приемопередающий элемент фазированной антенной решетки

Формула изобретения

1. 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.

2. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что общий отрезок металлизированного круглого волновода выполнен в виде медной пленки толщиной 1,1-1,5 мкм.

3. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что продольные диаметрально расположенные прорези в стенках общего отрезка металлизированного круглого волновода, прилегающих к цилиндрическому ферритовому стержню, имеют ширину 0,1-0,3 мм и длину, не превышающую длины ферритового стержня, на поверхность общего отрезка металлизированного круглого волновода нанесен слой диэлектрика толщиной 4-6 мкм, на поверхность которого над каждой из упомянутых прорезей с перекрытием их по длине и по азимутальному углу в секторе 90^o нанесен слой меди толщиной 1,1-1,3 мкм в форме прямоугольника с прямоугольными вырезами в углах, поверхность которого покрыта слоем хрома или никеля толщиной менее 0,5 мкм.

4. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что цилиндрический ферритовый стержень выполнен из феррита с диэлектрической проницаемостью = 14-17.

5. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что согласующие шайбы выполнены из материала, например ситалла, с диэлектрической проницаемостью = 9-11.

6. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что диэлектрические излучатели выполнены из материала, например ситалла, с диэлектрической проницаемостью = 7,15-7,35.

7. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что длины диэлектрических излучателей выбраны из условия обеспечения требуемых механической прочности и жесткости полотна антенной системы.

8. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что свободные концы диэлектрических излучателей имеют конусообразную форму.

9. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что свободные концы диэлектрических излучателей имеют цилиндрическую форму.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к антенной технике, в частности к фазовращателям приемопередающих элементов, и может быть использовано в крупногабаритных проходных фазированных антенных решетках (ФАР) СВЧ-диапазона с электрическим сканированием луча.

Известен элемент отражательной ФАР, содержащий излучатель, выполненный в виде ферритового стержня, который концентрично охвачен проводящим экраном, выполненным в виде нескольких равномерно расположенных по цилиндрической поверхности неперекрывающихся продольных полосок из магнитного материала, вокруг каждой из которых намотан соленоид, причем продольные полоски соединены с одного конца с торцом ферритового стержня проводящей пластиной из магнитного материала, а с другого конца - с боковой поверхностью ферритового стержня при помощи перемычек из магнитного материала (Авторское свидетельство СССР 1106391, кл. Н 01Q 21/00, 1985).

Описанный элемент обладает большими потерями СВЧ-энергии, обусловленными плохой согласованностью ферритового стержня с пространством из-за того, что диэлектрическая постоянная феррита находится в пределах 12-17, а также излучениями, возникающими в местах подсоединения магнитопроводов к поверхности ферритового стержня. Кроме того, в проводящих полосках возникают вихревые токи, следствием чего являются дополнительные потери управляющей энергии и уменьшение быстродействия. Недостатком данного элемента является и то, что, с целью устранения резонансов по высшим типам волн, использован ферритовый стержень уменьшенного диаметра для того, чтобы в нем могла распространяться только волна Н₁₁. Поэтому для получения заданного фазового сдвига он должен иметь большую длину, что ведет к увеличению потерь.

Наиболее близким к заявленному изобретению (его прототипом) является элемент ФАР, в котором снижение уровня СВЧ-потерь достигнуто за счет уменьшения рассеяния электромагнитной волны. Известный элемент ФАР содержит намагничивающую обмотку, диэлектрические излучатели, примыкающие к торцам цилиндрического ферритового стержня, аксиально которому расположены идентичные продольные полоски из магнитного непроводящего материала, концы каждой из которых соединены с боковой поверхностью цилиндрического ферритового стержня посредством первых перемычек из магнитного непроводящего материала. На каждом конце продольных полосок выполнены симметрично продольной оси прямоугольные вырезы, которые соединены с боковой поверхностью цилиндрического ферритового стержня посредством вторых перемычек, идентичных первым. Все перемычки выполнены в виде цилиндрических башмаков, площадь поперечного сечения каждого из которых выбрана равной 0,09²/, а расстояние между их идентичными боковыми поверхностями в направлении продольной оси цилиндрического ферритового стержня выбрано равным 0,25_c, где _c- средняя длина поверхностной волны, распространяющейся вдоль ферритового стержня, - средняя длина волны в свободном пространстве, - относительная диэлектрическая проницаемость материала башмака (Авторское свидетельство СССР 1688335, кл. Н 01Q 21/00, Н 01Р 1/19, 1991).

