RU2470426C1 - Phased antenna array element - Google Patents
Phased antenna array element Download PDFInfo
- Publication number
- RU2470426C1 RU2470426C1 RU2011129724/07A RU2011129724A RU2470426C1 RU 2470426 C1 RU2470426 C1 RU 2470426C1 RU 2011129724/07 A RU2011129724/07 A RU 2011129724/07A RU 2011129724 A RU2011129724 A RU 2011129724A RU 2470426 C1 RU2470426 C1 RU 2470426C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- dielectric
- waveguide
- reflector
- ferrite
- conductive coating
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Aerials With Secondary Devices (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области радиотехники СВЧ- и КВЧ-диапазонов, а именно к конструкциям элементов фазированных антенных решеток (ФАР), и может быть использовано в радиолокационных системах с широкоугольным электрическим сканированием луча антенны.The invention relates to the field of radio engineering of the microwave and EHF ranges, and in particular to the designs of elements of phased array antennas (PAR), and can be used in radar systems with wide-angle electric scanning of the antenna beam.
В настоящее время существует реальная потребность в волноводных ферритовых фазовращателях (ВФФВ) и элементах ФАР на их основе с малыми поперечными размерами для антенных систем с широкоугольным электрическим сканированием луча, работающих на электромагнитных волнах, поляризованных по кругу. Особенно актуально создание таких элементов ФАР для миллиметрового диапазона волн, где разработка элементов с малыми поперечными размерами, высоким быстродействием и низким энергопотреблением встречает определенные технические трудности.Currently, there is a real need for waveguide ferrite phase shifters (WFFF) and PAR elements based on them with small transverse dimensions for antenna systems with wide-angle electric beam scanning, working on electromagnetic waves that are polarized in a circle. The creation of such PAR elements for the millimeter wave range is especially relevant, where the development of elements with small transverse dimensions, high speed and low power consumption encounters certain technical difficulties.
Известны элементы фазированных антенных решеток, осуществляющих электрическое сканирование луча. Каждый из них может быть выполнен, например, в виде последовательно соединенных волноводно-диэлектрического излучателя и отражательного волноводного ферритового фазовращателя фарадеевского типа с продольным подмагничиванием, с магнитной памятью, работающего на волнах, поляризованных по кругу.Known elements of phased array antennas that perform electrical scanning of the beam. Each of them can be made, for example, in the form of series-connected waveguide-dielectric emitter and a reflective waveguide ferrite phase shifter Faraday type with longitudinal magnetization, with magnetic memory operating on waves polarized in a circle.
В частности, известна многоэлементная ФАР Ка-диапазона волн (Денисенко В.В., Дубров Ю.Б., Корчемкин Ю.Б., Макота В.А., Николаев А.И., Толкачев А.А., Шитиков A.M., Шишлов А.В., Шубов А.Т. Многоэлементная ФАР Ка-диапазона волн. - Антенны, 2005, №1 (92), с.7-14). Для фазирования излучающих элементов в ФАР используют волноводные ферритовые фазовращатели отражательного типа для волн, поляризованных по кругу. Каждый ВФФВ выполнен на основе круглого ферритового стержня (ФС) с металлизированными боковой поверхностью и одним торцом, имеет несколько обмоток продольного намагничивания ФС и два магнитопровода.In particular, the multi-element headlamp of the Ka-wave range is known (Denisenko V.V., Dubrov Yu.B., Korchemkin Yu.B., Makota V.A., Nikolaev A.I., Tolkachev A.A., Shitikov AM, Shishlov A.V., Shubov A.T. Multi-element phased array phased array of the Ka-wave range. - Antennas, 2005, No. 1 (92), pp. 7-14). For phasing of radiating elements in the PAR, waveguide ferrite phase shifters of the reflective type are used for circularly polarized waves. Each WFWF is made on the basis of a round ferrite rod (FS) with a metallized side surface and one end face, it has several longitudinal magnetization windings of the FS and two magnetic cores.
Известным элементам ФАР присущ ряд недостатков. Во-первых, в этой ФАР нет интегрированных элементов. Излучающие элементы расположены в общей для ФАР несущей плите, а ВФФВ объединены в подрешетки разных размеров. Отсутствие надежного контакта излучателей и фазовращателей может приводить к рассогласованию ФАР и росту СВЧ-потерь. Во-вторых, ВФФВ имеют большие поперечные размеры, при этом шаг антенной решетки равен 1,1λ (λ - длина волны в свободном пространстве), что ограничивает сектор сканирования луча углами ±25° от нормали к раскрыву ФАР. В-третьих, следствиями металлизации поверхностей ФС являются низкое быстродействие ВФФВ и высокая энергия его управления.The known elements of the PAR are inherent in a number of disadvantages. Firstly, there are no integrated elements in this headlamp. The radiating elements are located in the carrier plate common for the PAR, and the WFWF are combined into sublattices of different sizes. The lack of reliable contact between the emitters and phase shifters can lead to a mismatch in the headlamps and an increase in microwave losses. Secondly, the CWFWs have large transverse dimensions, and the antenna array pitch is 1.1λ (λ is the wavelength in free space), which limits the beam scanning sector by angles ± 25 ° from the normal to the PAR opening. Thirdly, the consequences of metallization of FS surfaces are the low speed of the WFWF and the high energy of its control.
