Антенный элемент фазированной антенной решетки с переключателем поляризации

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в антенных системах СВЧ-диапазона для управления фазовым сдвигом и переключением поляризации электромагнитной волны. Технический результат полезной модели заключается в снижении энергии и времени переключения поляризации электромагнитной волны, повышении температурной стабильности управляемого переключателя поляризации. Результат достигается тем, что антенный элемент фазированной антенной решетки содержит фазовращатель, волноводный переход, управляемый переключатель поляризации, включающий участок металлизированного ферритового стержня круглого сечения с установленными на нем магнитопроводами. При этом ферритовый фазовращатель имеет линейную поляризацию и выполнен на волноводе прямоугольного сечения, продолжением которого является волноводный переход, также выполненный на волноводе прямоугольного сечения, в центре которого по всей длине установлена диэлектрическая пластина. Причем соединение волноводного перехода с управляемым переключателем поляризации осуществляют посредством металлической стенки с круглым отверстием в центре и присоединенным к ней соосно отверстию круглым металлическим волноводом, внутри которого установлен круглый металлизированный ферритовый стержень, на котором выполнен управляемый переключатель поляризации, состоящий из вращателя поляризации и взаимной четвертьволновой секции. Вращатель поляризации состоит из двух одинаковых секций, каждая из которых содержит обмотки управления и магнитопроводы, а четвертьволновая секция выполнена на круглом металлизированном диэлектрическом стержне с двумя одинаковыми металлизированными выемками, расположенными симметрично.

Полезная модель относится к радиотехнике и может использоваться в антенных системах СВЧ диапазона для управления фазовым сдвигом и переключением поляризации электромагнитной волны.

Из уровня техники известен антенный элемент фазированной антенной решетки (Патент RU №2194342 опубликован 10. 12. 2002 г.), содержащий 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 проходят через пазы магнитопроводов. Наличие четырех дроссельных щелей позволяет увеличить быстродействие антенного элемента и уменьшить потребляемую мощность. К недостаткам данного устройства можно отнести недостаточно высокую температурную стабильность управляемого переключателя поляризации.

Известен антенный элемент фазированной антенной решетки (Патент US №3, 938, 158 опубликован 10. 02. 1976), содержащий фазовращатель и переключатель поляризации, включающий участок металлизированного ферритового стержня квадратного сечения. Недостатками его являются сложность конструкции, недостаточно высокое быстродействие и температурная нестабильность.

Наиболее близким к заявляемому по конструкции является антенный элемент фазированной антенной решетки (Патент RU №2249281 опубликован 27.03.2005 г.), который и выбран в качестве прототипа. Антенный элемент содержит в едином конструктиве фазовращатель и переключатель поляризации, его основу составляет один общий металлизированный ферритовый стержень с одинаковым или различным круглым сечением по длине. Он имеет фазовращатель круговой поляризации с обмоткой управления и ферритовыми магнитопроводами, симметрично установленными на участке металлизированного ферритового стержня круглого сечения, образующего волновод круглого сечения, соединенный через волноводный переход длиной не менее /8, где - длина волны в свободном пространстве, с управляемым переключателем поляризации, включающем другой участок металлизированного ферритового стержня круглого сечения и расположенные на нем магнитопроводы, по форме представляющие собой части кольца (два полукольца или четверти кольца), имеющие пазы для фиксации катушки управления переключением поляризации. Одной из особенностей данной конструкции является отсутствие дроссельных щелей в металлизированном слое ферритового стержня, что значительно снижает трудоемкость изготовления антенного элемента и уменьшает его стоимость. Недостатком данной конструкции является большая энергия переключения, а также недостаточно высокое быстродействие и температурная нестабильность.

Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в расширении функциональных возможностей антенного элемента фазированной антенной решетки (ФАР) с переключателем поляризации, в снижении энергии и времени переключения поляризации электромагнитной волны, повышении температурной стабильности управляемого переключателя поляризации.