Причинами, препятствующими достижению указанного ниже технического результата при использовании известного элемента ФАР, являются его малый продольный габаритный размер и то, что цилиндрический ферритовый стержень не имеет металлизированного покрытия. При использовании таких элементов в крупногабаритных проходных ФАР (с числом элементов, превышающим 1000 шт.) полотно антенной системы будет иметь малый размер в глубину и испытывать значительные по амплитуде колебания под действием ветровых нагрузок, действующих по нормали к его поверхности. Это приводит к нестабильности и существенному снижению точности работы ФАР. Если для устранения этого недостатка (путем увеличения толщины полотна антенной системы) применить удлиняющие волноводные отрезки, то в местах соединения поверхности цилиндрического ферритового стержня с концом металлизированного волноводного канала возникнут большие потери СВЧ-энергии. К этому же результату приведет и простое увеличение длины цилиндрического ферритового стержня.

Задачей настоящего изобретения является увеличение продольных габаритных размеров приемопередающих элементов ФАР без существенных потерь СВЧ-энергии в них, что позволяет обеспечить заданные стабильность и точность работы крупногабаритных ФАР независимо от ветровых и других нагрузок на полотно антенной системы, а также возможность размещения в нем устройств управления элементами ФАР и отвода тепла от них.

Указанный технический результат достигается тем, что приемопередающий элемент ФАР содержит 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 в ее верхней части по оси симметрии, внутренние поверхности башмаков отшлифованы с высоким классом точности и плотно прижаты к поверхности общего отрезка металлизированного круглого волновода.

Общий отрезок металлизированного круглого волновода выполнен в виде медной пленки толщиной 1,1-1,5 мкм.

Продольные диаметрально расположенные прорези в стенках общего отрезка металлизированного круглого волновода, прилегающих к цилиндрическому ферритовому стержню, имеют ширину 0,1-0,3 мм и длину, не превышающую длины ферритового стержня, на поверхность общего отрезка металлизированного круглого волновода нанесен слой диэлектрика толщиной 4-6 мкм, на поверхность которого над каждой из упомянутых прорезей с перекрытием их по длине и по азимутальному углу в секторе 90^o нанесен слой меди толщиной 1,1-1,3 мкм в форме прямоугольника с прямоугольными вырезами в углах, поверхность которого покрыта слоем хрома или никеля толщиной менее 0,5 мкм.

Цилиндрический ферритовый стержень выполнен из феррита с диэлектрической проницаемостью = 14-17, согласующие шайбы выполнены из материала, например ситалла, с диэлектрической проницаемостью = 9-11, диэлектрические излучатели выполнены из материала, например ситалла, с диэлектрической проницаемостью = 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.

Решение поставленной задачи и достижение технического результата при использовании заявленного приемопередающего элемента ФАР обусловлено следующими причинами. Использование комбинированного феррит-ситаллового стержня с металлизированным покрытием как волноводного канала с оптимальным по добротности диаметром позволяет подобрать необходимую длину волноводной части элемента и, соответственно, толщину полотна ФАР, обеспечивающую требуемые его механическую прочность и жесткость, что, в свою очередь, обеспечивает стабильность и точность работы ФАР, а также возможность размещения в полотне антенны устройств управления приемопередающими элементами и теплоотвода. Продольные прорези в стенках общего отрезка металлизированного круглого волновода, прилегающих к ферритовому стержню, предотвращают возникновение вихревых токов, что уменьшает потери энергии на управление и увеличивает быстродействие. Канавки, выполненные на поверхностях диэлектрических излучателей, эффективно снижают отражение СВЧ-волн от концов общего отрезка металлизированного круглого волновода и обеспечивают согласование диэлектрических излучателей с пространством, что также снижает общие потери СВЧ-энергии Наличие пазов, выполненных в верхней части по оси симметрии опорных поверхностей башмаков магнитопроводов, обеспечивает азимутальную симметрию подмагничивающего магнитного поля и тем самым способствует уменьшению резонансных пиков потерь СВЧ-энергии на высших типах волн

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлены общий вид приемопередающего элемента ФАР с разрезом и его боковая проекция; на фиг. 2 - сечение А-А; на фиг. 3 - фрагмент устройства цилиндрического ферритового стержня; на фиг. 4 - петля гистерезиса намагничивания магнитопровода фазовращателя.