Известен СВЧ-ферритовый фазовращатель для ФАР отражательного типа (см. патент RU №37877, МПК H01Q 21/00, Н01Р 1/18, опубл. 27.05.2008). СВЧ-ферритовый фазовращатель содержит ферритовый вкладыш из СВЧ-ферритового материала, расположенный внутри катушки управления, обеспечивающей продольное намагничивание ферритового вкладыша, и ступенчатый излучатель-согласователь электромагнитной волны со свободным пространством, соединенный с ферритовым вкладышем. Он дополнительно содержит металлический фланец цилиндрической формы и два продолговатых П-образных магнитопровода из ферритового материала, введенные ножками с двух противоположных сторон в контакт с ферритовым вкладышем в виде металлизированного ферритового стержня круглого сечения через окна прямоугольной формы катушки управления, которая имеет внутреннее продольное отверстие для размещения ферритового стержня (ФС). ФС металлизирован со всех сторон, за исключением входного торца, закрепленного в отверстии металлического фланца в его задней торцевой части. Излучатель-согласователь с внешним пространством выполнен из диэлектрического материала, например из кварца, и введен в переднюю часть металлического фланца, внутри которого расположена втулка, например, из фторопласта в виде кольца, надетого на керамический диск, контактирующий с излучателем-согласователем и входным торцом ФС.Known microwave ferrite phase shifter for phased array reflective type (see patent RU No. 37877, IPC H01Q 21/00, H01P 1/18, publ. 27.05.2008). The microwave ferrite phase shifter comprises a ferrite insert made of microwave ferrite material located inside a control coil providing longitudinal magnetization of the ferrite insert, and a step emitter of the electromagnetic wave with free space connected to the ferrite insert. It additionally contains a cylindrical metal flange and two elongated U-shaped magnetic cores made of ferrite material, introduced by legs from two opposite sides into contact with a ferrite insert in the form of a metallized ferrite rod of circular cross section through rectangular windows of the control coil, which has an internal longitudinal opening for placement ferrite rod (FS). FS is metallized on all sides, with the exception of the inlet end fixed in the hole of the metal flange in its rear end part. The emitter-coordinator with the outer space is made of a dielectric material, for example, of quartz, and inserted into the front of the metal flange, inside of which there is a sleeve, for example, of fluoroplastic in the form of a ring worn on a ceramic disk in contact with the emitter-coordinator and the input end face of the FS .
Известный элемент ФАР представляет собой функционально завершенный элемент отражательной ФАР. В нем втулка из фторопласта с керамическим диском непосредственно контактирует с торцом ферритового стержня и торцом излучателя-согласователя и соединена с ними клеевым соединением. Известный элемент характеризуется более высоким быстродействием и меньшим энергопотреблением. Однако известный элемент ФАР не свободен от недостатков. Это, в первую очередь, относительно большие поперечные размеры элемента. В качестве несущего элемента использован пластмассовый каркас катушки управления, к которой приклеены все другие детали, а ФС металлизирован со всех сторон, за исключением входного торца, закрепленного в отверстии металлического фланца. Такое конструктивное выполнение фазовращателя приводит к снижению быстродействия и увеличению энергии управления.The known element of the PAR is a functionally complete element of the reflective PAR. In it, a sleeve made of fluoroplastic with a ceramic disk is in direct contact with the end face of the ferrite rod and the end of the emitter-coordinator and is connected to them by an adhesive joint. Known element is characterized by higher performance and lower power consumption. However, the known PAR element is not free from disadvantages. These are, first of all, the relatively large transverse dimensions of the element. A plastic frame of the control coil is used as a supporting element, to which all other parts are glued, and the FS is metallized on all sides, except for the input end fixed in the hole of the metal flange. Such a constructive implementation of the phase shifter leads to a decrease in speed and increase control energy.
Известен элемент ФАР, совпадающий с заявляемым решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип (см. патент RU №2325741, МПК H01Q 21/00, Н01Р 1/19, опубл. 27.05.2008.). Известный элемент-прототип содержит входной и выходной диэлектрические излучатели и волноводный ферритовый фазовращатель фарадеевского типа. Фазовращатель состоит из обмотки намагничивания, расположенной внутри магнитопровода, и установленного внутри нее ФС в виде правильной N-гранной призмы с числом граней N≥4. Магнитопровод выполнен в виде П-образных скоб, расположенных по одной на каждой грани ферритового стержня. Волновод элемента ФАР образован токопроводящим покрытием боковой поверхности ФС. Имеются также два волновода излучателей, два согласующих волновода, диаметр которых больше или равен диаметру окружности, описанной вокруг поперечного сечения ФС, и два короткозамыкателя с отверстиями вдоль оси. Каждая согласующая диэлектрическая вставка выполнена в виде последовательного соосного соединения шайбы и стержня, установленных вдоль оси внутри отверстия в цилиндрическом хвостовике диэлектрического излучателя, который выполнен из материала с диэлектрической проницаемостью εи=3,8-4,2. Элемент ФАР помещен внутрь корпуса, выполненного в виде металлической гильзы, соединенной с волноводом излучателя клеевым соединением.A known element of the PAR, which coincides with the claimed solution for the largest number of essential features and adopted for the prototype (see patent RU No. 2323241, IPC H01Q 21/00, Н01Р 1/19, published on 05.27.2008.). A well-known prototype element contains input and output dielectric emitters and a Faraday-type waveguide ferrite phase shifter. The phase shifter consists of a magnetization winding located inside the magnetic circuit and a FS installed inside it in the form of a regular N-faced prism with the number of faces N≥4. The magnetic core is made in the form of U-shaped staples, one on each face of the ferrite rod. The waveguide of the PAR element is formed by a conductive coating of the FS side surface. There are also two waveguides of emitters, two matching waveguides, the diameter of which is greater than or equal to the diameter of the circle described around the FS cross section, and two short circuits with holes along the axis. Each matching dielectric insert is made in the form of a serial coaxial connection of the washer and the rod mounted along the axis inside the hole in the cylindrical shank of the dielectric emitter, which is made of a material with a dielectric constant ε and = 3.8-4.2. The PAR element is placed inside the housing, made in the form of a metal sleeve connected to the emitter waveguide by an adhesive joint.
