Модуль приемной активной фазированной антенной решетки

Полезная модель относится к радиотехнике и может использоваться для построения приемных модулей активных фазированных антенных решеток (АФАР) СВЧ диапазона. Предлагается использование в составе АФАР многофункциональных радиолокационных и информационных систем повышенной помехозащищенности, в радиорелейных линиях связи и системах самолетной радиосвязи. Модули приемной АФАР состоят из следующих элементов: приемная микрополосковая антенна; фильтр-преселектор, предотвращающий перегрузку приемного тракта; аттенюатор, обеспечивающий амплитудное распределение сигнала по раскрыву решетки; фазовращатель, задающий фазовое распределение сигнала; гиратор для обеспечения согласования элементов тракта; усилитель, состоящий из одного или более каскадов активного усиления, и детектор для выделения огибающей сигнала. Отличие состоит в том, что элементы модуля построены с использованием слоистых феррит-пьезоэлектрических структур в сочетании с резонансными явлениями. Предложенная конструкция модуля приемной АФАР дает возможность реализовать в 1,5-1,7 раза более компактный и легкий модуль приемной АФАР, чем прототип, обладает высоким быстродействием, малой мощностью управления, при этом развязка цепей управления осуществляется одновременно электрическими и магнитными полями. Все перечисленные положительные факторы делают использование предлагаемого модуля приемной АФАР технически и экономически выгодным.

Полезная модель относится к радиотехнике и может использоваться для построения приемных модулей активных фазированных антенных решеток (АФАР) СВЧ диапазона. Предлагается использование в составе АФАР многофункциональных радиолокационных и информационных систем повышенной помехозащищенности, в радиорелейных линиях связи и системах самолетной радиосвязи.

Известны модули АФАР, в которых приемники и передатчики являются составной частью сложной антенной системы. Из таких модулей как из "кирпичиков" собираются АФАР. Структурная схема приемного модуля АФАР включает антенну, активный элемент и фазирующую систему. Конструктивное единство модуля обеспечивается выбором компонентов: антенны могут быть печатными, щелевыми, линзовыми, рупорными и т.д.; активными элементами могут быть диоды и транзисторы, входящие в состав смесителей и усилителей; фазирующая система обычно представляет собой плавные или дискретные проходные или отражательные фазовращатели на p-i-n-диодах, ферритах и т.д. Обработка сигнала в приемнике модуля может происходить на промежуточной частоте, а не на частоте принимаемого сигнала.

Одним из новых направлений построения модулей АФАР является использование слоистых феррит-пьезоэлектрических структур в сочетании с резонансными явлениями. Слоистые феррит-пьезоэлектрические структуры [1] являются идеальным' объектом для создания СВЧ магнитоэлектрических (МЭ) устройств [2-3]. Использование электромеханического, ферромагнитного и магнитоакустического резонансов, магнитодипольных и электродипольных переходов в этих структурах, позволяет проектировать новые. СВЧ МЭ устройства [4-6] и создавать на их основе различные модули [7].

Очевидно, что для работы модулей используются некоторые узлы, конструктивно не входящие в модуль, а являющиеся принадлежностью всей системы: это мощный гетеродин для всех смесителей АФАР, устройство обработки сигналов (сумматоры, умножители, корреляторы для объединения сигналов, принимаемых каждым модулем), блок управления фазовращателями, процессор и т.д. Ниже они не рассматриваются.

Рассматриваемые ниже модули приемной АФАР состоят из следующих элементов: приемная микрополосковая антенна [7]; фильтр-преселектор [8], предотвращающий перегрузку приемного тракта; аттенюатор, обеспечивающий амплитудное распределение сигнала по раскрыву решетки; фазовращатель [9], задающий фазовое распределение сигнала; гиратор [10] для обеспечения согласования элементов тракта; усилитель, состоящий из одного или более каскадов активного усиления, и детектор для выделения огибающей сигнала.

Прототипом изобретения является (см. RU 2380803, H01Q21/00, 2010) модуль приемной АФАР, состоящий из антенны типа дифракционной решетки из проводников на поверхности металлизированной диэлектрической подложки с фокусирующим устройством, диодного смесителя и дискретного диодного фазовращателя на переключаемых отрезках микрополосковых волноводов. Использование таких фазовращателей обусловлено единством технологического процесса изготовления печатной антенны и фазовращателя, что позволяет конструктивно объединить их на общей диэлектрической подложке в составе модуля.

