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. Техническим результатом является создание эффективного, малогабаритного, технологичного, с малым потреблением энергии и малым временем переключения антенного элемента для фазированной антенной решетки (ФАР) малого веса с большим углом сканирования луча, работающего с возможностью управляемого переключения различных видов поляризаций. Антенный элемент содержит в едином конструктиве фазовращатель и переключатель поляризации, его основу составляют два ферритовых стержня круглого сечения, между которыми вклеен ферритовый стержень квадратного сечения. Указанные склеенные стержни металлизируются. Переключатель поляризации состоит из металлизированного ферритового стержня квадратного сечения, катушки управления и четырех магнитопроводов (по форме представляющих равнобедренную трапецию), установленных на гранях ферритового стержня. Катушка управления переключателя поляризации создает квадрупольное намагничивание и имеет две обмотки - сброса и набора, которые экранируются магнитопроводами. Наличие четырех дроссельных щелей позволяет увеличить быстродействие антенного элемента и уменьшить потребляемую мощность, что особенно важно для бортовых радиолокационных станций с числом элементов несколько тысяч. 4 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, опубл. 14.08.73 г.).

Это техническое решение имеет сложную нетехнологичную конструкцию, что увеличивает его габариты, вес, стоимость. При этом значительные размеры пазов магнитопроводов и намотка обмотки катушки управления с выходом на внешнюю поверхность магнитопроводов увеличивают поля рассеяния, что приводит к взаимовлиянию элементов антенны.

Настоящее изобретение решает задачу создания эффективного, малогабаритного, технологичного, с малым потреблением энергии и малым временем переключения антенного элемента для фазированной антенной решетки (ФАР) 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 заимовлияние, так как магнитное поле обмотки управления экранируется магнитопроводами переключателя).

Большое значение в элементах антенной решетки имеют габариты конструкции. С целью уменьшения габаритов, для минимизации шага антенной решетки предлагается применить магнитопровод замыкания в форме равнобедренной трапеции - это позволит уменьшить шаг решетки.

Сущность изобретения в создании малогабаритного эффективного быстродействующего технологичного антенного элемента, содержащего в едином конструктиве ферритовый фазовращатель, работающий на волне круговой поляризации в продольном магнитном поле, с переключателем поляризации, создающим две линейные ортогональные поляризации и пропускающим круговую поляризацию, подаваемую на вход элемента.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в антенном элементе с магнитной памятью, содержащем фазовращатель круговой поляризации, включающий металлизированный ферритовый стержень круглого сечения, образующий волновод круглого сечения, с обмоткой управления, и управляемый переключатель поляризации, включающий металлизированный ферритовый стержень квадратного сечения, образующий волновод квадратного сечения, и расположенные на его сторонах магнитопроводы, имеющие пазы для фиксации катушки управления переключением поляризации, соединение ферритового фазовращателя с управляемым переключателем поляризации выполнено в виде волноводного перехода длиной не менее λ/8, катушка управления переключением поляризации выполнена с по меньшей мере двумя с обмотками определенной формы, указанные обмотки расположены внутри пазов магнитопроводов ниже внешней верхней поверхности магнитопроводов с возможностью обеспечения управляемого перехода с одного вида поляризации на другой в любой последовательности, при этом размеры, в том числе длина и высота, пазов магнитопроводов не более λ/20, где λ - длина волны в свободном пространстве.

Целесообразно катушку управления переключением поляризации выполнить последовательным неоднократным прохождением ее обмоток через пазы магнитопроводов, расположенных на смежных сторонах металлизированного ферритового стержня квадратного сечения, с образованием многовитковой намотки определенной формы, выполненной вне верхней и боковой поверхностей магнитопроводов.

Предпочтительно катушку управления переключением поляризации обмотки выполнить в виде жгута.

Предпочтительно в переключателе поляризации каждый магнитопровод выполнить с сечением в форме равнобедренной трапеции, в основании которой выполнен паз, образующий с соответствующей прилегающей поверхностью металлизированного ферритового стержня квадратного сечения канал для фиксации катушки управления переключением поляризации.

