Быстродействующие ферритовые фазовращатели Реджиа-Спенсера для современных ФАР на основе ВРС

Фазированные антенные решетки (ФАР), создаваемые в АО «НИИ Приборостроения им. В. В. Тихомирова» (НИИП), уже много лет успешно проектируются на основе волноводных распределительных систем (ВРС) и взаимных волноводных ферритовых фазовращателей с магнитной памятью. Развитие этих ФАР предъявляет все новые требования к параметрам фазовращателей. Так, переход в начале XXI века с системы автоподстройки фазы к более простому — командному принципу управления — потребовал обеспечить высокую идентичность фазовременных характеристик (ФВХ) фазовращателей, что позволило существенно снизить стоимость ФАР. Новым витком в модернизации пассивных ФАР стало увеличение их быстродействия, оказавшееся возможным после освоения в ОАО «Завод Магнетон» новой технологии изготовления фазовращателей Реджиа-Спенсера, позволившей в 4 раза снизить время переустановления фазы при одновременном снижении энергозатрат на переключение. В статье рассмотрены основные факторы, ограничивающие быстродействие серийных фазовращателей и приведены параметры новых быстродействующих приборов различных частотных диапазонов.

Варианты исполнения взаимных фазовращателей

У взаимного фазовращателя фазовый сдвиг волны, проходящей по нему от входа к выходу, такой же, как у волны, проходящей от выхода к входу, для всех фазовых состояний. Поэтому диаграммы направленности ФАР, в которой стоят такие фазовращатели, на прием и передачу всегда совпадают. Приборы с намагниченным ферритом обычно невзаимны. Известно два варианта взаимных волноводных ферритовых фазовращателей — двухмодовый и типа Реджиа-Спенсера. Оба типа используются в ФАР, разработанных в разное время в НИИП им. В. В. Тихомирова.

Так, двухмодовым является фазовращатель ФВФН2–1, использовавшийся в ФАР ЗРК Бук-М1 в 80‑е годы XX века, на базе которого в начале XXI века в ОАО «Завод Магнетон» создан фазовращатель 4‑см диапазона волн ФВФН2–25, приспособленный к работе в многотактных системах фазирования ФАР с командным управлением ЗРК Бук-М2 [1]. Он состоит из металлизированного ферритового стержня квадратного сечения, на краях которого на его грани установлены постоянные магниты квадрупольных поляризаторов, а на среднюю часть стержня намотаны катушки управления и установлены ферритовые магнитопроводы, замыкающие создаваемый током в катушках магнитный поток. На входе поляризатор преобразует линейно поляризованную волну в волну круговой поляризации. Распространяясь по продольно намагниченному стержню, волна получает фазовый сдвиг, зависящий от намагничивания феррита. Пройдя выходной поляризатор, она снова становится поляризованной линейно. На торцы стержня приклеены керамические согласующие трансформаторы, которые размещают в прямоугольных волноводах, установленных на входе и выходе фазовращателя. На рис. 1 показана феррит-диэлектрическая секция ФВФН2–25.

Рис. 1. Феррито-диэлектрическая секция фазовращателя ФВФН2-25

Время переключения фазовращателя ФВФН2–25 составляет более 500 мкс и не может быть уменьшено без резкого возрастания энергии, необходимой для перемагничивания феррита в нем. Главной причиной является наличие металлизации ферритового стержня. Она образует короткозамкнутый виток, в котором при изменении намагниченности феррита формируется ток — ток Фуко, препятствующий этому изменению.

Другой вариант исполнения взаимного волноводного фазовращателя — фазовращатель Реджиа-Спенсера, разработанный в НИИПе и подробно описанный в [2], его конструкция показана на рис. 2.

Рис. 2. Конструкция фазовращателя Реджиа-Сенсера согласно [2]

В нем ферритовый стержень (2) не металлизирован, но находится внутри запредельного металлического волновода (1), на который намотаны обмотки управления (на рис. 2 не показаны). Этот же волновод фактически служит и корпусом прибора. Для обеспечения режима магнитной памяти вблизи торцов стержня к нему примыкают «ножки» (2) магнитопроводов (5), проходящие через отверстия в стенках волновода. Согласующие переходы образуют отрезки прямоугольных волноводов (8), и в них размещены керамические трансформаторы (9), приклеенные к торцам ферритового стержня. Различные диэлектрические пластины (3–5), наклеенные на ферритовый стержень и стенки волновода, обеспечивают работу фазовращателя в широкой полосе частот. Фазовый сдвиг в данном фазовращателе зависит от модуля намагниченности ферритового стержня, поэтому он является взаимным.

