the specified frequency range significantly, up to 1.4 dB, exceeds the same indicator of the PAR, containing antenna elements taken as a prototype. The claimed antenna element also provides a significant, at least 0.8 dB, gain in the ellipticity coefficient of the electromagnetic field. This is confirmed by the graphs of figure 4, which shows the dependence on the relative frequency f / f _{0 of} the ellipticity coefficients K _e (the ratio of the axes of the polarization ellipse) of the claimed antenna element and prototype. The above experimental data indicate a decrease in microwave energy loss in the claimed transceiver antenna element in comparison with the prototype.

Источники информацииInformation sources

1. RU 2184410, Н01Q 21/00, Н01Р 1/19, 2002.1. RU 2184410, H01Q 21/00, H01P 1/19, 2002.

2. Каталог «Сверхвысокочастотные магнитные и диэлектрические материалы». СПб., ОАО «Завод «Магнетон», 2001.2. Catalog "Microwave and dielectric materials." SPb., OJSC Magneton Plant, 2001.

Claims

1. The antenna element of the passage phased antenna array containing dielectric emitters and a phase shifter, consisting of a magnetizing winding located inside the magnetic circuit, and a cylindrical ferrite rod installed inside the magnetizing winding, a cylindrical ferrite rod and dielectric emitters are enclosed in a common segment of a metallized circular waveguide, characterized in that a cylindrical ferrite rod and dielectric emitters are made of materials with high identical With a dielectric constant close to each other or close to each other, dielectric emitters contain a cylindrical part and are rigidly connected to the ends of a cylindrical ferrite rod by one end, and their free end parts are made in the form of truncated cones, and the diameter of the base of the truncated cones is less than the diameter of the cylindrical part of the dielectric emitter.

2. The antenna element according to claim 1, characterized in that the ends of the common length of the metallized circular waveguide are separated by a distance (0.05-0.1) λ ₀ from the base of the truncated cones, where λ ₀ is the central wavelength of the 10% range .

3. The antenna element according to claim 1, characterized in that the height of the truncated cones is (0.8-1.2) λ ₀ , where λ ₀ is the center wavelength of the 10% range.

4. The antenna element according to claim 1, characterized in that the diameter of the base of the truncated cones is (0.8-0.9), and the diameter of their vertices is (0.5-0.6) of the diameter of the cylindrical part of the dielectric emitter.