Антенный элемент фазированной антенной решетки
Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в антенных системах СВЧ диапазона с ферритовыми фазовращателями для управления переключением различных поляризаций в любой последовательности. Изобретение решает задачу создания дешевого эффективного, малогабаритного, технологичного, с малым потреблением энергии и малым временем переключения антенного элемента для фазированной антенной решетки малого веса с большим углом сканирования луча. Антенный элемент фазированной антенной решетки содержит фазовращатель круговой поляризации с обмоткой управления и ферритовыми магнитопроводами, симметрично установленными на участке металлизированного ферритового стержня круглого сечения, образующего волновод круглого сечения, соединенный через волноводный переход длиной не менее 
/8 с управляемым переключателем поляризации, включающем участок металлизированного ферритового стержня квадратного сечения, образующий волновод квадратного сечения, и расположенные на его сторонах магнитопроводы, имеющие пазы для фиксации катушки управления переключением поляризации. С целью уменьшения габаритов предлагается применить иную форму металлизированного стержня, в которой размеры квадратного сечения не превышают размер круглого сечения, и магнитопроводы в форме прямоугольного параллелепипеда, что позволит уменьшить шаг решетки. Техническим результатом является создание малогабаритного быстродействующего технологичного антенного элемента, содержащего в едином исполнении фазовращатель, работающий на волне круговой поляризации в продольном магнитном поле, с переключателем поляризации, создающим две линейные ортогональные поляризации. Антенный элемент имеет низкую стоимость, более компактную конструкцию, удобен в эксплуатации, технологичен в изготовлении. Малый вес, малое потребление энергии, низкие потери, высокое быстродействие и возможность работы с управляемым переключением поляризации в любой последовательности позволяют эффективно применить предлагаемый антенный элемент в современных РЛС. 6 з.п. ф-лы. 6 ил.
Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в антенных системах СВЧ диапазона с ферритовыми фазовращателями для управления переключением различных поляризаций в любой последовательности.
Известны фарадеевские переключатели поляризации, имеющие металлизированный ферритовый стержень с катушкой управления (см. В.Н. Боголюбов и др. "Управляемые ферритовые устройства СВЧ", М.: Советское радио, 1972, с.36-39).
Однако они работают в том случае, когда на входе имеется линейная поляризация, и таким образом не позволяют иметь на выходе круговую поляризацию.
Известен антенный элемент, содержащий фазовращатель, работающий на круговой поляризации, включающий металлизированный ферритовый стержень с обмоткой управления, и переключатель поляризации, включающий металлизированный ферритовый стержень квадратного сечения, образующий волновод квадратного сечения, и расположенные на его сторонах магнитопроводы с угловыми пазами для фиксации катушки управления (переключением поляризации), выполненной с одной обмоткой, проходящей последовательно через все пазы с выходом на внешнюю поверхность магнитопроводов (см. патент США № 3753160, МКИ Н 01 Р 1/19, публ. 14.08.73 г.).
Известен антенный элемент фазированной антенной решетки, содержащий фазовращатель круговой поляризации с обмоткой управления и ферритовыми магнитопроводами, включающий участок металлизированного ферритового стержня круглого сечения, образующий волновод круглого сечения, соединенный через волноводный переход длиной не менее /8, где - длина волны в свободном пространстве, с управляемым переключателем поляризации, включающем другой более широкий участок металлизированного ферритового стержня квадратного сечения, образующий волновод квадратного сечения, и расположенные на нем магнитопроводы с сечением в форме равнобедренной трапеции, имеющие пазы с размерами не более /20 для фиксации катушки управления переключением поляризации, выполненной с по меньшей мере двумя обмотками, расположенными внутри указанных пазов с возможностью обеспечения управляемого перехода с одного вида поляризации на другой в любой последовательности (см. патент РФ №2194342, МПК Н 01 Р 1/19, публ. 2002 г.).
Известные технические решения имеют сложную нетехнологичную конструкцию, что увеличивает стоимость, габариты и вес антенного элемента.
Изобретение решает задачу создания дешевого эффективного, малогабаритного, технологичного, с малым потреблением энергии и малым временем переключения антенного элемента для фазированной антенной решетки малого веса с большим углом сканирования луча, работающего с возможностью управляемого переключения различных видов поляризаций (на практике применяется обычно три вида поляризации - две линейных ортогональных и круговая - левая или правая), что имеет большое значение при создании РЛС для увеличения их потенциала, для улучшения распознавания целей и увеличения помехозащищенности. Увеличение сектора сканирования луча антенны происходит из-за увеличения количества антенных элементов (уменьшение шага). При этом в случае, когда антенные элементы расположены близко друг от друга, между ними возникает взаимодействие, что приводит к искажению диаграммы направленности антенны. Для уменьшения полей рассеяния и исключения взаимодействия магнитного поля, обмотки управления переключателя поляризации экранируются магнитопроводами переключателя (что исключает их взаимовлияние, так как магнитное поле обмотки управления экранируется магнитопроводами переключателя).