По стенкам волновода также протекают токи Фуко, препятствующие перемагничиванию феррита. Как показывают расчеты, принципиальное значение для длительности затухания переходных процессов в фазовращателе и энергозатратах на его переключение имеет результирующее омическое сопротивление короткозамкнутого витка, образованного металлической стенкой волновода (или покрытием ферритового стержня). Для уменьшения и скорейшего затухания токов Фуко в [2] предлагается изготавливать волновод (1) из тонких листов титана с высоким удельным сопротивлением. Такую конструкцию имел серийно выпускавшийся в ОАО «Завод Магнетон» фазовращатель первой самолетной ФАР системы управления вооружением (СУВ) «Заслон» для лучшего военного самолета страны — истребителя-перехватчика МиГ‑31. До развала СССР на «Магнетоне» было выпущено более 600 тыс. указанных приборов. Такого же типа и фазовращатель радиолокационной станции «Ирбис» для истребителя Су‑35 с фазированной антенной решеткой разработки НИИПа и Государственного Рязанского приборного завода (ГРПЗ), показанный на рис. 3.

Рис. 3. Фазовращатель ФАР «Ирбис»

Если сравнивать двухмодовый фазовращатель и фазовращатель Реджиа-Спенсера по электрическим характеристикам, преимущество будет у второго. При изменении температуры в двухмодовом фазовращателе нарушается оптимальность полей квадрупольных поляризаторов (при отрицательных температурах поле магнитов становится сильнее, при высоких положительных — слабее). Причем часть энергии преобразуется в кросс-поляризованную волну, которая поглощается в тонком слое поглотителя (поляризационном фильтре), расположенного внутри керамических согласователей, и потери фазовращателя несколько возрастают. В фазовращателе Реджиа-Спенсера при изменении температуры смещаются находящиеся вне полосы рабочих частот резонансы на АЧХ. При правильно подобранных размерах деталей фазовращателя и марке феррита эти резонансы не попадают в полосу рабочих частот во всем температурном диапазоне, и потери фазовращателя остаются неизменными.

Однако при несомненных достоинствах фазовращателей Реджиа-Спенсера в титановых корпусах — низких потерях в широком температурном диапазоне, малых габаритах и весе, высокой надежности, — реализовать на них большое быстродействие все же нельзя.

Быстродействующие фазовращатели Реджиа-Спенсера

Техническое решение, позволившее резко увеличить быстродействие фазовращателя Реджиа-Спенсера, появилось в 2011 году. Тогда в ОАО «Завод Магнетон» в сотрудничестве с НИИПом решили создать фазовращатель Реджиа-Спенсера, по своим характеристикам полностью аналогичный ФВФН2–25. Важно отметить, что для обеспечения командного режима управления ФАР при серийном производстве ФВФН2–25 на «Магнетоне» гарантировалась идентичность их ФВХ и одинаковость их изменения при перемене температуры. Для этого в технических условиях (ТУ) были приведены эталонные ФВХ фазовращателя в нормальных климатических условиях (НКУ) и крайних точках температурного диапазона (–50 и +65 °C), а также установлен допуск на предельно допустимое среднеквадратичное отклонение (СКО) ФВХ конкретного прибора от эталонных характеристик. То есть новый фазовращатель должен был иметь такие же ФВХ, что и ФВФН2–25.

На тот момент на заводе существовал участок прецизионного литья пластмасс, инструментальный цех, имеющий богатый опыт проектирования сложных литейных форм, а также участок гальваники, на котором металлизировались стержни для ФВФН2–25 и других фазовращателей. Поэтому было решено не осваивать довольно сложную технологию изготовления титановых волноводов, а изготавливать их методом литья из полимерного материала с последующей металлизацией. Сначала в лаборатории НИИПа, возглавляемой Еленой Ивановной Старшиновой, родоначальницей всех выпускавшихся на тот момент фазовращателей Реджиа-Спенсера, провели макетирование волновода с переходами в титановом исполнении, поскольку литьевая форма — изделие дорогое. Определились с ферритом. Спроектировали форму для литья полимерного корпуса, отлили и довольно долго отрабатывали режимы нанесения гальванического покрытия на его внутреннюю поверхность и наружную поверхность фланцев. Когда все получилось, оказалось, что это техническое решение резко изменило поведение фазовращателя под действием управляющих импульсов, длительность которых пришлось уменьшить в 4 раза! Переключать фазовращатель медленно (воспроизвести ФВХ серийного ФВФН2–25) оказалось возможным, только если сымитировать короткозамкнутый виток подключением резистора параллельно обмотке управления. Энергопотребление по цепям управления при быстром перемагничивании резко возрастало, но при медленном нужная форма ФВХ была обеспечена. Проанализировав результаты, решили «медленный» вариант все же не делать, а выпустить новый быстродействующий фазовращатель. Для детальной отработки конструкции и технологии по согласованному с НИИПом ТЗ в ОАО «Завод Магнетон» была проведена под контролем ВП инициативная ОКР «МАК‑2», в результате которой в 2013 году был разработан первый быстродействующий фазовращатель Реджиа-Спенсера ФВФН2–27. Предназначался он для замены ФВФН2–25 в ФАР ЗРК БУК-М2 при ее модернизации.