Заявленный приемопередающий элемент ФАР (фиг. 1) содержит цилиндрический ферритовый стержень 1, к торцам которого последовательно примыкают согласующие диэлектрические шайбы 2 и диэлектрические излучатели 3. Все указанные детали выполнены с одинаковым диаметром, жестко соединены между собой, например с помощью клея, и заключены в общий отрезок круглого металлизированного волновода 4. Волновод может быть получен путем напыления или гальванического нанесения слоя металла, например меди, толщиной 1,l-1,5 мкм на поверхность цилиндрического ферритового стержня 1, согласующих диэлектрических шайб 2 и большую часть поверхности диэлектрических излучателей 3 за исключением их свободных концов. Цилиндрический ферритовый стержень 1 выполнен из феррита с диэлектрической проницаемостью = 14-17. Согласующие диэлектрические шайбы 2 выполнены из материала, например ситалла, с диэлектрической проницаемостью = 9-11, а диэлектрические излучатели 3 выполнены из материала, например ситалла, с диэлектрической проницаемостью = 7,15-7,35.

Длины L₁ и L₂ диэлектрических излучателей 3 зависят от конструктивных особенностей конкретной 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. L₁ и L₂ могут быть равными или различными Например, диэлектрические излучатели 3, свободные концы которых обращены к облучателю ФАР, могут быть короче диэлектрических излучателей 3, обращенных в сторону свободного пространства, и наоборот. Свободные концы диэлектрических излучателей 3 могут иметь конусообразную или цилиндрическую форму. Возможны варианты, когда один из концов диэлектрических излучателей 3 имеет конусообразную форму, а другой - цилиндрическую. Для согласования диэлектрического излучателя 3 с пространством на его поверхности вблизи свободного конца на определенном расстоянии l от конца общего отрезка круглого металлизированного волновода 4 выполнена замкнутая по окружности канавка 5 конического профиля, на поверхность которой нанесено металлизированное покрытие. Ширина, глубина и расстояние l от канавки 5 до конца общего отрезка круглого металлизированного волновода 4 определяются экспериментально из условия минимизации отражения СВЧ-энергии от конца волновода внутрь диэлектрического стержня.

Для предотвращения возникновения вихревых токов и обеспечения необходимого быстродействия устройства в стенках общего отрезка металлизированного круглого волновода 4, прилегающих к цилиндрическому ферритовому стержню 1, выполнены две продольные диаметрально расположенные прорези-щели 6 шириной 0,1-0,3 мм (фиг. 2 и 3), длина которых не превышает длины цилиндрического ферритового стержня 1. Для уменьшения потерь СВЧ-энергии на излучение в этом месте на поверхность общего отрезка металлизированного круглого волновода нанесен слой диэлектрика 7 толщиной 4-6 мкм, а на его поверхность над прорезями 6 с перекрытием их по длине и по азимутальному углу в секторе 90^o нанесен слой меди 8 толщиной 1,1-1,3 мкм. Слой меди 8 имеет форму прямоугольника с прямоугольным вырезом в каждом углу, благодаря чему концы прорезей 6 прикрываются прямоугольными оконечностями 14. Для защиты от коррозии медного слоя 8 его поверхность покрыта слоем хрома или никеля толщиной порядка 0,5 мкм, который, в свою очередь, покрыт тонким слоем защитного лака (на чертежах не показаны).