Это малогабаритный элемент ФАР проходного типа, прочный и устойчивый к внешним воздействиям. На его основе может быть построен и элемент отражательной фазированной антенной решетки (ОФАР).This is a small-sized element of the HEADLAND type through passage, strong and resistant to external influences. Based on it, an element of a reflective phased antenna array (OFAR) can also be built.
К недостаткам прототипа относятся низкое быстродействие и высокое энергопотребление, обусловленные наличием токопроводящего покрытия на боковой поверхности ФС. Энергия, затрачиваемая на управление ВФФВ, расходуется как на изменение состояния остаточной намагниченности ферритовой среды, так и в большой мере на преодоление эффекта “короткозамкнутого витка”. Этим витком в ВФФВ является волновод, образованный токопроводящим покрытием боковой поверхности ФС. При импульсном перемагничивании ВФФВ в этом витке возникают токи проводимости, замедляющие процесс перемагничивания и увеличивающие энергопотребление от системы управления ВФФВ. Необходимость впаивать ФС в волноводную арматуру также усложняет технологический процесс изготовления элемента ФАР.The disadvantages of the prototype include low speed and high power consumption due to the presence of a conductive coating on the side surface of the FS. The energy spent on controlling the WFWF is spent both on changing the state of the remanent magnetization of the ferrite medium, and to a large extent on overcoming the effect of the "closed loop". This coil in VFVF is a waveguide formed by a conductive coating of the side surface of the FS. With a pulsed magnetization reversal of VFFV, conduction currents appear in this coil, which slow down the process of magnetization reversal and increase the energy consumption from the control system of VFFV. The need to solder FS into waveguide reinforcement also complicates the manufacturing process of the PAR element.
Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение работы элемента ФАР в отражательном режиме, повышение его быстродействия и уменьшение энергии управления.The task of the invention is to ensure the operation of the PAR element in a reflective mode, increasing its speed and decreasing control energy.
Решение поставленной задачи достигается тем, что элемент ФАР, работающий на волнах, поляризованных по кругу, содержит последовательно размещенные в корпусе диэлектрический излучатель, волновод излучателя, согласующий волновод, диэлектрическую вставку, установленную в согласующем волноводе, волноводный ферритовый фазовращатель (ВФФВ) фарадеевского типа с магнитной памятью и отражатель. ВФФВ состоит из ферритового стержня (ФС) квадратного сечения, на боковой поверхности которого нанесено первое токопроводящее покрытие, обмотки намагничивания, намотанной вокруг стержня, и магнитопровода, охватывающего обмотку. Магнитопровод выполнен в виде ферритовых скоб, расположенных по одной на каждой грани ФС. Отражатель повторяет форму поперечного сечения ФС и выполнен в виде открытого на одном конце отрезка запредельного волновода, имеющего общее с ФС первое токопроводящее покрытие боковой поверхности. Корпус выполнен в виде тонкостенной гильзы. Вдоль продольной оси одной из граней ФС и отражателя в первом токопроводящем покрытии выполнен разрез, покрытый диэлектрической полосой, на наружную поверхность которой нанесено симметричное относительно разреза второе токопроводящее покрытие. Ширина S диэлектрической полосы и ширина s второго токопроводящего покрытия удовлетворяют соотношениям:The solution of this problem is achieved by the fact that the PAR element operating on circularly polarized waves contains a dielectric emitter sequentially placed in the housing, an emitter waveguide, a matching waveguide, a dielectric insert installed in a matching waveguide, a Faraday type waveguide ferrite phase shifter (VFFV) with magnetic memory and reflector. WFWF consists of a ferrite rod (FS) of square cross section, on the side surface of which the first conductive coating is applied, magnetizing windings wound around the rod, and a magnetic circuit covering the winding. The magnetic core is made in the form of ferrite staples, one on each face of the FS. The reflector repeats the cross-sectional shape of the FS and is made in the form of a transverse waveguide open at one end of the segment and having a first conductive coating of the side surface in common with the FS. The case is made in the form of a thin-walled sleeve. Along the longitudinal axis of one of the faces of the FS and the reflector in the first conductive coating, a cut is made, covered with a dielectric strip, on the outer surface of which a second conductive coating is symmetrical with respect to the cut. The width S of the dielectric strip and the width s of the second conductive coating satisfy the relations:
S>s, мм;S> s, mm;
s=(0,8-1,2)·λ/2√ε, мм;s = (0.8-1.2) · λ / 2√ε, mm;
где λ - длина волны в свободном пространстве, мм;where λ is the wavelength in free space, mm;
ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала диэлектрической полосы.ε is the relative dielectric constant of the material of the dielectric strip.
Элемент может содержать диэлектрический каркас, размещенный между обмоткой намагничивания и боковой поверхностью ФС.The element may contain a dielectric frame located between the magnetization winding and the side surface of the FS.
Диэлектрический излучатель может быть выполнен из материала с относительной диэлектрической проницаемостью ε, равной 3,5-4,5.The dielectric emitter can be made of a material with a relative dielectric constant ε equal to 3.5-4.5.
Диэлектрическая вставка может быть выполнена из материала с относительной диэлектрической проницаемостью ε, равной 9-11, при этом она может быть составной.The dielectric insert can be made of a material with a relative dielectric constant ε equal to 9-11, while it can be composite.
ФС может быть выполнен из материала с относительной диэлектрической проницаемостью ε, равной 13-16.FS can be made of a material with a relative dielectric constant ε equal to 13-16.