Антенна модуля-прототипа принимает излучения миллиметрового диапазона, дифракционной решеткой направляет в виде поверхностной волны Е вдоль диэлектрической подложки, фокусирует в плоскости Н и подает на вход диодного смесителя. На гетеродинный вход подается часть мощности общего для АФАР гетеродина, и промежуточная частота дециметрового или метрового диапазона поступает на вход дискретного диодного фазовращателя на переключаемых отрезках микрополосковых волноводов. В зависимости от полярности напряжений, подаваемых от системного блока управления фазовращателями АФАР, фаза сигнала промежуточной частоты, поступающего на выход фазовращателя (на выход модуля), меняется так, как необходимо для формирования диаграммы направленности АФАР устройством обработки.

Недостатком прототипа являются его большие габариты. Недостаток обусловлен тем, что размеры модуля определяются суммой размеров антенны, смесителя и фазовращателя.

Задачей полезной модели является уменьшение размеров, увеличение степени быстродействия; уменьшение мощности, потребляемой в цепи управления; осуществление развязки цепей управления одновременно электрическим и магнитным полями.

Для решения данной задачи предложен приемный модуль АФАР на основе элементов, использующих слоистые феррит-пьезоэлектрические структуры.

Отличие состоит в том, что элементы модуля построены с использованием слоистых феррит-пьезоэлектрических структур в сочетании с резонансными явлениями.

Основными преимуществами являются: более компактный и легкий модуль приемной АФАР, обладающий высоким быстродействием, малой мощностью управления с развязкой цепей управления одновременно электрическими и магнитными полями.

Ниже приведено краткое описание конструкций перечисленных элементов МЭ модуля.

На фиг.1 приведен пример реализации МЭ приемного блока СВЧ АФАР, в целом реализованного на МЭ устройствах, где:

1 - антенна;

2 - канал 1;

3 - фильтр-преселектор;

4 - аттенюатор;

5 - фазовращатель;

6 - гиратор;

7 - усилитель;

8 - детектор;

9 - канал 2;

10-канал 3;

11 - канал N.

Приемная микрополосковая антенна

В технике СВЧ часто применяются щелевые и прямоугольные излучатели, они имеют малые размеры и являются достаточно технологичными, что позволяет конструировать на их основе АФАР. МЭ щелевая антенна СВЧ диапазона представляет собой прямоугольную диэлектрическую пластину (подложку) из материала ФЛАН металлизированную с двух сторон. Нижняя сторона металлизации заземлена, на верхней стороне от края антенны прорезана щель. В подложке вырезано прямоугольное углубление, в которое установлен прямоугольный образец - пленка железо-итриевого граната (ЖИГ) на подложке галлий-гадолиниевого граната (ГГТ). Сверху, на пленку ЖИГ приклеен диск из пьезокерамики ЦТС. Диск с обеих сторон металлизирован, к его металлизированным сторонам подведены электроды для подачи управляющего напряжения. Диск ЦТС, совместно с пленкой ЖИГ, составляет МЭ элемент. При подаче на диск ЦТС управляющего напряжения, в результате МЭ взаимодействия меняются свойства СВЧ поля, проходящего через элемент. Этим достигается возможность управления СВЧ характеристиками устройства. Для создания необходимого подмагничивающего поля с обратной стороны антенны расположен небольшой магнит, регулируемый с помощью диэлектрического винта. Антенна соединяется с волноведущим трактом разъемом типа SMA.

Фильтр-преселектор

СВЧ фильтры на МЭ композитах [3,8] проектируются на основе различных проявлений МЭ эффекта. Наиболее сильно МЭ эффект проявляется в виде сдвига резонансной линии ФМР под действием управляющего электрического поля [1,4]. МЭ композит в этом случае играет роль резонатора. Применение управляющего электрического поля позволяет осуществить перестройку характеристик фильтра в широком диапазоне частот и реализовать фильтр-преселектор с электрической перестройкой частоты.

Полосно-пропускающий микрополосковый МЭ фильтр представляет собой плату из диэлектрического материала, на которой располагаются линии передачи в виде связанных микрополосковых линий нерезонансной длины. Резонаторы выполнены в виде МЭ пластин состава ЖИГ - ЦТС. Развязка между линиями определяется величиной зазора между линиями передачи. Связь между линиями передачи осуществляется с помощью резонаторов, намагниченных до величины резонансного магнитного поля. Перестройка параметров фильтра осуществляется с помощью управляющего электрического поля.