Целесообразно антенный элемент выполнить с дроссельными щелями, расположенными симметрично в переключателе поляризации в металлизированном слое на поверхности металлизированного ферритового стержня квадратного сечения и в металлизипованном слое на поверхности металлизированного ферритового стержня круглого сечения, причем указанные дроссельные щели имеют покрытие, состоящее из слоя диэлектрического материала и внешнего металлизированного шунтирующего слоя.

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 заявителем 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.

Известны переключатели поляризации на квадратном волноводе, использующие так называемый эффект квадрупольной намагниченности (см., например, статью Xu Yansheng и Yiang Zhengchang, опубл. в Miczoweve journal, may 1986).

Однако это статья носит общий характер и не позволяет осуществлять конструирование конкретного элемента.

Сведений об известности отличительных признаков, касающихся выбора длины волноводного перехода (не менее λ/8), выполнения магнитопровода с сечением в форме трапеции (для уменьшения габаритов), выполнения катушки управления переключением поляризации с двумя обмотками, расположением указанных обмоток преимущественно внутри пазов магнитопроводов без выхода на внешнюю верхнюю их поверхность выбора размеров пазов магнитопроводов (не более λ/20) 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 показано расположение дроссельных щелей и металлизированного шунтирующего слоя на металлизированных ферритовых стержнях круглого и квадратного сечения, на фиг. 6 показана петля гестерезиса для объяснения работы управляемого переключателя поляризации.

Антенный элемент с магнитной памятью содержит (фиг.1, 3) фазовращатель круговой поляризации (фазовая секция), включающий металлизированный ферритовый стержень 1 круглого сечения, образующий волновод крутого сечения, с обмоткой 2 управления и внешними симметрично расположенными ферритовыми магнитопроводами 3, и управляемый переключатель поляризации, включающий металлизированный ферритовый стержень 4 квадратного сечения (фиг.3), образующий волновод квадратного сечения, и расположенные на его сторонах четыре магнитопровода 5, выполненные из ферритового материала и имеющие пазы 6 (фиг.4) для фиксации катушки 7 управления заданной формы (фиг.2), имеющей общий вывод 8, обмотку 9 сброса и обмотку 10 набора, выполненные в виде жгута.

Соединение ферритового фазовращателя с управляемым переключателем поляризации выполнено в виде волноводного перехода длиной (S) не менее λ/8, где λ - длина волны в свободном пространстве. При этом размеры, в том числе длина (d) и высота (h), пазов 6 магнитопроводов 5 не более λ/20.

В переключателе поляризации форма катушки управления переключением поляризации (фиг.2) задана последовательным неоднократным прохождением ее обмоток 9, 10 через пазы 6 магнитопроводов 5, расположенных на смежных сторонах металлизированного ферритового стержня 4 квадратного сечения, с образованием многовитковой намотки, выполненной вне верхней и боковой поверхностей магнитопроводов 5. При этом указанные обмотки 9, 10 расположены внутри пазов 6 магнитопроводов 5 ниже внешней верхней поверхности магнитопроводов 5 с возможностью обеспечения управляемого перехода с одного вида поляризации на другой в любой последовательности. Для уменьшения габаритов в переключателе поляризации каждый магнитопровод 5 имеет сечение в форме равнобедренной трапеции, в основании которой выполнен паз 6, образующий с соответствующей прилегающей поверхностью металлизированного ферритового стержня 4 квадратного сечения канал для фиксации катушки 7 управления переключением поляризации. Это имеет большое значение в элементах антенной решетки, так как уменьшение габаритов позволяет уменьшить шаг решетки.

Таким образом, антенный элемент содержит в едином конструктиве фазовращатель и переключатель поляризации, его основу составляют два ферритовых стержня 1 круглого сечения, между которыми вклеен ферритовый стержень 4 квадратного сечения. Указанные склеенные стержни 1, 4 металлизируются. Переключатель поляризации состоит из металлизированного ферритового стержня 4 квадратного сечения, катушки управления и четырех магнитопроводов 5 (по форме представляющие равнобедренную трапецию), установленных на гранях ферритового стержня 4. Катушка 7 управления переключателя поляризации создает квадрупольное намагничивание и имеет две обмотки 9, 10 - сброса и набора, которые экранируются магнитопроводами 5.