Отражатель может быть выполнен из материала с относительной диэлектрической проницаемостью ε менее 7,5, например из кварца.The reflector may be made of a material with a relative permittivity ε of less than 7.5, for example, of quartz.
Общая толщина диэлектрической полосы, первого и второго токопроводящего покрытия может не превышать 0,001λ.The total thickness of the dielectric strip, the first and second conductive coatings may not exceed 0.001λ.
Выполнение разреза в токопроводящем покрытии ФС и отражателя, покрытого диэлектрической полосой и вторым токопроводящим покрытием указанной выше ширины, обеспечивает повышения быстродействия и уменьшения энергии управления элемента ФАР, поскольку разрез металлизации размыкает короткозамкнутый виток. Той же цели служит использование открытого на конце запредельного волновода в качестве отражателя, поскольку металлизация его торца замкнула бы собою виток. Первое токопроводящее покрытие на ферритовом стержне, слой примыкающего к ней диэлектрика и второе токопроводящее покрытие его наружной поверхности образуют линию передачи, подобную микрополосковой. Граница второго токопроводящего покрытия образует разрыв этой линии. На расстоянии Λ/4 от этой границы сопротивление между первым и вторым токопроводящими покрытиями делается равным нулю. Здесь Λ - длина волны в однородной среде с диэлектрической проницаемостью диэлектрической полосы (ε), т.е. Λ=λ/√ε. Это эквивалентно замыканию второго токопроводящего покрытия на диэлектрической полосе на первое токопроводящее покрытие ферритового стержня в месте ее разреза. Поскольку разрез тонкий и полоса второго металлического покрытия проходит с обеих сторон, по СВЧ-сигналу кромки разреза получаются соединенными между собой. В результате СВЧ-сигнал распространяется внутри квадратного ферритового стержня точно так же, как если бы разреза в его металлизации не было, т.е. фазовые скорости ортогональных мод остаются одинаковыми и сумма этих мод, сдвинутых по фазе на 90°, образует собственную кругополяризованную волну фарадеевского фазовращателя. Выполнение ширины второго токопроводящего покрытия меньше 0,8·λ/2√ε, равно как и увеличение ширины второго токопроводящего покрытия больше 1,2·λ/2√ε, ухудшает эффект замыкания краев разреза. Точность, с которой необходимо выдерживать этот параметр, уменьшается с уменьшением толщины диэлектрического слоя, поскольку при этом уменьшается волновое сопротивление вышеупомянутой линии передачи.The execution of the cut in the conductive coating of the FS and the reflector coated with a dielectric strip and the second conductive coating of the above width provides increased speed and reduced control energy of the PAR element, since the metallization cut opens the short-circuited coil. The same purpose is the use of an open at the end of the transcendental waveguide as a reflector, since the metallization of its end would close the coil. The first conductive coating on the ferrite core, the layer of adjacent dielectric and the second conductive coating of its outer surface form a transmission line similar to a microstrip. The boundary of the second conductive coating forms a gap in this line. At a distance Λ / 4 from this boundary, the resistance between the first and second conductive coatings is made equal to zero. Here Λ is the wavelength in a homogeneous medium with dielectric constant of the dielectric strip (ε), i.e. Λ = λ / √ε. This is equivalent to shorting the second conductive coating on the dielectric strip to the first conductive coating of the ferrite core at the point of its cut. Since the cut is thin and the strip of the second metal coating passes on both sides, according to the microwave signal, the edges of the cut are interconnected. As a result, the microwave signal propagates inside the square ferrite rod in the same way as if there were no cut in its metallization, i.e. the phase velocities of the orthogonal modes remain the same, and the sum of these modes, 90 ° out of phase, forms its own circularly polarized wave of the Faraday phase shifter. The width of the second conductive coating is less than 0.8 · λ / 2√ε, as well as the increase in the width of the second conductive coating is greater than 1.2 · λ / 2√ε, worsens the effect of closing the edges of the section. The accuracy with which this parameter must be maintained decreases with decreasing dielectric layer thickness, since the impedance of the aforementioned transmission line decreases.
Для обеспечения работы элемента ФАР в отражательном режиме в него на выходе ВФФВ установлен отражатель электромагнитной волны.To ensure the operation of the PAR element in the reflective mode, an electromagnetic wave reflector is installed at the output of the VFFV.
Элемент может содержать диэлектрический каркас, размещенный между обмоткой намагничивания и боковой поверхностью ФС. Толщина стенок каркаса выбирается минимально возможной, чтобы обеспечить гарантированный зазор между проводом обмотки и спинкой скобы магнитопровода.The element may contain a dielectric frame located between the magnetization winding and the side surface of the FS. The thickness of the walls of the frame is selected as minimal as possible to ensure a guaranteed gap between the winding wire and the back of the bracket of the magnetic circuit.
Наличие отличительных признаков позволяет сделать вывод о том, что настоящее техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна».The presence of distinctive features allows us to conclude that the present technical solution meets the condition of patentability “novelty”.
Настоящее изобретение поясняется графическими материалами, где:The present invention is illustrated in graphic materials, where:
на фиг.1 изображен в продольном разрезе заявляемый элемент ФАР;figure 1 shows a longitudinal section of the inventive element HEADLIGHTS;
на фиг.2 показан поперечный разрез в месте расположения башмаков ферритовых скоб по А-А элемента ФАР, изображенного на фиг.1;figure 2 shows a cross section at the location of the shoes of the ferrite staples along AA of the PAR element shown in figure 1;
на фиг.3 приведен поперечный разрез в увеличенном масштабе ФС с продольным разрезом в токопроводящем покрытии.figure 3 shows a cross-section on an enlarged scale FS with a longitudinal section in a conductive coating.