Большое значение в элементах антенной решетки имеют габариты конструкции. С целью уменьшения габаритов предлагается применить иную форму металлизированного стержня, в которой размеры квадратного сечения не превышают размер круглого сечения, и магнитопроводы в форме прямоугольного параллелепипеда, что позволит уменьшить шаг решетки.
Сущность изобретения в создании малогабаритного эффективного быстродействующего технологичного антенного элемента, содержащего в едином исполнении фазовращатель, работающий на волне круговой поляризации в продольном магнитном поле, с переключателем поляризации, создающим две линейные ортогональные поляризации.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в антенном элементе фазированной антенной решетки, содержащем фазовращатель круговой поляризации с обмоткой управления и ферритовыми магнитопроводами, включающий участок металлизированного ферритового стержня круглого сечения, образующий волновод круглого сечения, соединенный через волноводный переход длиной не менее /8 с управляемым переключателем поляризации, включающем участок металлизированного ферритового стержня квадратного сечения, образующий волновод квадратного сечения, и расположенные на его сторонах магнитопроводы, имеющие пазы для фиксации катушки управления переключением поляризации, выполненной с по меньшей мере двумя обмотками, расположенными внутри указанных пазов с возможностью обеспечения управляемого перехода с одного вида поляризации на другой в любой последовательности, размер диагонали квадратного сечения соответствующего участка металлизированного стержня не более диаметра участка металлизированного ферритового стержня круглого сечения.
Целесообразно фазовращатель круговой поляризации и управляемый переключатель поляризации выполнить на одном общем металлизированном ферритовом стержне с соответствующими участками круглого и квадратного сечения.
Предпочтительно участок квадратного сечения выполнить в виде сужения на общем металлизированном ферритовом стержне круглого сечения.
Предпочтительно каждый магнитопровод выполнить в виде прямоугольного параллелепипеда с пазом на широкой грани, образующим с соответствующей прилегающей поверхностью участка металлизированного ферритового стержня квадратного сечения канал для фиксации катушки управления переключением поляризации.
Целесообразно размеры, в том числе длину и высоту, пазов магнитопроводов выполнить не более /20, где - длина волны в свободном пространстве.
Предпочтительно по меньшей мере две обмотки катушки управления расположить внутри пазов магнитопроводов ниже внешней верхней их поверхности.
Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволяет установить, что заявителями не обнаружены технические решения, характеризующиеся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных (по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату) отличительных признаков в заявляемом объекте, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству. Сведений об известности отличительных признаков в совокупностях признаков известных технических решений с достижением такого же, как у заявляемого устройства, положительного эффекта не имеется. На основании этого сделан вывод, что предлагаемое техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".
На фиг.1 показан антенный элемент, выполненный согласно изобретению, в прямоугольной изометрической проекции; на фиг.2 показана конфигурация катушки управления; на фиг.3 показан антенный элемент в разрезе; на фиг.4 показан управляемый переключатель поляризации в сечении (сечение А-А на фиг.3); на фиг.5 показан металлизированный ферритовый стержень для антенного элемента на фиг.3; на фиг.6 показана петля гистерезиса для объяснения работы управляемого переключателя поляризации.
Антенный элемент фазированной антенной решетки содержит фазовращатель круговой поляризации с обмоткой 1 управления и ферритовыми магнитопроводами 2, симметрично установленными на участке 3 металлизированного ферритового стерженя круглого сечения, образующего волновод круглого сечения, соединенный через волноводный переход 4 длиной (S) не менее /8 с управляемым переключателем поляризации, включающим участок 5 металлизированного ферритового стержня квадратного сечения, образующий волновод квадратного сечения, и расположенные на его сторонах магнитопроводы 6, имеющие пазы 7 для фиксации катушки 8 управления переключением поляризации, выполненной с по меньшей мере двумя обмотками - обмоткой 9 сброса и обмоткой 10 набора, расположенными внутри указанных пазов 7 ниже внешней верхней поверхности магнитопроводов 6 с возможностью обеспечения управляемого перехода с одного вида поляризации на другой в любой последовательности, и общим выводом 11. Длина (L) участка 5 металлизированного ферритового стержня квадратного сечения (фиг.3) не менее длины (I) расположенных на нем магнитопроводов 6 управляемого переключателя поляризации, размер (С) диагонали его квадратного сечения не более диаметра (D) участка 3 металлизированного ферритового стержня круглого сечения, размер (а) его стороны не менее ширины (b) указанных магнитопроводов 6.
При этом фазовращатель круговой поляризации и управляемый переключатель поляризации имеют общий металлизированный ферритовый стержень с участками 3, 5 соответственно круглого и квадратного сечения. При таком выполнении участок 5 квадратного сечения технологически выполнен в виде сужения на общем металлизированном ферритовом стержне круглого сечения (фиг.5).
Каждый магнитопровод 6 выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда с пазом 7 на широкой грани, образующим с соответствующей прилегающей поверхностью участка 5 металлизированного ферритового стержня квадратного сечения канал для фиксации катушки 8 управления переключением поляризации. Размеры, в том числе длина (d) и высота (h), пазов 7 магнитопроводов 6 не более /20, где - длина волны в свободном пространстве.