Технический результат достигается за счет того, что антенный элемент фазированной антенной решетки содержит фазовращатель,

соединенный через волноводный переход с управляемым переключателем поляризации, включающим участок металлизированного ферритового стержня круглого сечения с установленными на нем магнитопроводами. Причем ферритовый фазовращатель работает на волне линейной поляризации и выполнен на волноводе прямоугольного сечения. Фазовращатель и управляемый переключатель поляризации, работающий на эффекте Фарадея, соединены через волноводный переход длиной (0,07-0,12) где - длина волны в свободном пространстве. Переход выполнен на прямоугольном волноводе, высота которого равна (0,25-0,3), а ширина - (0,4-0,5) являющемся продолжением прямоугольного волновода фазовращателя, размеры которых в сечении могут быть как одинаковыми, так и различными. В центре волновода перехода по всей длине установлена диэлектрическая пластина с диэлектрической проницаемостью =15-17, высота которой составляет (0,4-0,8) от высоты волновода перехода, а ширина - (0,4-0,7) от ширины волновода перехода. В месте соединения перехода с поляризатором установлена металлическая стенка в центре которой расположено круглое отверстие. К стенке соосно отверстию присоединен круглый металлический волновод, внутренний диаметр которого равен диаметру отверстия. В волновод помещен круглый металлизированный ферритовый стержень, на котором выполнен управляемый переключатель поляризации, состоящий из четвертьволновой секции и двух одинаковых секций, являющихся фарадеевскими вращателями поляризации, каждая из которых содержит два магнитопровода, расположенные на противоположных сторонах волновода и выполненные в виде П-образных ферритовых скоб, опирающихся на поверхность металлизированного ферритового стержня. Причем опорная поверхность скоб выполнена по форме поверхности стержня и имеет паз, расположенный на ее средине по оси симметрии. Введение в состав переключателя поляризации четвертьволновой секции позволяет обеспечить работу антенного элемента не только на двух линейных, но и на двух круговых поляризациях. Она выполнена на

металлизированном диэлектрическом стержне круглого сечения, являющемся продолжением ферритового стержня. В зоне, образующей четвертьволновую секцию, на поверхности стержня имеются выемки, обеспечивающие преобразование круговой поляризации волны в линейную. В поперечном сечении форма выемки может иметь форму сегмента или трапециидальную форму. В продольном направлении выемка может иметь ступенчатый или плавный переход на диаметр стержня.

Для увеличения быстродействия и снижения энергии потребления поверхность металлизированного ферритового стержня управляемого переключателя поляризации дополнительно содержит две продольные прорези, покрытые слоем диэлектрика и слоем металлизированного покрытия.

Конструкция антенного элемента фазированной антенной решетки (ФАР) с переключателем поляризации показана на Фиг.1-Фиг.9. Антенный элемент ФАР с переключателем поляризации содержит ферритовый фазовращатель 1 линейной поляризации, выполненный на волноводе прямоугольного сечения, волноводный переход 2, соединяющий фазовращатель 1 с управляемым переключателем поляризации 3, обеспечивающим работу антенного элемента фазированной антенной решетки на двух линейных ортогональных поляризациях. Фазовращатель 1 и управляемый переключатель поляризации 3 соединены через волноводный переход 2 длиной (0,07-0,12) выполненный на прямоугольном волноводе, высота которого равна (0,25-0,3), а его ширина равна (0,4-0,5) являющемся продолжением прямоугольного волновода фазовращателя 1, размеры волноводов перехода и фазовращателя в сечении могут быть как одинаковыми, так и отличными друг от друга. В центре волновода перехода 2 по всей длине установлена диэлектрическая пластина 4 с диэлектрической проницаемостью =15-17, имеющая высоту составляющую (0,4-0,8) от высоты волновода перехода, а ширину - (0,4-0,7) от ширины волновода перехода. В месте соединения перехода с управляемым переключателем поляризации установлена металлическая стенка 5, в центре которой

