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. Антенный элемент содержит в едином конструктиве фазовращатель и переключатель поляризации, его основу составляет один общий металлизированный ферритовый стержень с одинаковым или различным круглым сечением по длине. Он имеет 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 λ/8 с управляемым переключателем поляризации, включающем другой участок металлизированного ферритового стержня круглого сечения, и расположенные на нем магнитопроводы, по форме представляющие собой части кольца (два полукольца или четверти кольца), имеющие пазы для фиксации катушки управления переключением поляризации. 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 имеет низкую стоимость, более компактную конструкцию, удобен в эксплуатации. Техническим результатом являются малый вес, малое потребление энергии, низкие потери, высокое быстродействие и возможность работы с управляемым переключением поляризации в любой последовательности, что позволяет эффективно применить предлагаемый антенный элемент в современных РЛС. 8 з.п. ф-лы, 8 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. 1973 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 λ/8, где λ - длина волны в свободном пространстве, с управляемым переключателем поляризации, включающим другой более широкий участок металлизированного ферритового стержня квадратного сечения, образующий волновод квадратного сечения, и расположенные на нем магнитопроводы с сечением в форме равнобедренной трапеции, имеющие пазы с размерами не более λ/20 для фиксации катушки управления переключением поляризации, выполненной с по меньшей мере двумя обмотками, расположенными внутри указанных пазов, с возможностью обеспечения управляемого перехода с одного вида поляризации на другой в любой последовательности (см. патент РФ №2194342, МПК Н 01 Р 1/19, публ. 2002 г. - прототип).
Известные технические решения имеет сложную нетехнологичную конструкцию, что увеличивает стоимость, габариты и вес антенного элемента. Кроме того, прототип не имеет возможности создания круговой поляризации с противоположным направлением относительно поляризации, подаваемой на вход антенного элемента, что ограничивает его применение.
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 антенной решетки предлагается применить оптимально выполненные металлизированный ферритовый стержень круглого сечения (с одинаковым диаметром по всей его длине или с различными диаметрами на одном и другом более узком его участках соответственно для фазовращателя круговой поляризации и управляемого переключателя поляризации) и магнитопроводы, представляющие собой полукольца или четверти составного кольца, связанные в нем клеевым соединением, 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 и позволяющим дополнительно создать круговую поляризацию с противоположным направлением относительно поляризации, подаваемой на вход антенного элемента.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в антенном элементе фазированной антенной решетки, содержащем фазовращатель круговой поляризации с обмоткой управления и ферритовыми магнитопроводами, включающий участок металлизированного ферритового стержня круглого сечения, образующий волновод круглого сечения, соединенный через волноводный переход длиной не менее λ/8 с управляемым переключателем поляризации, включающим другой участок металлизированного ферритового стержня, образующий волновод, и расположенные на нем магнитопроводы, имеющие ортогонально расположенные 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, другой участок металлизированного ферритового стержня выполнен с круглым сечением, расположенные на нем магнитопроводы управляемого переключателя поляризации выполнены в виде соединенных между собой частей составного кольца.
Предпочтительно части составного кольца выполнить в виде полуколец с двумя пазами в каждом или его четвертей с одним пазом в каждой из них для фиксации катушки управления переключением поляризации.
Целесообразно части составного кольца соединить клеевым соединением.
Предпочтительно иметь клеевое соединение с наполнителем из материала магнитопроводов для равномерности распределения магнитного поля.
Целесообразно диаметр другого участка металлизированного ферритового стержня в управляемом переключателе поляризации выполнить меньше диаметра или равным диаметру участка металлизированного ферритового стержня в фазовращателе круговой поляризации.
Предпочтительно фазовращатель круговой поляризации, волноводный переход и управляемый переключатель выполнить на одном общем металлизированном ферритовом стержне.
Предпочтительно в управляемом переключателе поляризации магнитопроводы выполнить с гранями на внешней поверхности, расположенными над соответствующими пазами в качестве указателя их положения, при этом пазы образуют с прилегающей поверхностью другого участка металлизированного ферритового стержня каналы для фиксации катушки управления переключением поляризации.
Целесообразно размеры, в том числе длину и высоту пазов магнитопроводов выполнить не более λ/20, где λ - 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) с магнитопроводами в виде полуколец; на фиг.5 показан управляемый переключатель поляризации в сечении (сечение А-А на фиг.3) с магнитопроводами в виде четвертей составного кольца; на фиг.6 показана петля гистерезиса для объяснения работы управляемого переключателя поляризации; на фиг.7 показан металлизированный ферритовый стержень для антенного элемента на фиг.3 (с одинаковым диаметром по длине, в том числе на одном и другом его участках соответственно в фазовращателе круговой поляризации и управляемом переключателе поляризации); на фиг.8 показан вариант выполнения общего металлизированного ферритового стержня с различным диаметром круглого сечения на одном и другом его участках соответственно в фазовращателе круговой поляризации и 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 стержня круглого сечения, образующего волновод круглого сечения, соединенный через волноводный переход 4 длиной (S) не менее λ/8 с управляемым переключателем поляризации, включающим другой участок 5 металлизированного ферритового стержня круглого сечения, образующий также волновод круглого сечения, и расположенные на нем магнитопроводы 6, имеющие пазы 7 для фиксации катушки 8 управления переключением поляризации, имеющей по меньшей мере две обмотки - обмотку 9 сброса и обмотку 10 набора, выполненные в виде жгута и расположенные 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 общий вывод 11 (фиг.2). Для уменьшения габаритов в переключателе поляризации магнитопроводы 6 выполнены в виде полуколец (фиг.4) или его четвертей (фиг.5), соединенных между собой в составное кольцо. Каждое полукольцо (фиг.4) имеет по два ортогонально расположенных в нем паза 7 для фиксации катушки управления переключением поляризации, при этом все указанные пазы 7 в составном кольце взаимно ортогональны. Каждая четверть (фиг.5) в составном кольце имеет по одному пазу 7, при этом пазы 7 расположены в нем взаимно ортогонально. Это имеет большое значение в элементах антенной решетки, так как уменьшение габаритов позволяет уменьшить шаг решетки.