На фиг.1-3 обозначено: 1 - диэлектрический излучатель, 2 - волновод излучателя, 3 - согласующий волновод, 4 - диэлектрическая вставка, 5 - ФС, 6 - каркас обмотки намагничивания, 7 - обмотка намагничивания, 8 - ферритовая скоба, 9 - башмак ферритовой скобы, 10 - отражатель, 11 - первое токопроводящее покрытие, 12 - диэлектрическая полоса, 13 - второе токопроводящее покрытие, 14 - выводы обмотки намагничивания, 15 - корпус элемента ФАР, 16 - диэлектрическая заглушка-держатель, 17 - продольный разрез в первом покрытии.Figure 1-3 indicates: 1 - dielectric emitter, 2 - emitter waveguide, 3 - matching waveguide, 4 - dielectric insert, 5 - FS, 6 - magnetization coil frame, 7 - magnetization winding, 8 - ferrite bracket, 9 - ferrite bracket shoe, 10 - reflector, 11 - first conductive coating, 12 - dielectric strip, 13 - second conductive coating, 14 - magnetization winding leads, 15 - headlight element housing, 16 - dielectric holder-holder, 17 - longitudinal section in the first coating.
Элемент ФАР работает следующим образом. При падении на ФАР (на чертеже не показана) электромагнитной волны, поляризованной по кругу, от облучателя ФАР (на чертеже не показан) или из свободного пространства на вход волновода 2 диэлектрического излучателя 1 поступает электромагнитная волна, принятая диэлектрическим излучателем 1. В волноводе 2 излучателя 1 возбуждается волна типа Н11, с его выхода она поступает на вход согласующего волновода 3 с диэлектрической вставкой 4 и возбуждает в нем также волну типа Н11. С выхода согласующего волновода 3 электромагнитная волна поступает в ВФФВ элемента ФАР, который включает ФС 5, обмотку 7 намагничивания с выводами 12 и магнитопровод в виде 4 ферритовых скоб 8. При этом в металлизированном ФС 5 возбуждается волна Н10 кр, которая представляет собой суперпозицию волн Н10 и H01, сдвинутых по фазе на 90 градусов. Поскольку ФС имеет квадратное сечение, такая суперпозиция является собственной волной и остается ею при продольном намагничивании ФС. Возбужденная на входе ФС 5 волна Н10 кр распространяется по ФС 5, достигает запредельного волновода (отражателя 10), отражается от него, распространяется в обратном направлении, последовательно проходит ФС 5, согласующий волновод 3, волновод 2 излучателя 1 и излучается ДИ 1 в свободное пространство. Фаза переизлученной элементом ФАР электромагнитной волны, поляризованной по кругу, зависит от длины волны λ, размеров ДИ 1, волноводов 2 и 3, ФС 5, отражателя 10, а также от параметров материалов ДИ 1, диэлектрической вставки 4, ФС 5 и отражателя 10.The PAR element works as follows. When an electromagnetic wave polarized in a circle is incident on the headlamp (not shown), from the headlamp irradiator (not shown) or from free space, an electromagnetic wave is received at the input of waveguide 2 of dielectric emitter 1. 1, a wave of type H 11 is excited, from its output it enters the input of a matching waveguide 3 with a dielectric insert 4 and also excites a wave of type H 11 in it . From the output of the matching waveguide 3, the electromagnetic wave enters the WFVF of the PAR element, which includes the
Дополнительное изменение фазы переизлученной электромагнитной волны, например, в пределах Δφ=0°-360°, дискретно или непрерывно осуществляется в ВФФВ путем изменения параметров ферритовой среды ФС 5 при его продольном намагничивании. Продольное поле намагничивания создается в ФС 5 обмоткой намагничивания 7, запитываемой через выводы 14 от системы управления лучом ФАР или от источника питания (на рисунках не показаны). Наличие магнитопроводов 8 при плотном примыкании их пяток к ФС 5 обеспечивает сохранение намагниченности СФ 5 и при выключении тока в обмотке 7 за счет наличия гистерезиса ферритового материала ФС 5 и магнитопроводов 8, т.е. управление фазовым сдвигом ВФФВ в режиме магнитной памяти.An additional change in the phase of the reradiated electromagnetic wave, for example, within Δφ = 0 ° -360 °, is discretely or continuously carried out in the WFWW by changing the parameters of the
Выполнение разреза 17 в токопроводящем покрытии 11 ФС 5 и отражателя 8, покрытого симметричной относительно разреза диэлектрической полосой 12 и вторым токопроводящим покрытием 13, обеспечивает повышение быстродействия и уменьшение энергии управления элемента ФАР, поскольку разрез металлизации размыкает короткозамкнутый виток. Той же цели служит отсутствие металлизации торца запредельного волновода отражателя 8, поскольку она замкнула бы собою виток. Первое токопроводящее покрытие 11 на ФС 5, слой примыкающего к ней диэлектрика 12 и второе токопроводящее покрытие 13 его наружной поверхности образуют линию передачи, подобную микрополосковой. Граница второго токопроводящего покрытия 13 образует разрыв этой линии. На расстоянии Λ/4 от этой границы сопротивление между первым и вторым токопроводящими покрытиями делается равным нулю. Здесь Λ - длина волны в однородной среде с диэлектрической проницаемостью диэлектрической полосы (ε), т.е. Λ=λ/√ε. При ширине второго покрытия s=Λ/2 и его симметричном расположении относительно разреза 17 по СВЧ-сигналу происходит замыкание второго токопроводящего покрытия 13 на первое токопроводящее покрытие 11 в месте разреза 17. Поскольку разрез тонкий по СВЧ-сигналу кромки разреза 17 получаются соединенными между собой. В результате волна типа H10 кр распространяется по ФС, не меняя свою структуру. Точность, с которой необходимо выдерживать параметр s, уменьшается с уменьшением толщины диэлектрического слоя, поскольку при этом уменьшается волновое сопротивление вышеупомянутой линии передачи. Для толщины диэлектрической полосы 12 в пределах 3÷5 мкм изменение ширины второго токопроводящего покрытия 13 на более чем на 20% от величины λ/2√ε, как в меньшую, так и в большую стороны, ухудшает эффект замыкания краев разреза, что приводит к недопустимому увеличению потерь ВФФВ.The implementation of the
Для обеспечения режима магнитной памяти скобы магнитопровода 8 своими башмаками 9 должны быть прижаты к ФС с минимальными зазорами. Поэтому суммарная толщина слоев 11, 12 и 13 покрытия не должна превышать 0.001λ. Суммарная площадь сечения скоб 8 должна быть на 10-20% больше площади сечения ФС.To ensure the magnetic memory mode, the staples of the magnetic circuit 8 with their
Наличие каркаса 6 допускается, если его применение не вызывает сверхнормативного увеличения поперечных размеров ВФФВ.The presence of the frame 6 is allowed if its use does not cause an excessive increase in the transverse dimensions of the WFWF.