расположено круглое отверстие 6. К стенке соосно отверстию 6 присоединен круглый металлический волновод 7, внутренний диаметр которого равен диаметру отверстия 6. В волновод 7 установлен круглый металлизированный ферритовый стержень 8, на котором выполнен управляемый переключатель поляризации 3, состоящий из вращателя поляризации 9 и взаимной четвертьволновой секции 10. Вращатель поляризации 9 состоит из двух одинаковых секций 11. Обе секции 11 выполнены на общем волноводе, представляющем металлизированный ферритовый стержень 8 круглого сечения. Каждая секция 11 содержит, по крайней мере, две обмотки 12 (обмотку сброса и обмотку набора), по крайней мере, два магнитопровода 13, расположенных симметрично на металлизированном ферритовом стержне 8. Магнитопроводы 13 выполнены в виде П-образных ферритовых скоб, опирающихся на поверхность металлизированного ферритового стержня 8. При этом опорная поверхность магнитопроводов 13 выполнена по форме поверхности металлизированного ферритового стержня 8 и имеет паз 14, расположенный на середине опорной поверхности по оси симметрии. Четвертьволновая секция 10 выполнена на круглом металлизированном диэлектрическом стержне 15, являющемся продолжением ферритового стержня 8. В зоне, образующей четвертьволновую секцию 10, на поверхности стержня имеются выемки 16, обеспечивающие преобразование круговой поляризации волны в линейную. В поперечном сечении выемки 16 могут иметь форму сегмента (Фиг.5) или трапециидальную форму (Фиг.6). В продольном направлении выемки 16 могут иметь плавный (Фиг.7) или ступенчатый (Фиг.8) переход на диаметр стержня.

Для снижения вихревых токов и повышения быстродействия слой металлизации 17 ферритового стержня 8 дополнительно содержит две продольные прорези 18, покрытые слоем диэлектрика 19 и слоем металлизированного покрытия 20. Четыре обмотки вращателя поляризации 9 управляются отдельно или две из них могут быть соединены

последовательно, а дае другие управляются отдельно. Использование эффекта Фарадея для переключения поляризации существенно уменьшает энергию потребления и повышает быстродействие по сравнению с переключателем поляризации, использующим квадрупольную систему подмагничивания.

В приведенной конструкции вращатель поляризации задает следующие углы поворота плоскости поляризации волны: угол равный /2, соответствующий горизонтальной поляризации, углы ±/4, соответствующие двум круговым поляризациям, отсутствие поворота соответствует вертикальной поляризации

Переключение поляризации электромагнитной волны в данном антенном элементе фазированной антенной решетки с переключателем поляризации осуществляется по предельной петле гистерезиса, схема которого показана на Фиг.5. В этом режиме на обмотки сброса обеих секций подается импульс напряжения сброса, который из текущего состояния намагниченности переводит магнитное состояние секции на предельную петлю гистерезиса. При этом секции намагничены в противоположных направлениях, первая секция имеет намагниченность M₁, равную остаточной намагниченности M_r, соответствующую точке В_r на петле гистерезиса. У второй секции намагниченность равна М₂=-M _r, что соответствует точке -В_r. При этом суммарная намагниченность будет равна:

M _s=M₁+М2=M_r+(-M _r)=0,

т.е. вращатель поляризации работает так, как если бы он был размагничен. В результате суммарный поворот плоскости поляризации равен нулю, на выходе будет волна вертикальной поляризации.

Для задания горизонтальной и круговой поляризации волны одна секция остается в состоянии B_r, а на обмотку набора второй секции подается импульс, который переводит магнитное состояние секции в точку I, соответствующую круговой поляризации или III, соответствующую горизонтальной поляризации волны. Для задания круговой поляризации волны с противоположным направлением относительно поляризации полученной

в состоянии I вторая секция переводится в состояние -В_r, а первая секция - в состояние II. При переключении суммарная намагниченность равна:

M_S=M₁ +M₂=M_r+(-M _r+М)=M.

что обеспечивает горизонтальную поляризацию или одну из двух круговых соответственно.

