Фазированная антенная решетка для беспилотных летательных аппаратов

Полезная модель направлена на повышение КПД бортовых ФАР миллиметрового и субмиллиметрового диапазона волн для летательных аппаратов, преимущественно для малогабаритных беспилотных летательных аппаратов и аэростатных средств радиолокационного наблюдения. При этом одновременно обеспечивается уменьшение массогабаритных характеристик ФАР. Указанный технический результат достигается тем, что фазированная антенная решетка содержит параллельно установленные плату 1 щелевых вибраторов, плату 2 фазовращателей 3, полосковую СВЧ-линию 4, и плату 5 управления фазовращателями 3 с выводами 6 управления фазой. Фазовращатели 3 платы 2 выполнены виде пьезокерамических пластин 7, две противоположные стороны которых снабжены металлизированными покрытиями 8 и 9, соединенными с соответствующими управляющими выводами 6 платы 5 управления. В качестве конструкционного материала пьезокерамические пластины 7 содержат титанат бария (ТБ-1) или цирконата-титаната свинца (PZT-5H). При этом платы 1÷5 выполнены печатными с послойным напылением соответствующих электрической схеме полупроводниковых, резистивных и диэлектрических материалов. Плата 5 управления содержит последовательно соединенные клемник 10, дешифратор и блок преобразователей «цифра-аналог» (не показаны), выходы которых соединены с соответствующими управляющими выводами 6.

Полезная модель относится к антеннам, конкретно к фазированным антенным решеткам.

Известна фазированная антенная решетка для беспилотных летательных аппаратов (Билык Е.Г. Полосковые линии и устройства сверхвысоких частот. Харьков, ХВАТУ, 1974), содержащая параллельно установленные плату щелевых вибраторов, плату фазовращателей, многополосковую СВЧ-линию и плату управления фазовращателями. При этом фазовращатели выполнены в виде ферритовых пластин с обмотками возбуждения, соединенными с выводами платы управления.

Недостатком известной фазированной антенной решетки (ФАР) является относительно низкий КПД, обусловленный высоким коэффициентом затухания СВЧ-энергии ферритовых фазовращателей и необходимостью установки последних на пути выхода СВЧ-энергии из щелевых вибраторов. При этом согласно литературе (Эволюция антенных систем для бортовых РЛК //Радиотехника, 2005, №2, с.40÷45) весовые ограничения на бортовые РЛК требуют создания облегченных ФАР весом не более 0.5÷1 кг. Это в свою очередь требует перехода в миллиметровый и субмиллиметровый диапазон электромагнитных волн. Однако на современном этапе развития техники из-за практически полного поглощения СВЧ-энергии этого диапазона волн в известных фазовращателях разработка облегченной ФАР на известной элементной базе считается проблематичной.

В основу настоящей полезной модели поставлена задача создания облегченной фазированной антенной решетки, конструкция которой позволяет

повысить ее КПД.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в фазированной антенной решетке для беспилотных летательных аппаратов, содержащей параллельно установленные плату щелевых вибраторов, плату фазовращателей, многополосковую СВЧ-линию и плату управления фазовращателями с выводами управления фазой, согласно полезной модели фазовращатели выполнены виде пьезокерамических пластин, две противоположные стороны которых снабжены металлизированными покрытиями, соединенными с управляющими выводами платы управления. При этом платы и многополосковая СВЧ-линия выполнены печатными с послойным напылением полупроводниковых, резистивных и диэлектрических материалов.

Выполнение фазовращателей в виде пьезокерамических пластин, две противоположные стороны которых снабжены металлизированными покрытиями, соединенными с управляющими выводами платы управления позволяет исключить необходимость установки на пути движения электромагнитных волн поглощающих СВЧ-энергию и относительно тяжелых ферромагнитных элементов и, тем самым, повысить КПД антенны с одновременным уменьшением ее массогабаритных характеристик. При этом впервые создается возможность создания ФАР в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне волн. Выполнение плат печатными с послойным напылением полупроводниковых, резистивных и диэлектрических материалов позволяет дополнительно уменьшить массогабаритные характеристики антенны.

