Антенный элемент проходной фазированной антенной решетки

Изобретение относится к антенной технике, в частности к приемопередающим антенным элементам, и может быть использовано в проходных фазированных антенных решетках (ФАР) СВЧ-диапазона с электрическим сканированием луча. Технический результат заключается в снижении потерь СВЧ-энергии в антенном элементе проходной ФАР. Антенный элемент проходной ФАР содержит диэлектрические излучатели и фазовращатель, состоящий из намагничивающей обмотки, расположенной внутри магнитопровода, и цилиндрического ферритового стержня, установленного внутри намагничивающей обмотки. Диэлектрические излучатели содержат цилиндрическую часть и одними торцами жестко соединены с торцами цилиндрического ферритового стержня, а их свободные торцевые части выполнены в виде усеченных конусов, причем диаметр основания усеченных конусов меньше диаметра цилиндрической части диэлектрического излучателя. Цилиндрический ферритовый стержень и диэлектрические излучатели заключены в общий отрезок металлизированного круглого волновода. Цилиндрический ферритовый стержень и диэлектрические излучатели выполнены из материалов с высокой одинаковой или близкой по значению друг другу диэлектрической проницаемостью. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к антенной технике, в частности к приемопередающим антенным элементам, и может быть использовано в проходных фазированных антенных решетках (ФАР) СВЧ-диапазона с электрическим сканированием луча.

Известен приемопередающий элемент фазированной антенной решетки, содержащий диэлектрические излучатели и фазовращатель, состоящий из намагничивающей обмотки, расположенной внутри магнитопровода, и цилиндрического ферритового стержня, установленного внутри намагничивающей обмотки, при этом между торцами цилиндрического ферритового стержня и диэлектрических излучателей установлены согласующие диэлектрические шайбы; цилиндрический ферритовый стержень, согласующие шайбы и диэлектрические излучатели имеют одинаковый диаметр и заключены в общий отрезок металлизированного круглого волновода; на поверхности каждого из диэлектрических излучателей, находящейся за пределами общего отрезка металлизированного круглого волновода, выполнена конусообразная замкнутая по окружности канавка, на поверхность которой нанесено металлизированное покрытие; в стенках общего отрезка металлизированного круглого волновода, прилегающих к цилиндрическому ферритовому стержню, выполнены две продольные диаметрально расположенные прорези; магнитопровод выполнен в виде двух П-образных скоб, каждая из которых содержит продольную пластину, расположенную над соответствующей прорезью, и башмаки, опирающиеся на поверхность общего отрезка металлизированного круглого волновода, причем опорная поверхность башмаков выполнена по форме окружности общего отрезка металлизированного круглого волновода и имеет паз, выполненный в ее верхней части по оси симметрии, опорные поверхности башмаков отшлифованы с высоким классом точности и плотно прижаты к поверхности общего отрезка металлизированного круглого волновода.

Цилиндрический ферритовый стержень выполнен из феррита с диэлектрической проницаемостью ε=14÷17. Согласующие шайбы выполнены из материала, например ситалла, с диэлектрической проницаемостью ε=9÷11. Диэлектрические излучатели выполнены из материала, например ситалла, с диэлектрической проницаемостью ε=7,15-7,35. Длины диэлектрических излучателей выбраны из условия обеспечения требуемых механической прочности и жесткости полотна антенной системы. Свободные концы диэлектрических излучателей имеют конусообразную или цилиндрическую форму [1].

Причина, препятствующая достижению указанного ниже технического результата при использовании известного приемопередающего элемента ФАР, заключается в следующем. Наличие стыков между цилиндрическим ферритовым стержнем, диэлектрическими согласующими шайбами и излучателями снижает коэффициент прохождения электромагнитной волны через элемент и коэффициент усиления ФАР в целом из-за потерь СВЧ-энергии, обусловленных внутренними ее переотражениями на стыках. Кроме того, использование трех материалов с различной диэлектрической проницаемостью, выполнение канавок на поверхностях диэлектрических излучателей для уменьшения отражений СВЧ-волн от концов общего отрезка металлизированного круглого волновода и улучшения согласования диэлектрических излучателей с пространством усложняют конструкцию устройства и увеличивают трудоемкость и стоимость его производства.

Сущность изобретения заключается в следующем. Задачей, на решение которой оно направлено, является снижение трудоемкости и стоимости производства антенного элемента ФАР за счет упрощения его конструкции. Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, выражается в снижении потерь СВЧ-энергии в антенном элементе проходной ФАР.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном приемопередающем элементе ФАР, содержащем диэлектрические излучатели и фазовращатель, состоящий из намагничивающей обмотки, расположенной внутри магнитопровода, и цилиндрического ферритового стержня, установленного внутри намагничивающей обмотки, цилиндрический ферритовый стержень и диэлектрические излучатели заключены в общий отрезок металлизированного круглого волновода, согласно изобретению цилиндрический ферритовый стержень и диэлектрические излучатели выполнены из материалов с высокой одинаковой или близкой по значению друг другу диэлектрической проницаемостью, диэлектрические излучатели содержат цилиндрическую часть и одними торцами жестко соединены с торцами цилиндрического ферритового стержня, а на их других торцах выполнены удлинения в виде усеченных конусов, причем диаметр основания усеченных конусов меньше диаметра цилиндрической части диэлектрического излучателя.