Аттенюатор

МЭ аттенюатор [3] представляет собой микрополосковую линию, в которой с помощью шлейфов длиной 3/8 и /8 создана область с круговой поляризацией СВЧ поля. В эту область помещен МЭ резонатор, состоящий из диска ЖИГ на подложке из ГГТ и диска ЦТС. Внешнее магнитное поле, прикладываемое к образцу, создает резонансное поле и служит для выбора рабочей частоты устройства. Управляющее электрическое поле прикладывается к электродам, нанесенным на пьезоэлектрик ЦТС.

Фазовращатель

Микрополосковый СВЧ МЭ фазовращатель [7,9] выполненна основе трехслойной МЭ структуры, состоящей из пленки ЖИГ на подложке из ПТ и диска ЦТС. Принцип действия фазовращателя основан на микроволновом МЭ эффекте, заключающемся в сдвиге линии ФМР под действием управляющего электрического поля. Основой конструкции проходного фазовращателя является микрополосковая линия передачи на составной подложке: диэлектрик и МЭ диск, служащий СВЧ резонатором. В объеме МЭ резонатора при помощи шлейфов создается круговая поляризация магнитного поля. Резонатор установлен в область круговой поляризации микроволнового магнитного поля, постоянное магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости образца. В отличие от МЭ аттенюатора рабочая точка для уменьшения потерь выбирается на дисперсионной кривой вне области резонанса. Под воздействием управляющего напряжения, прикладываемого к электродам, расположенным на торцах МЭ резонатора, вследствие микроволнового МЭ эффекта происходит сдвиг линии ФМР и реализуется электрическое управление параметрами фазовращателя.

Гиратор

В отличие от известного в технике СВЧ гиратора на эффекте Фарадея, который осуществляет поворот фазы на 180°, гиратор с использованием МЭ эффекта обладает способностью также инвертировать импеданс линии передачи и преобразовывать входное напряжение в ток и наоборот [10]. Гиратор на МЭ эффекте имеет компактную форму благодаря используемому сосредоточенному элементу, что позволяет существенно сократить габаритные размеры СВЧ гиратора и применять его в технике СВЧ для инвертирования импеданса и поворота фазы электромагнитной волны. Элементы МЭ резонатора расположены на диэлектрической подложке. В разрыв микрополосковой линии установлен МЭ элемент, охваченный петлей, соединенной с микрополосковой линией. МЭ элемент представляет собой в данном случае слоистую структуру: пленка ЖИГ на подложке ГГГ и пьезоэлектрик ЦТС с нанесенными на обе стороны металлизированными обкладками. Данное устройство позволяет регулировать активное сопротивление линии передачи.

МЭ СВЧусилитель

В отличие от известного в технике СВЧ усилителя на ферритах, усилитель с использованием МЭ эффекта обладает значительным преимуществом, заключающимся в том, что для преобразования энергии используется магнитоакустический резонанс (MAP) [6]. Это позволяет преобразовывать большую часть энергии накачки и использовать режимы накачки без критических мощностей. Рассматриваемый усилитель имеет компактную форму благодаря используемому МЭ элементу. В устройстве нет необходимости использовать цепи смещения, как в полупроводниковых усилителях. Это позволяет существенно сократить габаритные размеры МЭ СВЧ усилителя и применять его в устройствах микро- и наноэлектроники. Резонатор имеет специальную форму со шлейфами 1/8 и 3/8 длины волны усиливаемого сигнала, необходимую для создания СВЧ поля с круговой поляризацией, что позволяет более эффективно использовать ферритовую компоненту МЭ элемента. Размеры резонатора подобраны таким образом, чтобы соответствовать 1/2 длины волны сигнала с тем, чтобы обеспечить условия резонанса на основной частоте прецессии.