Рис. 4. ФВФН2-25 и ФВФН2-27

На рис. 4 показаны оба фазовращателя. Их параметры приведены в таблице.

Примечания.
*) Здесь и далее НКУ — нормальные климатические условия (+20…+25 °С).
**) Оценочный параметр для переключения в крайние фазовые состояния, в ТУ не приводится.

Намеченная модернизация затянусь почти на десятилетие. Оказалось, что столь высокое быстродействие не поддерживали другие элементы системы. Мало того, что созданный фазовращатель более чем вчетверо превосходит своего предшественника по быстродействию, он при этом требовал в 4 раза меньше энергозатрат на свое переключение! Он имеет меньшие габариты и в 2 раза легче аналога. Новый прибор освоен в серийном производстве и включен в Перечень ЭКБ, рекомендованной к применению при разработке военной техники.

Перспективное техническое решение было запатентовано [3] и стало основой для разработки целого ряда приборов подобного типа в разных частотных диапазонах.

Так, вскоре после завершения проекта «МАК‑2» был создан быстродействующий аналог фазовращателя «Ирбис» 3‑см диапазона — фазовращатель ФТСК.467711.001 (далее — ФВ‑001), который полностью соответствовал прототипу по габаритным и установочным размерам, а также обладал высоким быстродействием и малым энергопотреблением.

Следующим шагом в развитии линейки быстродействующих фазовращателей стала разработка ФВФН2–31 2‑см диапазона. И снова разработчиком ФАР выступает АО «НИИП им. В. Тихомирова», реализуя свой богатейший опыт в создании подобных систем.

На рис. 5 показаны все три быстродействующих фазовращателя.

Рис. 5. Фазовращатели ФВФН2-31, ФВ-001 и ФВФН2-27

Все упомянутые фазовращатели изготовлены в ОАО «Завод Магнетон» в количествах, соответствующих серийному производству — по несколько тысяч штук. Поэтому при обсуждении их характеристик можно делать статистические выводы. Важнейшим свойством этих приборов, как и у ФВФН2–25, является одинаковость их ФВХ. В ТУ приборов в процессе разработки сразу включают вид ФВХ при трех температурах — в НКУ, на верхней и на нижней границах температурного диапазона, а также допустимое СКО от них у каждого прибора. Одинаковость ФВХ во многом обеспечивается наличием резистора, последовательно подключенного к обмотке управления. На ФВФН2–25 установлен постоянный резистор типа МЛТ, на ФВФН2–27 и ФВ‑001 — подстроечный керамический, что несколько упростило процедуру настройки. Для ФВФН2–31 сделать так же не получилось, поскольку габариты подстроечного резистора оказались слишком велики, и резистор ставят в SMD-исполнении. Величину его сопротивления подбирают при настройке прибора так, чтобы максимальный фазовый сдвиг на верхней частоте рабочего диапазона был одинаковым у всех приборов. На форму ФВХ влияет и толщина металлизации полимерного корпуса фазовращателя, для контроля одинаковости которой в ОАО «Завод Магнетон» была разработана специальная методика [5]. Однако при изменении температуры форма ФВХ и ее поведение больше всего зависит от свойств феррита. Жесткие требования ТУ к виду ФВХ можно выполнить только предприятию, самостоятельно изготавливающему ферритовые материалы для своих фазовращателей. ОАО «Завод Магнетон» и является таким предприятием. Для каждого прибора на заводе разработана специальная марка феррита, но главным залогом идентичности фазовращателей при серийном выпуске является оперативная обратная связь между цехами, выпускающими ферритовые детали и фазовращатели в сборе.