Катушка 8 управления переключением поляризации выполнена последовательным неоднократным прохождением ее обмоток 9, 10 через пазы 7 магнитопроводов 6, расположенных на смежных сторонах участка 5 металлизированного ферритового стержня квадратного сечения, с образованием многовитковой намотки, выполненной вне верхней и боковой поверхностей магнитопроводов 6.
В катушке 8 управления переключением поляризации обмотки 9, 10 выполнены в виде жгута.
Антенный элемент на входе может быть сопряжен со статическим поляризатором, состоящим из постоянных магнитов 12 и металлического шунта 13 (например, из пермалоя). Другой конец металлизированного ферритового стержня может быть сопряжен с антенным излучателем, состоящим из двух керамических дисков 14, 15 и металлического корпуса 16 (фиг.3).
Таким образом, антенный элемент содержит в едином конструктиве фазовращатель и переключатель поляризации, его основу составляют один общий металлизированный ферритовый стержень с круглым и квадратным сечением на соответствующих его участках 3, 5. Переключатель поляризации состоит из более узкого участка 5 металлизированного ферритового стержня квадратного сечения, катушки 8 управления и четырех магнитопроводов 6 (по форме представляющие собой параллелепипеды), установленных на четырех гранях участка 5 металлизированного ферритового стержня. Катушка 8 управления переключателя поляризации создает квадрупольное намагничивание и имеет две обмотки 9, 10 - сброса и набора, которые экранируются магнитопроводами 6.
Одной из особенностей данной конструкции является отсутствие дроссельных щелей в металлизированном слое ферритового стержня, что значительно снижает трудоемкость изготовления антенного элемента и уменьшает его стоимость.
Антенный элемент работает следующим образом.
На вход элемента подается волна с линейной поляризацией, которая преобразуется в волну с круговой поляризацией с помощью статического поляризатора, состоящего из постоянных магнитов 12 и металлического шунта 13.
Переключатель поляризации работает следующим образом.
Подается напряжение на обмотку 9 сброса и магнитная система устанавливается в положение -В (фиг.6). Затем подается импульс на обмотку 10 набора заданной длительности и система переходит в состояние работы с сигналами линейной поляризацией, соответствующее положению I на фиг.6. Если подают другую длительность импульса, получается состояние II, соответствующее состоянию круговой поляризации. При подаче импульса напряжения большей длительности имеем ортогональную поляризацию (состояние III на фиг.6). Переход в различные состояния (фиг.6) можно осуществлять в различной последовательности, например, начать с состояния II, затем перейти в состояние I или III. Антенный элемент имеет низкую стоимость, более компактную конструкцию, удобен в эксплуатации, технологичен в изготовлении. Малый вес, малое потребление энергии, низкие потери, высокое быстродействие и возможность работы с управляемым переключением поляризации в любой последовательности позволяют эффективно применить предлагаемый антенный элемент в современных РЛС.
Формула изобретения
1. Антенный элемент фазированной антенной решетки, содержащий фазовращатель круговой поляризации с обмоткой управления и ферритовыми магнитопроводами, включающий участок металлизированного ферритового стержня круглого сечения, образующий волновод круглого сечения, соединенный через волноводный переход длиной не менее /8 с управляемым переключателем поляризации, включающим участок металлизированного ферритового стержня квадратного сечения, образующий волновод квадратного сечения, и расположенные на его сторонах магнитопроводы, имеющие пазы для фиксации катушки управления переключением поляризации, выполненной с по меньшей мере двумя обмотками, расположенными внутри указанных пазов с возможностью обеспечения управляемого перехода с одного вида поляризации на другой в любой последовательности, отличающийся тем, что размер диагонали квадратного сечения соответствующего участка металлизированного стержня не более диаметра участка металлизированного ферритового стержня круглого сечения.
2. Антенный элемент по п.1, отличающийся тем, что фазовращатель круговой поляризации и управляемый переключатель поляризации имеют общий металлизированный ферритовый стержень с соответствующими участками круглого и квадратного сечения.
3. Антенный элемент по п.1 или 2, отличающийся тем, что участок квадратного сечения выполнен в виде сужения на общем металлизированном ферритовом стержне круглого сечения.
4. Антенный элемент по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что каждый магнитопровод выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда с пазом на широкой грани, образующим с соответствующей прилегающей поверхностью участка металлизированного ферритового стержня квадратного сечения канал для фиксации катушки управления переключением поляризации.
5. Антенный элемент по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что размеры, в том числе длина и высота, пазов магнитопроводов не более /20, где - длина волны в свободном пространстве.
6. Антенный элемент по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что по меньшей мере две обмотки катушки управления расположены внутри пазов магнитопроводов ниже внешней верхней их поверхности.
7. Антенный элемент по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что длина участка металлизированного ферритового стержня квадратного сечения не менее длины расположенных на нем магнитопроводов управляемого переключателя поляризации.
РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6