На фиг.1 представлен пример апертуры ФАР для малогабаритных беспилотных летательных аппаратов, на фиг.2 - поперечный ее разрез, на фиг3 - конструкция пьезокерамического фазовращателя ФАР и принцип его работы.

Фазированная антенная решетка содержит параллельно установленные плату 1 щелевых вибраторов, плату 2 фазовращателей 3, многополосковую СВЧ-линию

4, и плату 5 управления фазовращателями 3 с выводами 6 управления фазой. Фазовращатели 3 платы 2 выполнены виде пьезокерамических пластин 7, две противоположные стороны которых снабжены металлизированными покрытиями 8 и 9, соединенными с соответствующими управляющими выводами 6 платы 5 управления. В качестве конструкционного материала пьезокерамические пластины 7 содержат титанат бария (ТБ-1) или цирконата-титаната свинца (PZT-5H). При этом платы 1÷5 выполнены печатными с послойным напылением соответствующих электрической схеме полупроводниковых, резистивных и диэлектрических материалов. Плата 5 управления содержит последовательно соединенные клемник 10, дешифратор и блок преобразователей «цифра - аналог» (не показаны), выходы которых соединены с соответствующими управляющими выводами 6.

ФАР работает следующим образом. При прохождении высокочастотного излучения вдоль полосковой СВЧ-линии 4 его фаза является функцией f волнового сопротивления последней =f(), зависящего от геометрических размеров проходного сечения радиоволновода (расстояния между платой 4 и 1). В необходимые моменты времени с ЭВМ (не показана) на вход 10 платы 5 управления выдаются импульснокодовые сигналы, которые дешифрируются и преобразуются в электрическое напряжение прикладываемое к соответствующим обкладкам 8÷9 пьезокерамических элементов 7 фазовращателей 3. Под воздействием приложенного напряжения за счет стрикционного эффекта изменяется толщина пьезокерамических элементов 7. Это приводит к изменению проходного сечения d радиоволновода для электромагнитной волны, изменению его волнового сопротивления и, как следствие, к изменению и распределению фазы электромагнитного излучения на выходе апертуры ФАР по сравнению с фазой на его входе. В результате обеспечивается сканирование пространства в заданном секторе лучом ФАР в соответствии с программой ЭВМ.

Полезная модель разработана на уровне экспериментального образца ФАР. Испытания образца показали, что по сравнению с ФАР на ферритовых фазовращателях предложенная ФАР позволяет уменьшить затухание в диапазоне сантиметровых и дециметровых электромагнитных волн на 1.5÷2 дБ и обеспечивает работоспособность ФАР в диапазоне миллиметровых волн, где ферритовые фазовращатели практически неприменимы из-за увеличенного коэффициента затухания (более 120 дБ). Соответствующим образом увеличился КПД ФАР. Экспериментальный образец бортовой ФАР с диаметром раскрыва 25 см в диапазоне длин волн 2÷8 мм имеет вес от 0.5÷1 кг и ширину луча 0.6÷2.4° соответственно. При импульсной мощности 20 кВТ и длительности импульса 0.01 мкс уровень первых боковых лепестков не превысил - 30 дБ. Такие характеристики соответствует требованиям к бортовым ФАР малогабаритных беспилотных летательных аппаратов и применимы по весогабаритным параметрам также к аэростатным средствам обнаружения воздушных объектов.

1. Фазированная антенная решетка для беспилотных летательных аппаратов, содержащая параллельно установленные плату щелевых вибраторов, плату фазовращателей, многополосковую СВЧ-линию и плату управления фазовращателями с выводами управления фазой, отличающаяся тем, что фазовращатели платы фазовращателей выполнены виде пьезокерамических пластин, две противоположные стороны которых снабжены металлизированными покрытиями, соединенными с управляющими выводами платы управления.

2. Фазированная антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что платы и многополосковая СВЧ-линия выполнены печатными с послойным напылением полупроводниковых, резистивных и диэлектрических материалов.

3. Фазированная антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что пьезокерамическая пластина выполнена из титаната бария (ТБ-1) или цирконата-титаната свинца (PZT-5H).