На рис. 6 представлены эталонные ФВХ фазовращателей при разных температурах. Видно, что при отрицательной температуре наклон ФВХ несколько возрастает. При максимальной положительной температуре ФВХ отличаются от нормальных условий существенно меньше.

Рис. 6. Усредненные (эталонные) ФВХ фазовращателей в диапазоне температур

На рис. 7 показано распределение СКО ФВХ фазовращателей от эталонных ФВХ для соответствующих температур. Видно, что в НКУ ФВХ 80% приборов одинаковы с точностью до 6°. На максимальной отрицательной температуре ФВХ примерно в 1,5 раза сильнее отличаются от эталона. При максимальной положительной это отличие обнаружилось только у ФВФН2–27.

Рис. 7. Статистика отклонений ФВХ от эталонных характеристик

На рис. 8 изображены статистические распределения средних потерь фазовращателей. По согласованию с разработчиками ФАР средние потери фазовращателя в ТУ определены как полусумма минимальных и максимальных потерь (по всем фазовым состояниям) на частоте, на которой наблюдаются максимальные потери.

Рис. 8. Статистические распределения для параметра «средние потери»

Средние потери оказались наименьшими у ФВФН2–31 (у 70% приборов они не превышают 0,6 дБ), максимальными (на 0,25 дБ больше) у ФВ‑001. При изменении температуры изменение потерь у разных приборов оказалось разным. Так, у ФВФН2–27 потери при нагревании приборов в среднем уменьшаются, при охлаждении до –50 °C на 0,4 дБ возрастают. У ФВФН2–31 — наоборот, повышение температуры увеличивает средние потери, понижение — уменьшает. У ФВ‑001 рост средних потерь происходит и при высокой, и при низкой температуре. Объяснение этому следующее. При действии предельно допустимых температур максимальное значение потерь получается вблизи одной из границ частотного диапазона. При широкой рабочей полосе частот (у ВФ‑001 она максимальна) оба участка АЧХ с повышенными потерями, находящиеся в НКУ вне рабочей полосы, близко приближаются к ее границам (при высокой температуре — к верхней, при низкой — к нижней) и средние потери по отношению к НКУ растут. Если полоса уже, то эффект сказывается только для одной из температур. Для какой — зависит от того, как сочетаются размеры волновода и параметры феррита. Так, волновод ФВФН2–31 был изначально спроектирован под более широкополосный фазовращатель. Затем низкочастотная часть полосы оказалась не востребована и в ТУ не вошла. Поэтому его потери при –60 °C даже меньше, чем в НКУ, а при +70 °C — выше.

Если же определять усредненные потери по всей полосе частот и по всем фазовым состояниям, их значение окажется в пределах 0,5–0,6 дБ во всем диапазоне температур. Как показали расчеты, основным фактором, влияющим на сдвиг резонансов АЧХ при изменении температуры, является изменение размеров полимерного волновода при его нагревании и охлаждении. Возможно, с появлением новых композитных материалов с меньшими КТЛР ширину полосы частот фазовращателей Реджиа-Спенсера можно будет еще немного расширить.

Несколько слов о конструктивном исполнении фазовращателей. Конструкции ФВФН2–27 и ФВ‑001 схожи. Оба крепятся в ФАР винтами. Резьба под них нарезана в титановых пластинках, приклеенных к пластиковому корпусу с тыльной стороны фланца. Вписать такую пластину в ФВФН2–31 из-за жестких требований к его габаритам оказалось уже невозможно. Поэтому при сборке ФАР фазовращатели просто зажимают между выходами ВРС, в которых выфрезированы под фланцы соответствующие «посадочные места». Безусловно, следует отдать должное таланту конструкторов АО «НИИП им. В. В. Тихомирова», сумевших реализовать эту идею на практике.

Заключение

Описанные в настоящей статье быстродействующие волноводные взаимные ферритовые фазовращатели с магнитной памятью позволяют реализовать новые пассивные ФАР с уменьшенным энергопотреблением и высокой частотой обзора пространства. Они могут быть реализованы в любой части C‑, Х‑ и Ku- СВЧ-диапазонов. В сочетании с хорошо проработанной в АО «НИИ приборостроения им. В. В. Тихомирова» технологией проектирования ФАР на основе высокоэффективных волноводных распределительных систем и многотактных систем фазирования с командным управлением, выпускаемые в ОАО «Завод Магнетон» фазовращатели позволят еще долго не списывать пассивные ФАР со счетов технического прогресса.