Концы общего отрезка металлизированного круглого волновода отстоят на расстоянии (0,05-0,1)λ₀ от основания усеченных конусов.

Высота усеченных конусов составляет (0,8-1,2)λ₀, где λ₀ - центральная длина волны 10-процентного диапазона.

Диаметр основания усеченных конусов составляет (0,8-0,9), а диаметр их вершин - (0,5-0,6) диаметра цилиндрической части диэлектрического элемента.

Причинно-следственная связь между существенными признаками и техническим результатом выражается в том, что, благодаря выполнению ферритового стержня и излучателей из материалов с высокими равными или близкими по величине значениями диэлектрической проницаемости, уменьшению количества стыков за счет исключения согласующих шайб-трансформаторов, а также разнице диаметров цилиндрической и конической частей излучателей улучшается согласование антенного элемента с пространством, что снижает потери СВЧ-энергии и, соответственно, повышает коэффициент усиления проходной ФАР.

Изобретение поясняется чертежами, на которых представлены: фиг.1 - конструкция антенного элемента проходной ФАР; фиг.2 - вид сбоку по стрелке А фиг.1; фиг.3 - график разности коэффициентов усиления проходных ФАР, содержащих заявленный и известный антенные элементы; фиг.4 - зависимости от частоты коэффициентов эллиптичности заявленного и известного антенных элементов.

Антенный элемент проходной ФАР (фиг.1) содержит фазовращатель, состоящий из расположенной внутри магнитопровода 1 намагничивающей обмотки 2, в которой установлен цилиндрический ферритовый стержень 3, и два диэлектрических излучателя 4, 5. Цилиндрический ферритовый стержень 3 выполнен из феррита с высокой диэлектрической проницаемостью порядка ε=14-17, например, из феррита марки 3СЧ-18 (ЫК7.074.076ТУ) с ε=16. Диэлектрические излучатели 4, 5 имеют цилиндрическую и коническую части и выполнены из материала, также обладающего высокой диэлектрической проницаемостью порядка ε=14-17, например, из керамического материала МТ-16 с ε=16 [2]. Цилиндрический ферритовый стержень 3 и цилиндрические части диэлектрических излучателей 4, 5 выполнены с одинаковым диаметром, их торцы жестко соединены между собой, например с помощью клея, и заключены в общий отрезок круглого металлизированного волновода 6. Волновод может быть получен путем напыления или гальванического нанесения слоя металла, например меди, толщиной 1,1-1,5 мкм на поверхность цилиндрического ферритового стержня 3 и большую часть цилиндрической поверхности диэлектрических излучателей 4, 5. Свободные торцевые части последних выполнены в виде усеченных конусов, которые могут быть образованы при отливке диэлектрического излучателя или путем его механической обработки. Высота L усеченных конусов составляет (0,8-1,2)λ₀, где λ₀ - центральная длина волны 10-процентного диапазона, диаметр d₂ их оснований меньше диаметра d₁ цилиндрической части диэлектрических излучателей 4, 5 (фиг 4) и составляет (0,8-0,9)d₁, а диаметр d₃ его вершины - (0,5-0,6)d₁. Общий отрезок металлизированного круглого волновода 4 на цилиндрической части диэлектрических излучателей 4, 5 заканчивается на расстоянии S=(0,05-0,1)λ₀ от основания усеченных конусов. Длины цилиндрических частей диэлектрических излучателей 4, 5 могут быть равными или различными в зависимости от конструктивных особенностей проходной ФАР и определяются из условия обеспечения требуемых механической прочности и жесткости полотна антенны, а также возможности размещения в нем устройств управления приемопередающими элементами и отвода тепла, например, трубопроводов системы продувки сжатым воздухом или системы с жидким хладагентом. Максимальный диаметр основания d₂ усеченного конуса и минимальный диаметр его вершины d₃ выбирают расчетным путем из условия хорошего возбуждения в нем поверхностной волны, минимизации отражений СВЧ-энергии на стыке «волновод - излучатель» и согласования диэлектрических излучателей 4, 5 излучателя с пространством.