Размеры диэлектрического излучателя 1 выбирают из условия согласования элемента ФАР со свободным пространством или с волноводом измерительного тракта.The dimensions of the dielectric emitter 1 are selected from the condition of matching the PAR element with free space or with the waveguide of the measuring path.
Предлагаемый элемент ФАР отличается простотой изготовления отдельных деталей и блоков и сборки устройства в целом. При его изготовлении могут быть использованы нормализованные, серийно выпускаемые материалы, клеи и технологические процессы. Волновод 2 излучателя 1, согласующий волновод 3, корпус 15 элемента ФАР - тела вращения, которые могут быть легко изготовлены на высокопроизводительном оборудовании. Волновод 2 излучателя 1 и согласующий волновод 3 целесообразно изготавливать в виде единой детали в виде стакана, в дне которого вырублено квадратное окно.The proposed PAR element is characterized by the simplicity of manufacturing individual parts and blocks and the assembly of the device as a whole. In its manufacture can be used normalized, commercially available materials, adhesives and processes. The waveguide 2 of the emitter 1, the matching waveguide 3, the
Диэлектрический излучатель 1 может быть выполнен, например, из композитного материала (СВЧ-ферриты и диэлектрики / Проспект. - СПб.: ОАО «Завод Магнетон, 2001. - 20 с.) с относительной диэлектрической проницаемостью εи=3,5-4,5 и изготовлен литьем, прессованием или механической обработкой. Аналогичным образом из композитных материалов (СВЧ-ферриты и диэлектрики / Проспект.- СПб.: ОАО «Завод Магнетон, 2001. - 20 с.) могут быть изготовлены диэлектрическая вставка 4 и каркас 6 обмотки намагничивания 7.The dielectric emitter 1 can be made, for example, of a composite material (microwave ferrites and dielectrics / Prospect. - St. Petersburg: OJSC "Magneton Plant, 2001. - 20 s.) With a relative dielectric constant ε and = 3,5-4, 5 and is made by casting, pressing or machining. In the same way, composite materials (microwave ferrites and dielectrics / Prospect.-SPb .: OJSC Magneton Plant, 2001. - 20 p.) Can be used to produce a dielectric insert 4 and a magnetization winding frame 6 7.
Для изготовления ФС 5 и ферритовых скоб 8 могут быть использованы нормализованные ферритовые материалы (СВЧ-ферриты и диэлектрики / Проспект.- СПб.: ОАО «Завод Магнетон, 2001. - 20 с.), например 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.For the manufacture of
Первое токопроводящее покрытие 11 может наноситься как гальваническим осаждением, так и методом вакуумного напыления. Разрез 17 в первом токопроводящем покрытии 11 может делаться лазером. Нанесение диэлектрической полосы 12 и второго токопроводящего покрытия 13 может осуществляться методом вакуумного напыления.The first
Сборку заявляемого элемента ФАР целесообразно осуществлять клеевым соединением отдельных деталей с использованием нормализованных клеев. В частности, для клеевого соединения волновода 2 диэлектрического излучателя 1, согласующего волновода 3 и корпуса 15, корпуса 15 и заглушки 16, а также заглушки 16 и отражателя 10, в случае их изготовления в виде отдельных деталей, может быть использован эпоксидный клей марки ВК-9. Для клеевого согласующего волновода 3 и ФС 5 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.The assembly of the inventive PAR element is advisable to carry out by gluing the individual parts using normalized adhesives. In particular, for gluing the waveguide 2 of the dielectric emitter 1, the matching waveguide 3 and the
Для сборки заявляемого элемента ФАР нет необходимости разрабатывать специальные кондукторы и приспособления. Все детали, за исключением ферритового блока (образованного ФС 5 с отражателем 10, катушкой 7, каркасом 6 и магнитопроводами 8), - тела вращения, и их осевое центрирование обеспечивается выбором допусков на размеры деталей при их изготовлении. Центровка ферритового блока происходит за счет вставления ФС в квадратное окно согласующего волновода 3. Для повышения стойкости элемента ФАР к атмосферным воздействиям в дополнение к клеевым соединениям отдельных деталей, диэлектрический излучатель 1, диэлектрическая вставка 4 и ферритовый блок могут быть покрыты влагостойким лаком. Для герметизации устройства отверстия для выводов 14 обмотки 7 намагничивания могут быть заполнены герметиком.To assemble the inventive element PAR, there is no need to develop special conductors and devices. All parts, with the exception of the ferrite block (formed by
При заявляемом конструктивном выполнении элемент ФАР представляет собой прочную и жесткую конструкцию, устойчивую к внешним ударным и вибрационным механическим воздействиям. Предлагаемый элемент ФАР конструктивно прост, технологичен, его изготовление характеризуется низкой трудоемкостью и невысокой стоимостью. Для его создания в условиях серийного производства нет необходимости разрабатывать сложные технологические приспособления и использовать дорогостоящие технологические процессы, характерные для изготовления элемента ФАР, принятого за прототип.With the claimed structural embodiment, the PAR element is a solid and rigid structure, resistant to external shock and vibration mechanical stresses. The proposed PAR element is structurally simple, technologically advanced, its manufacture is characterized by low labor intensity and low cost. To create it in the conditions of mass production, there is no need to develop complex technological devices and use expensive technological processes characteristic for the manufacture of the headlamp element adopted as a prototype.