Так как величина M зависит только от длительности импульса, подаваемого на обмотку набора, и не зависит от величины намагниченности M _r, то предлагаемый вариант двухсекционного вращателя поляризации будет обеспечивать высокую температурную стабильность заданного угла поворота плоскости поляризации электромагнитной волны.

Использование двухсекционной конструкции управляемого переключателя поляризации позволяет снизить энергию переключения, так как в процессе работы управление можно подавать на одну секцию, а состояние второй секции задавать только в начале работы. Кроме того, улучшается температурная стабильность переключателя поляризации, которая обеспечивается тем, что угол поворота плоскости поляризации электромагнитной волны в двухсекционном переключателе поляризации зависит только от суммы намагниченностей первой и второй секций, т.е. при температурном изменении намагниченностей первой и второй секций их сумма будет постоянна и угол поворота поляризации не меняется.

1. Антенный элемент фазированной антенной решетки (ФАР) с переключателем поляризации, содержащий фазовращатель, волноводный переход, управляемый переключатель поляризации, включающий участок металлизированного ферритового стержня круглого сечения с установленными на нем магнитопроводами, отличающийся тем, что ферритовый фазовращатель имеет линейную поляризацию и выполнен на волноводе прямоугольного сечения, продолжением которого является волноводный переход, также выполненный на волноводе прямоугольного сечения, в центре которого по всей длине установлена диэлектрическая пластина, причем соединение волноводного перехода с управляемым переключателем поляризации осуществляют посредством металлической стенки с круглым отверстием в центре и присоединенным к ней соосно отверстию круглым металлическим волноводом, внутри которого установлен круглый металлизированный ферритовый стержень, на котором выполнен управляемый переключатель поляризации, состоящий из вращателя поляризации и взаимной четвертьволновой секции, вращатель поляризации состоит из двух одинаковых секций, каждая из которых содержит обмотки управления, при этом четвертьволновая секция выполнена на круглом диэлектрическом металлизированном стержне с двумя одинаковыми металлизированными выемками, являющемся продолжением ферритового стержня вращателя поляризации.

2. Антенный элемент ФАР по п.1, отличающийся тем, что в поперечном сечении выемки диэлектрического стержня имеют трапециидальную форму, а в продольном направлении - ступенчатый переход на диаметр стержня.

3. Антенный элемент ФАР по п.1, отличающийся тем, что поверхность металлизированного ферритового стержня управляемого переключателя поляризации содержит две продольные прорези, покрытые слоем диэлектрика и дополнительным слоем металлизированного покрытия.

4. Антенный элемент ФАР по п.1, отличающийся тем, что каждая секция вращателя поляризации содержит, по крайней мере, две управляющих обмотки.

5. Антенный элемент ФАР по п.1, отличающийся тем, что все обмотки управления переключателя поляризации выполнены с возможностью независимого управления.

6. Антенный элемент ФАР по п.1, отличающийся тем, что по крайней мере, две обмотки управления переключателя поляризации соединены последовательно, а другие выполнены с возможностью независимого управления.

7. Антенный элемент ФАР по п.1, отличающийся тем, что длина волноводного перехода равна (0,07-0,12), где - длина волны.

8. Антенный элемент ФАР по п.1, отличающийся тем, что высота волноводного перехода равна (0,25-0,3), а его ширина - (0,4-0,5).

9. Антенный элемент ФАР по п.1, отличающийся тем, что диэлектрическая пластина, установленная в центре перехода, имеет высоту (0,4-0,8) от высоты волновода перехода, а ширину (0,4-0,7) от ширины волновода перехода.

10. Антенный элемент ФАР по п.1, отличающийся тем, что каждая секция вращателя поляризации содержит два магнитопровода.

11. Антенный элемент ФАР по п.1, отличающийся тем, что магнитопроводы выполнены в виде П-образных ферритовых скоб, симметрично установленных на поверхности металлизированного ферритового стержня и имеющих паз в центральной части опорной поверхности.