Одной из особенностей данной конструкции является наличие четырех дроссельных щелей 11, расположенных симметрично по две щели на сторонах в металлизированном слое ферритового стержня 4 переключателя поляризации с переходом в металлизированный слой ферритового стержня 1 круглого сечения (фиг.5). Дроссельные щели 11 покрываются диэлектрическим материалом, поверх которого наносится металлизированный слой 12 для исключения электромагнитного излучения. Данный конструктивный прием позволяет увеличить быстродействие антенного элемента и уменьшить потребляемую мощность, что особенно важно для бортовых радиолокационных станций с числом элементов несколько тысяч.

Антенный элемент на входе может быть сопряжен со статическим поляризатором, состоящим из постоянных магнитов 13 и металлического шунта 14 (например, из пермалоя). Конец металлизированного ферритового стержня 1 может быть сопряжен с антенным излучателем, состоящим из двух керамических дисков 15, 16 и металлического корпуса 17 (фиг.3).

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 13 и металлического шунта 14.

Переключатель поляризации работает следующим образом.

Вначале подается напряжение на обмотку сброса, и магнитная система система устанавливается в положение -Вr (фиг.6). Затем подается импульс на обмотку набора заданной длительности, и система переходит в состояние работы с сигналами линейной поляризации, 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 оргтогональную поляризацию (состояние III фиг.6). Переход в различные состояния (фиг.6) можно осуществлять в различной последовательности, например начать с состояния II, затем перейти в состояние I или II.

Малогабаритный антенный элемент имеет 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, включающий металлизированный ферритовый стержень круглого сечения, образующий волновод круглого сечения, с обмоткой управления, и управляемый переключатель поляризации, включающий металлизированный ферритовый стержень квадратного сечения, образующий волновод квадратного сечения, и расположенные на его сторонах магнитопроводы, имеющие пазы для фиксации катушки управления переключением поляризации, отличающийся тем, что соединение ферритового фазовращателя с управляемым переключателем поляризации выполнено в виде волноводного перехода длиной не менее λ/8, катушка управления переключением поляризации выполнен с по меньшей мере двумя обмотками, указанные обмотки расположены внутри пазов магнитопроводов ниже внешней верхней поверхности магнитопроводов с возможностью обеспечения управляемого перехода с одного вида поляризации на другой в любой последовательности, при этом размеры, в том числе длина и высота, пазов магнитопроводов не более λ/20, где λ - длина волны в свободном пространстве.

2. Антенный элемент по п.1, отличающийся тем, что катушка управления переключением поляризации выполнена последовательным неоднократным прохождением ее обмоток через пазы магнитопроводов, расположенных на смежных сторонах металлизированного ферритового стержня квадратного сечения, с образованием многовитковой намотки, выполненной вне верхней и боковой поверхностей магнитопроводов.

3. Антенный элемент по п.1 или 2, отличающийся тем, что в катушке управления переключением поляризации обмотки выполнены в виде жгута.

4. Антенный элемент по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в переключателе поляризации каждый магнитопровод имеет сечение в форме равнобедренной трапеции, в основании которой выполнен паз, образующий с соответствующей прилегающей поверхностью металлизированного ферритового стержня квадратного сечения канал для фиксации катушки управления переключением поляризации.

5. Антенный элемент по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что он имеет дроссельные щели, выполненные симметрично в переключателе поляризации в металлизированном слое на поверхности металлизированного ферритового стержня квадратного сечения и в металлизированном слое на поверхности металлизированного ферритового стержня круглого сечения, причем указанные дроссельные щели имеют покрытие, состоящее из слоя диэлектрического материала и внешнего металлизированного шунтирующего слоя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6