Модернизация элемента фазированной антенной решетки миллиметрового диапазона волн

В теории и практике разработки элементной базы фазированных антенных решеток (ФАР) СВЧ- и КВЧ-диапазонов очевидным достижением считается создание и освоение серийного производства интегрированных элементов [1, 2]. Как правило, это конструктивно простые и высокотехнологичные устройства, нашедшие применение в многоэлементных ФАР с пространственным возбуждением [3, 4]. Каждый интегрированный элемент содержит приемный и апертурный волноводно-диэлектрические излучатели (ВДИ) и размещенный между ними волноводный ферритовый фарадеевский фазовращатель (ФВ). Антенные решетки приемных и апертурных излучателей принимают и излучают кругополяризованные волны. Однако в ряде практических применений некоторых ФАР [5], например в системах воздушного базирования на самолетах и вертолетах, существует потребность в излучении и приеме волн с линейной поляризацией поля. При сохранении достоинств волноводных ферритовых фарадеевских фазовращателей возникает необходимость преобразования кругополяризованных волн в линейно поляризованные волны [6]. Для этого используются невзаимные квадрупольные ферритовые поляризаторы [6]. Опыт их широкого практического применения накоплен при создании двухмодовых волноводных ферритовых ФВ [6–8].

Разработанный интегрированный элемент проходной ФАР построен на основе серийно выпускаемого элемента ФАР Ка-диапазона частот [2], в который вписан невзаимный квадрупольный ферритовый поляризатор [9].

Схема и эскиз элемента ФАР показаны на рис. 1, где 1 — ферритовый стержень (ФС) квадратного сечения с токопроводящим покрытием боковой поверхности; 2 — обмотка намагничивания ФС; 3 — квадрупольный ферритовый преобразователь поляризации (КФПП); 4 — согласующие ступенчатые переходы от ФВ к апертурному (5) и приемному (6) волноводно-диэлектрическим излучателям; Lap, Lre, Lp — длины апертурного и приемного излучателей и элемента ФАР соответственно; Dp — диаметр элемента ФАР.

Рис. 1. Схема и эскиз элемента проходной ФАР

На рис. 2 показано продольное сечение интегрированного элемента проходной ФАР в сборе, а на рис. 3 — его поперечное сечение в месте расположения КФПП (сечение А‑А), а также поперечное сечение волноводного ферритового фазовращателя (сечение Б‑Б).

Рис. 2. Продольное сечение элемента проходной ФАР

Основные обозначения, приведенные на рис. 2 и 3: 8 — ферритовый стержень с токопроводящим покрытием боковой поверхности; 9, 10 — обмотка продольного намагничивания ФС; 11 — ферритовые скобы магнитопровода ФВ; 5 — постоянные магниты КФПП; 6 — магнитный экран; 7 — элементы настройки; 14 — корпус элемента ФАР, другие обозначения по [9].

При разработке проходного элемента ФАР требовалось решить две главные задачи: во‑первых, вписать преобразователь поляризации в корпус серийно выпускаемого элемента ФАР [2], диаметр которого D0 определен сектором сканирования луча; во‑вторых, введением магнитного экрана обеспечить развязку соседних элементов ФАР по магнитным полям, создаваемым магнитными преобразователями поляризации.

Проходной элемент ФАР работает следующим образом: в режиме передачи кругополяризованная электромагнитная волна, излучаемая облучателем ФАР, принимается приемным излучателем 17, проходит через волновод 16, трансформатор 15 и поступает на вход фазовращателя 25. Возбужденная в ферритовом стержне 8 кругополяризованная волна низшего типа квадратного волновода 9 при распространении вдоль продольного намагниченного ферритового стержня получает определенный регулируемый фазовый сдвиг ∆φ. Его величина зависит от длины волны, размеров поперечного сечения ферритового стержня 8 (аст×аст, рис. 3), его активной длины lФВ (рис. 2), параметров материала ферритовой среды и напряженности магнитного поля в ферритовом стержне 8, создаваемого обмоткой намагничивания 10. Вносимый регулируемый фазовый сдвиг может изменяться в заданных пределах, например ∆φ = 0–360°, при изменении параметров управляющего импульса, например напряжения, подаваемого на обмотку намагничивания 10 от системы управления лучом, и длительности τи импульса намагничивания при вольт-секундном способе управления фазовращателем. С выхода фазо­вращателя кругополяризованная волна поступает на вход КФПП, выполненного на том же ферритовом стержне, что и фазовращатель. В КФПП на его длине lп происходит преобразование кругополяризованной волны в линейно поляризованную волну типа H01 квадратного волновода ФС 8. С выхода КФПП, через ступенчатый трансформатор 4, волна поступает на вход волновода 2, заполненного ди­электриком, и возбуждает в нем электромагнитную волну типа Н11 с линейной, например вертикальной, поляризацией поля. Эта волна проходит через поляризационную развязку с поглощающей пластиной 3, установленной перпендикулярно вектору Е проходящей волны типа Н11, возбуждает в диэлектрическом стержне 1 волну типа НЕ11 круглого диэлектрического волновода, и излучает в свободное пространство волну с вертикальной линейной поляризацией поля. При этом волна типа Н11 круглого волновода с линейной ортогональной горизонтальной поляризацией поля, возникающая на выходе КФПП, вследствие возможного неполного преобразования кругополяризованной волны в линейно поляризованную волну поглощается пластиной 3, которая может быть выполнена из диэлектрического материала, например кварца или слюды, с нанесенным на нее слоем металла, поглощающего электромагнитные волны, в частности хрома.