Намагничивающая обмотка 9 катушки управления намотана на бумажный каркас 10 и надета на цилиндрический ферритовый стержень 1, располагаясь над прорезями 6 в стенках общею отрезка металлизированного круглого волновода 4. Сверху намагничивающей обмотки 9 расположены два магнитопровода, выполненные в виде П-образных скоб, каждая из которых содержит продольную пластину 11 и башмаки 12. Внутренняя поверхность продольных пластин 11 имеет цилиндрическую форму (фиг. 2). Опорные поверхности башмаков 12 выполнены по форме окружности общего отрезка металлизированного круглого волновода 4. В верхней части опорной поверхности башмаков 12 пo оси симметрии выполнен паз 13, ширина которого превышает ширину оконечности 14 медного слоя 8 (см. проекцию фиг. 1) Пазы 13 предназначены для обеспечения азимутальной симметрии подмагничивающего магнитного поля, благодаря чему уменьшаются резонансные пики потерь СВЧ-энергии на высших типах волн. Продольные пластины 11 П-образных скоб располагаются над прорезями 6 в стенках общего отрезка металлизированного круглого волновода 4 С помощью бандажа 15 (например, пропитанной лаком прочной нити) опорные поверхности башмаков 12, которые должны быть отшлифованы с высоким классом точности, плотно прижаты к боковой поверхности общего отрезка металлизированного круглого волновода 4 так, чтобы зазор между ними не превышал 30 мкм. При этом благодаря вырезам в углах прямоугольного медного слоя 8 и наличию пазов 13 в опорных поверхностях башмаков 12 последние не перекрывают медный слой 8 и расположены над ним на определенном расстоянии. Магнитопроводы выполнены из материала с низкой коэрцетивной силой порядка 0,35 эрстед.

Конструктивно цилиндрический ферритовый стержень 1, намагничивающая обмотка 9 и магнитопроводы образуют управляемый фазовращатель. Намагничивающая обмотка 9 состоит из двух одинаковых обмоток (путем намотки двойным проводом): обмотки набора фазы фазовращателя и обмотки установки фазы в нулевое состояние. Эти обмотки подключены к устройству управления приемопередающим элементом ФАР.

Описанный приемопередающий элемент ФАР работает следующим образом.

На входной (первый) диэлектрический излучатель 3 элемента ФАР подает электромагнитные волны СВЧ-излучения с круговой поляризацией. В начальный момент времени на обмотку установки фазы в нулевое состояние намагничивающей обмотки 9 подается прямоугольный импульс постоянного напряжения заданной длительности. Этот импульс переводит магнитную систему фазовращателя в состояние, соответствующее магнитной индукции В_г (фиг. 4, где В_г - остаточная индукция петли гистерезиса магнитной системы). Затем на обмотку набора фазы намагничивающей обмотки 9 подается импульс постоянного напряжения определенной длительности, который переводит магнитную систему фазовращателя в состояние, соответствующее магнитной индукции В₁. Изменение индукции B₁ = B_г- B₁ приводит к изменению свойств среды, что обуславливает фазовый сдвиг у распространяющихся в волноводе СВЧ-колебаний. Этот фазовый сдвиг пропорционален величине B₁. Подбирая определенные длительности импульсов, можно получить любые дискретные фазы, например 7 дискретных состояний по фазе 45, 90, 135, 180, 225, 270 и 315^o. Перед получением каждого нового фазового состояния необходимо подавать импульс обнуления. При подаче импульса обнуления или набора фазы в намагничивающей обмотке 9 протекает ток, который создает в цилиндрическом ферритовом стержне 1 магнитное поле с соответствующим значением магнитной индукции. После окончания действия импульса и прекращения тока индукция сохраняется, т.к. используемый в устройстве феррит обладает магнитной памятью, а зазор между башмаками 12 магнитопроводов и боковой поверхностью волновода 4, в котором находится цилиндрический ферритовый стержень 1, очень мал, порядка 30 мкм. Этим обеспечивается сохранение памяти магнитной цепи. Влияние вихревых токов, возникающих в стенках волновода 4, вследствие наличия в них прорезей 6 весьма незначительно. Поэтому система перемагничивается за время порядка 15 мксек.

Пройдя через фазовращатель и получив соответствующий фазовый сдвиг, СВЧ-энергия распространяется в металлизированном волноводе и излучается в пространство через выходной (второй) диэлектрический излучатель 3 элемента ФАР. При этом благодаря наличию согласующих диэлектрических шайб 2, установленных между ферритовым фазовращателем и диэлектрическими излучателями, и канавок 5 обеспечиваются минимальные потери СВЧ-энергии, связанные с возникновением отражений.

Заявленный элемент ФАР выгодно отличается от известных конструкций тем, что длина его стержня подбирается с учетом конкретных размеров, требований механической прочности и жесткости полотна антенной системы без ущерба качества и эффективности его работы. Это позволяет строить крупногабаритные полотна антенных систем с использованием ребер жесткости и усиливающих панелей, между которыми монтируются устройства управления приемопередающими элементами ФАР, а также устройства отвода тепла.