Фазовращатель может быть выполнен по известным правилам [1]. В частности, намагничивающая обмотка 2 катушки управления намотана на бумажный каркас и надета на цилиндрический ферритовый стержень 3, располагаясь над прорезями в стенках общего отрезка металлизированного круглого волновода 6. Выводы намагничивающей обмотки 2 соединены с системой управления антенными элементами (на чертеже не показано). Сверху намагничивающей обмотки 2 расположены два магнитопровода 1, выполненных в виде П-образных скоб, каждая из которых содержит продольную пластину и башмаки. Внутренняя поверхность продольных пластин имеет цилиндрическую форму. Опорные поверхности башмаков выполнены по форме окружности общего отрезка металлизированного круглого волновода 6. В верхней части опорной поверхности башмаков по оси симметрии выполнен паз, предназначенный для обеспечения азимутальной симметрии подмагничивающего магнитного поля, благодаря чему уменьшаются резонансные пики потерь СВЧ-энергии на высших типах волн. Продольные пластины П-образных скоб располагаются над прорезями в стенках общего отрезка металлизированного круглого волновода 6. С помощью бандажа (например, пропитанной лаком прочной нити) опорные поверхности башмаков, которые должны быть отшлифованы с высоким классом точности, плотно прижаты к боковой поверхности общего отрезка металлизированного круглого волновода 6 так, чтобы зазор между ними не превышал 30 мкм. Магнитопроводы выполнены из материала с низкой коэрцетивной силой порядка 0,35 эрстед.

Описанный антенный элемент ФАР работает следующим образом. В режиме передачи СВЧ-энергия с волной круговой поляризации от облучателя ФАР падает на первый излучатель элемента, например, усеченный конус 4, проходит внутрь него и распространяется по его цилиндрической части и цилиндрическому ферритовому стержню 3 внутри общего отрезка металлизированного волновода 6. Пройдя через фазовращатель, электромагнитная волна получает определенный фазовый сдвиг в зависимости от длительности импульсов напряжения, подаваемых в намагничивающую обмотку 2 из системы управления элементами ФАР. Распространяясь далее, электромагнитная волна попадает на второй излучатель 5 и через усеченный излучается в пространство. После окончания действия импульсов напряжения магнитная система фазовращателя запоминает это состояние и фазовый сдвиг будет сохраняться до следующего цикла перемагничивания. При приеме процесс протекает в обратном порядке.

Как следует из графика фиг.3, на котором изображена зависимость от относительной частоты f/f₀, где f₀ - центральная частота диапазона, разности коэффициентов усиления ΔG фазированных антенных решеток с заявленными и известными антенными элементами, коэффициент усиления ФАР, набранной из опытных образцов заявленного антенного элемента, в 90% заданного диапазона частот существенно, до 1,4 дБ, превышает аналогичный показатель ФАР, содержащей антенные элементы, взятые в качестве прототипа. Заявленный антенный элемент обеспечивает также существенный, не менее 0,8 дБ, выигрыш по коэффициенту эллиптичности электромагнитного поля. Это подтверждается графиками фиг.4, где представлены зависимости от относительной частоты f/f₀ коэффициентов эллиптичности К_е (отношение осей поляризационного эллипса) заявленного антенного элемента и прототипа. Приведенные экспериментальные данные свидетельствуют об уменьшении потерь СВЧ-энергии в заявленном приемопередающем антенном элементе по сравнению с прототипом.

Источники информации

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

2. Каталог «Сверхвысокочастотные магнитные и диэлектрические материалы». СПб., ОАО «Завод «Магнетон», 2001.

1. Антенный элемент проходной фазированной антенной решетки, содержащий диэлектрические излучатели и фазовращатель, состоящий из намагничивающей обмотки, расположенной внутри магнитопровода, и цилиндрического ферритового стержня, установленного внутри намагничивающей обмотки, цилиндрический ферритовый стержень и диэлектрические излучатели заключены в общий отрезок металлизированного круглого волновода, отличающийся тем, что цилиндрический ферритовый стержень и диэлектрические излучатели выполнены из материалов с высокой одинаковой или близкой по значению друг другу диэлектрической проницаемостью, диэлектрические излучатели содержат цилиндрическую часть и одними торцами жестко соединены с торцами цилиндрического ферритового стержня, а их свободные торцевые части выполнены в виде усеченных конусов, причем диаметр основания усеченных конусов меньше диаметра цилиндрической части диэлектрического излучателя.

2. Антенный элемент по п.1, отличающийся тем, что концы общего отрезка металлизированного круглого волновода отстоят на расстоянии (0,05-0,1)λ₀ от основания усеченных конусов, где λ₀ - центральная длина волны 10%-ного диапазона.

3. Антенный элемент по п.1, отличающийся тем, что высота усеченных конусов составляет (0,8-1,2)λ₀, где λ₀ - центральная длина волны 10%-ного диапазона.

4. Антенный элемент по п.1, отличающийся тем, что диаметр основания усеченных конусов составляет (0,8-0,9), а диаметр их вершин - (0,5-0,6) диаметра цилиндрической части диэлектрического излучателя.