При этом фазовращатель круговой поляризации, волноводный переход 4 и управляемый переключатель имеют общий металлизированный ферритовый стержень с соответствующими участками 3, 5 круглого сечения одинакового (фиг.5) или различного (фиг.6) диаметра.
В управляемом переключателе поляризации магнитопроводы 6 имеют на внешней поверхности грани 11, расположенные над соответствующими пазами 7 в качестве указателя их положения, при этом пазы 7 образуют с поверхностью другого участка металлизированного ферритового стержня 5 круглого сечения каналы для фиксации катушки 8 управления переключением поляризации. Размеры, в том числе длина (d) и высота (h) пазов магнитопроводов 6 не более λ/20, где λ - длина волны в свободном пространстве.
В управляемом переключателе поляризации катушка 8 управления (фиг.2) переключением поляризации выполнена последовательным неоднократным прохождением ее обмоток 9, 10 через пазы 7 магнитопроводов 6, расположенных на смежных сторонах другого участка 5 металлизированного ферритового стержня круглого 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 общего металлизированного ферритового стержня может быть сопряжен с антенным излучателем, состоящим из двух керамических дисков 14, 15 и металлического корпуса 16 (фиг.3).
Магнитопроводы 6 в составном кольце связаны клеевым соединением 17 (фиг.4, 5), имеющим наполнитель из материала магнитопроводов 6 для равномерного распределения электромагнитного поля.
Таким образом, антенный элемент содержит в едином конструктиве фазовращатель и переключатель поляризации, его основу составляет один общий металлизированный ферритовый стержень с круглым сечением с одинаковым (фиг.5) или различным (фиг.6) сечением по длине. Управляемый переключатель поляризации состоит из другого участка 5 металлизированного ферритового стержня круглого сечения (фиг.5 или фиг.6), катушки 8 управления, двух или четырех магнитопроводов 6 (по форме представляющих собой соответственно два полукольца или четверти кольца), установленных на указанном участке 5 металлизированного ферритового стержня в виде составного кольца. Катушка 8 управления переключателя поляризации создает квадрупольное намагничивание и имеет две обмотки 9, 10 - сброса и набора, экранированные 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 система устанавливается в положение В (фиг.7). Затем подается импульс на обмотку 10 набора заданной длительности и система переходит в состояние работы с сигналами линейной поляризации, соответствующее положению I на фиг.7. Если подают другую длительность импульса, получается состояние II, соответствующее круговой поляризации. При подаче импульса напряжения большей длительности имеем ортогональную поляризацию (состояние III на фиг.7). При подаче импульса напряжения максимальной длительности (состояние IV) имеем круговую поляризацию с противоположным направлением относительно поляризации, полученной в состоянии II. Переход в различные состояния (фиг.7) можно осуществлять в любой последовательности. 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.
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 λ/8 с управляемым переключателем поляризации, включающим другой участок металлизированного ферритового стержня, образующий сопряженный с антенным излучателем волновод, и установленные на нем магнитопроводы, имеющие ортогонально расположенные 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 другой участок металлизированного ферритового стержня выполнен с круглым сечением, расположенные на нем магнитопроводы управляемого переключателя поляризации выполнены в виде соединенных между собой частей составного кольца.
2. Антенный элемент по п.1, отличающийся тем, что части составного кольца представляют собой полукольца с двумя пазами в каждом или его четверти с одним пазом в каждой из них для фиксации катушки управления переключением поляризации.
3. Антенный элемент по п.1, отличающийся тем, что части составного кольца соединены клеевым соединением.
4. Антенный элемент по п.3, отличающийся тем, что для равномерного распределения магнитного поля клеевое соединение содержит наполнитель из материала магнитопровода.
5. Антенный элемент по п.1, отличающийся тем, что диаметр другого участка металлизированного ферритового стержня в управляемом переключателе поляризации меньше или равен диаметру участка металлизированного ферритового стержня в фазовращателе круговой поляризации.
6. Антенный элемент по п.1, отличающийся тем, что фазовращатель круговой поляризации, волноводный переход и управляемый переключатель имеют общий металлизированный ферритовый стержень.
7. Антенный элемент по п.1, отличающийся тем, что в управляемом переключателе поляризации магнитопроводы имеют на внешней поверхности грани, расположенные над соответствующими пазами в качестве указателя их положения, при этом пазы образуют с прилегающей поверхностью другого участка металлизированного ферритового стержня каналы для фиксации катушки управления переключением поляризации.
8. Антенный элемент по п.7, отличающийся тем, что размеры, в том числе длина и высота, пазов магнитопроводов не более λ/20, где λ - длина волны в свободном пространстве.
9. Антенный элемент по п.8, отличающийся тем, что по меньшей мере две обмотки катушки управления расположены внутри пазов магнитопроводов ниже внешней верхней их поверхности.