Рис. 3. Поперечные сечения элемента проходной ФАР

В режиме приема линейно поляризованная волна, принятая диэлектрическим стержнем 1 через волновод 2 с поглощающей пластиной 3 поляризационной развязки и трансформатор 4, поступает на вход квадратного волновода 9, образованного тонкой пленкой токопроводящего покрытия боковой поверхности ферритового стержня 8, и возбуждает в его ненамагниченном конце 22 перед КФПП линейно поляризованную волну типа H01 квадратного волновода 9. При прохождении через КФПП 5 линейно поляризованная волна на длине lп, в соответствии с невзаимными свойствами КФПП, преобразуется в кругополяризованную волну с противоположным направлением вращения по сравнению с волной, излучаемой облучателем в режиме передачи. С выхода КФПП 5 кругополяризованная волна поступает на вход фазовращателя 25, на его длине lФВ получает такой же регулируемый фазовый сдвиг, как и волна, распространяющаяся в прямом направлении. С выхода фазовращателя кругополяризованная волна поступает через трансформатор 15 и волновод 16 на вход диэлектрического излучателя 17, который излучает в направлении облучателя ФАР кругополяризованную волну.

Представленный элемент проходной ФАР конструктивно прост и технологичен. Для его создания в условиях серийного производства нет необходимости разрабатывать новые материалы, сложные технологические приспособления и использовать дорогостоящие технологические процессы. Для изготовления диэлектрических излучателей и согласующих диэлектрических вставок можно применить высокочастотные высоко­добротные керамики с диэлектрическими проницаемостями εr = 5, 7, 10, допускающие изготовление деталей литьем или механической обработкой [15]. Магниты КФПП могут быть изготовлены из ниодим-железа-бора, как, например, в [8] с максимальной магнитной индукцией Bm = 1,2 Тл и высокой стабильностью параметров в широком интервале температур. Магнитный экран КФПП выполнен из листового пермаллоя.

Проходной элемент ФАР представляет собой функционально завершенное устройство, содержащее в едином корпусе последовательно соединенные диэлектрический излучатель, принимающий от облучателя кругополяризованную волну, фазовращатель, КФПП, представляющий собой невзаимный магнитный квадрупольный преобразователь поляризации, с магнитным экраном и элементами подстройки, выполненный вместе с фазовращателем на одном ферритовом квадратном стержне с токопроводящим покрытием боковой поверхности, и диэлектрический излучатель с поляризационной развязкой, излучающий и принимающий линейно поляризованную волну. Поляризация этой волны может быть как вертикальной, так и горизонтальной в зависимости от ориентации элемента в решетке или от полярности магнитов в КФПП.

Изготовленные образцы проходного элемента ФАР в КВЧ-диапазоне имеют вес не более 2 г, диаметр не более 0,55λ0, вносимые потери на 0,5 дБ выше по сравнению с базовым проходным элементом ФАР [2] и поляризационную развязку не менее 20 дБ.

Выводы 

1. Предложен и разработан конструктивно простой высокотехнологичный интегрированный элемент проходной ФАР с пространственным возбуждением кругополяризованной волной облучателя, излучающий в пространство линейно поляризованную волну.
2. Элемент ФАР может быть использован при создании многоэлементных фазированных антенных решеток с широкоугольным электрическим сканированием луча с отклонением от нормали к поверхности раскрыва ФАР на угол до 60º по двум координатам [12]. Их применение возможно, например, в качестве бортовых антенн воздушного базирования, обеспечивающих безопасный полет вертолетов и облучение земной поверхности линейно поляризованной волной для повышения контрастности наблюдаемых объектов.
3. К элементам ФАР для этих комплексов предъявляются повышенные требования по прочности и стойкости в условиях экстремальных климатических и механических воздействий. Разработанный элемент ФАР удовлетворяет указанным требованиям. Он не вносит ограничений на скорость перемещения носителя и выдерживает возникающие ударные и вибрационные нагрузки.
4. Массо-габаритные и электрические параметры элемента ФАР соответствуют лучшим образцам аналогичного назначения [6–8, 10, 11].