Таким образом, практическая реализация предложенного элемента ФАР не вызывает сомнений.Thus, the practical implementation of the proposed PAR element is not in doubt.
Предлагаемый элемент ФАР может быть использован в составе многоэлементной фазированной антенной решетки, выводы его обмотки намагничивания соединяются с системой управления лучом ФАР (на чертеже не показана).The proposed PAR element can be used as part of a multi-element phased antenna array, the conclusions of its magnetization winding are connected to the beam control system of the PAR (not shown).
Технический результат заключается в создании высокотехнологичного малогабаритного элемента ФАР, с малыми потерями, высоким быстродействием и низкой энергией управления, простого в изготовлении и сборке, прочного и устойчивого к внешним климатическим и механическим воздействиям.The technical result consists in creating a high-tech small-sized element of the PAR, with low losses, high speed and low control energy, easy to manufacture and assemble, durable and resistant to external climatic and mechanical influences.
Эффективность предложенного технического решения проверена экспериментально при создании элементов ФАР миллиметрового диапазона волн в полосе частот прямоугольного волновода сечением 7,2×3,4 мм2. Экспериментальный образец элемента ФАР имеет диаметр Dэ не более 0,68λ, что позволяет использовать его при создании плоских отражательных ФАР с широкоугольным электрическим сканированием луча при отклонении его от нормали к раскрытию ФАР до 45°-50°.The effectiveness of the proposed technical solution was tested experimentally when creating elements of the phased array of the millimeter wave range in the frequency band of a rectangular waveguide with a cross section of 7.2 × 3.4 mm 2 . The experimental sample of the PAR element has a diameter D e of not more than 0.68λ, which allows it to be used to create flat reflective PARs with wide-angle electric scanning of the beam when it deviates from the normal to the opening of the PAR until 45 ° -50 °.
Фазовращатель элемента ФАР создает регулируемый фазовый сдвиг Δφ=0°-400°, максимальные вносимые им потери не превышают 1,5 дБ, при этом максимальное время перефазирования не более 20 мкс, а средняя энергия управления не превышает 15 мкДж.The phase shifter of the PAR element creates an adjustable phase shift Δφ = 0 ° -400 °, the maximum losses introduced by it do not exceed 1.5 dB, while the maximum rephasing time is not more than 20 μs, and the average control energy does not exceed 15 μJ.
Claims (9)
S>s, мм;
s=(0,8-1,2)·λ/2√ε, мм;
где λ - длина волны в свободном пространстве, мм;
ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала диэлектрической полосы.1. The element of the phased antenna array (PAR), operating on circularly polarized waves, containing a dielectric emitter sequentially placed in the housing, an emitter waveguide, a matching waveguide, a dielectric insert installed in a matching waveguide, a Faraday type waveguide ferrite phase shifter (VFFV) with magnetic memory and reflector; WFWF consists of a ferrite rod (FS) of square cross section, on the side surface of which the first conductive coating is applied, magnetizing windings wound around the rod, and a magnetic circuit covering the winding, the magnetic circuit is made in the form of ferrite staples located one on each face of the FS, the reflector repeats the cross-sectional shape of the FS and made in the form of an open at one end of the segment of the transcendental waveguide having in common with the FS the first conductive coating of the side surface, the housing is made in the form of a walled sleeve, while along the longitudinal axis of one of the faces of the FS and the reflector in the first conductive coating, a cut is made, covered with a dielectric strip, on the outer surface of which a second conductive coating is symmetrical with respect to the cut, and the width S of the dielectric strip and the width s of the second conductive coating satisfy the relations :
S> s, mm;
s = (0.8-1.2) · λ / 2√ε, mm;
where λ is the wavelength in free space, mm;
ε is the relative dielectric constant of the material of the dielectric strip.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011129724/07A RU2470426C1 (en) | 2011-07-18 | 2011-07-18 | Phased antenna array element |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011129724/07A RU2470426C1 (en) | 2011-07-18 | 2011-07-18 | Phased antenna array element |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2470426C1 true RU2470426C1 (en) | 2012-12-20 |
Family
ID=49256662
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011129724/07A RU2470426C1 (en) | 2011-07-18 | 2011-07-18 | Phased antenna array element |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2470426C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2592054C1 (en) * | 2015-06-16 | 2016-07-20 | Общество с ограниченной ответственностью "ЗАВОД РУСНИТ" | Element of phased antenna array |
RU2701806C1 (en) * | 2018-06-22 | 2019-10-02 | Александр Михайлович Русанов | Active antenna array |
Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3698008A (en) * | 1971-04-22 | 1972-10-10 | North American Rockwell | Latchable, polarization-agile reciprocal phase shifter |