Селективный МЭ СВЧ детектор

Детектор использован для выделения огибающей СВЧ сигнала в модулях ФАР. Детектор состоит из диэлектрической подложки, на которой сформирована микрополосковая линия передачи. На подложке полосковыми шлейфами длиной /8 и 3/8 создается область круговой поляризации магнитного поля СВЧ сигнала. С обратной стороны платы прикреплен постоянный магнит в форме диска, создающий резонансное подмагничивающее поле. Чувствительный элемент помещен в область пучности магнитного поля и представляет собой слоистый композит в форме диска состава: пьезоэлектрик-феррит-планарный полупроводниковый диод. Разделительные конденсаторы, представляющие собой разрыв микрополосковой линии передачи, предотвращают распространение управляющего электрического сигнала в СВЧ тракт. Фильтры низких частот, сформированные последовательно соединенными полосковыми линиями с разным волновым сопротивлением, предотвращают распространение СВЧ сигнала к входу отсчетного устройства. Устройство позволяет детектировать СВЧ сигнал простым и эффективным способом, обладает совместимостью с планарными устройствами, широким температурным диапазоном, низким энергопотреблением, частотной избирательностью и высоким быстродействием частотной перестройки, управляемой электрическим полем.

Предложенная конструкция модуля приемной АФАР дает возможность реализовать в 1,5 - 1,7 раза более компактный и легкий модуль приемной АФАР, чем прототип, обладает высоким быстродействием, малой мощностью управления, развязка цепей управления осуществляется одновременно электрическими и магнитными полями. Все перечисленные положительные факторы делают использование предлагаемого модуля приемной АФАР технически и экономически выгодным.

Источники информации

1. Бичурин М.И., Петров В.М. Магнитный резонанс в слоистых феррит-сегнетоэлектрических структурах. ЖТФ 11, Т.58. С.2277-2278 (1988).

2. Бичурин М.И. Магнитоэлектрические материалы и их применение в технике СВЧ. Вестник НовГУ 19, С.7-12 (2001).

3. Bichurin M.I., Petrov V.M., Petrov R.V., Kapralov G.N., KilibaYu.V., Bukashev F.I., SmimovA.Yu., Tatarenko A.S. Magnetoelectric microwave devices. Ferroelectrics 280, P.211-218 (2002).

4. Bichurin M.I., Komev LA., Petrov V.M., Tatarenko A.S, KilibaYu.V., Srinivasan G. Theory of magnetoelectric effects at microwave frequencies in a piezoelectric/magnetostrictive multilayer composite. Phys. Rev. В 64, 094409 (1-6) (2001).

5. Bichurin M.I., Filippov D.A., Petrov V.M., Laletsin V.M., Paddubnaya N., Srinivasan G. Resonance magnetoelectric effects in layered magnetostrictive-piezoelectric composites. Phys. Rev. В 68, 132409 (1-4) (2003).

6. Bichurin M.I., Petrov V.M., Ryabkov O.V., Averkin S.V., Srinivasan G. Theory of magnetoelectric effects at magnetoacoustic resonance in single-crystal ferromagnetic-ferroelectric heterostructures. Phys. Rev. В 72, 060408(R) (2005).

7. Bichurin M.I., R.V. Petrov R.V. Magnetoelectric Phasers For PAS. Proceedings of the 2nd International Conference and Exhibition on Satellite Communications (ICSC'96).Moscow, P.172-176 (1996).

8. Петров Р.В., Бичурин М.И., Воробьев Ю.Д, Килиба Ю.В. Полосовой перестраиваемый магнитоэлектрический СВЧ фильтр. Сб. докл. Международного форума по проблемам науки, техники и образования. МИИГАИК. М., С.234-238 (1997).

9. Bichurin M.I., Petrov R.V., KilibaYu.V. Magnetoelectric microwave phase shifters. Ferroelectrics 204, P.311-318 (1997).

10. Бичурин М.И., Петров Р.В., Филиппов А.В., Гиратор СВЧ магнитоэлектрический, RU 2357356, Н03Н 011/42, 2009.

Модуль приемной активной фазированной решетки, содержащий приемную микрополосковую антенну, фильтр-преселектор, предотвращающий перегрузку приемного тракта, аттенюатор, обеспечивающий амплитудное распределение сигнала по раскрыву решетки; фазовращатель, задающий фазовое распределение сигнала, гиратор для обеспечения согласования элементов тракта, усилитель, состоящий из одного или более каскадов активного усиления, и детектор, служащий для выделения огибающего сигнала, отличающийся тем, что элементы модуля построены с использованием слоистых феррит-пьезоэлектрических структур в сочетании с резонансными явлениями.