US3736535A (en) * | 1972-05-01 | 1973-05-29 | Raytheon Co | Phase shifting system useable in phased array for discriminating radar echoes from raindrops |
EP0325340A2 (en) * | 1988-01-19 | 1989-07-26 | Electromagnetic Sciences, Inc. | Fast switching reciprocal ferrite phase shifter |
RU2194342C1 (en) * | 2001-09-26 | 2002-12-10 | Открытое акционерное общество "Корпорация "Фазотрон - НИИР" | Phased antenna array element |
RU37877U1 (en) * | 2004-01-05 | 2004-05-10 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Феррит-Домен" | MICROWAVE FERRITE PHASTER FOR REFLECTIVE HEADLIGHTS |
RU2237324C1 (en) * | 2003-05-22 | 2004-09-27 | Открытое акционерное общество "Корпорация "Фазотрон-Научно-исследовательский институт радиостроения" | Phased array aerial element |
RU2249281C2 (en) * | 2003-05-22 | 2005-03-27 | Колесников Валерий Львович | Phased-array antenna element |
RU62741U1 (en) * | 2006-12-05 | 2007-04-27 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Алмаз" имени академика А.А. Расплетина" | ANTENNA ELEMENT OF THROUGH PHASED ANTENNA ARRAY |
RU2325741C1 (en) * | 2006-10-06 | 2008-05-27 | Государственное унитарное предприятие "Конструкторское бюро приборостроения" | Phased antenna array element |
-
2011
- 2011-07-18 RU RU2011129724/07A patent/RU2470426C1/en active IP Right Revival
Patent Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3698008A (en) * | 1971-04-22 | 1972-10-10 | North American Rockwell | Latchable, polarization-agile reciprocal phase shifter |
US3736535A (en) * | 1972-05-01 | 1973-05-29 | Raytheon Co | Phase shifting system useable in phased array for discriminating radar echoes from raindrops |
EP0325340A2 (en) * | 1988-01-19 | 1989-07-26 | Electromagnetic Sciences, Inc. | Fast switching reciprocal ferrite phase shifter |
RU2194342C1 (en) * | 2001-09-26 | 2002-12-10 | Открытое акционерное общество "Корпорация "Фазотрон - НИИР" | Phased antenna array element |
RU2237324C1 (en) * | 2003-05-22 | 2004-09-27 | Открытое акционерное общество "Корпорация "Фазотрон-Научно-исследовательский институт радиостроения" | Phased array aerial element |
RU2249281C2 (en) * | 2003-05-22 | 2005-03-27 | Колесников Валерий Львович | Phased-array antenna element |
RU37877U1 (en) * | 2004-01-05 | 2004-05-10 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Феррит-Домен" | MICROWAVE FERRITE PHASTER FOR REFLECTIVE HEADLIGHTS |
RU2325741C1 (en) * | 2006-10-06 | 2008-05-27 | Государственное унитарное предприятие "Конструкторское бюро приборостроения" | Phased antenna array element |
RU62741U1 (en) * | 2006-12-05 | 2007-04-27 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Алмаз" имени академика А.А. Расплетина" | ANTENNA ELEMENT OF THROUGH PHASED ANTENNA ARRAY |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2592054C1 (en) * | 2015-06-16 | 2016-07-20 | Общество с ограниченной ответственностью "ЗАВОД РУСНИТ" | Element of phased antenna array |
RU2701806C1 (en) * | 2018-06-22 | 2019-10-02 | Александр Михайлович Русанов | Active antenna array |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4822262B2 (en) | Circular waveguide antenna and circular waveguide array antenna | |
US6972727B1 (en) | One-dimensional and two-dimensional electronically scanned slotted waveguide antennas using tunable band gap surfaces | |
WO2012071340A1 (en) | Antenna module having reduced size, high gain, and increased power efficiency | |
RU2325741C1 (en) | Phased antenna array element | |
Yi et al. | Traveling-wave series-fed patch array antenna using novel reflection-canceling elements for flexible beam | |
EP1196962B1 (en) | Tuneable spiral antenna | |
CN104752820A (en) | Back-cavity slot antenna array | |
Yi et al. | Wideband substrate integrated waveguide fed open slot antenna array | |
RU2461930C2 (en) | Module of phased transmissive antenna array | |
Yang et al. | Design of wideband circularly polarized antenna array excited by substrate integrated coaxial line for millimeter-wave applications | |
RU2470426C1 (en) | Phased antenna array element | |
RU166140U1 (en) | PHASE ANTENNA ARRANGEMENT ELEMENT | |
US4691208A (en) | Ferrite waveguide scanning antenna | |
RU2357337C1 (en) | Flat cavity antenna (versions) | |
Zong et al. | Wide-angle frequency-scanning array antenna using dual-layer finger connected interdigital capacitor based CRLH unit cell | |
Abdulmajid et al. | Higher order mode layered cylindrical dielectric resonator antenna | |
Yamaguchi et al. | Inclined slot array antennas on a hollow rectangular coaxial line | |
Lee et al. | A study on the enhancement of gain and axial ratio bandwidth of the multilayer CP-DRA | |
Manoochehri et al. | A substrate integrated waveguide slot array with voltage-controlled liquid crystal phase shifter | |
RU2439759C1 (en) | Element of phased antenna array | |
Gharbi et al. | High gain patch antenna array using dielectric superstrate for the 5G applications | |
RU187274U1 (en) | PASS ANTENNA ELEMENT | |
US5231411A (en) | One piece millimeter wave phase shifter/antenna | |
RU109336U1 (en) | PHASE ANTENNA ARRANGEMENT ELEMENT | |
WO2016176717A1 (en) | Improved dielectric rod antenna |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160719 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20170210 |