Крехтунов В. М., Коміссарова Є. В., Яковлєв І. А. МГТУ ім. Н. Е. Баумана, вул. 2-а Бауманська, буд 5, Москва 105005, Росія Тел.: (095) 2677596; e-mail: mc_ken@mail333.com

Анотація Наведено результати розробки та дослідження плоскої багатоелементної фазованими антенними решітки W-діапазону з двовимірним електричним скануванням променя. В елементах решітки з поперечними розмірами не більше 1,25 довжини хвилі використані хвилеводні ферритові фазообертачі з гранично високим швидкодією, що працюють на ефекті Фарадея, і хвилеводно-діелектричні випромінювачі з діаграмою спрямованості в решітці, що дозволяє пригнічувати побічні головні пелюстки множника антеною решітки при скануванні променя в секторі ± 15 °.

I. Вступ

У світовій практиці накопичений великий досвід розробки фазованих антенних решіток (ФАР) з хвилеводними феритовими фазовращателямі (ВФФВ), призначених для роботи в сантиметровому діапазоні хвиль. Освоєно серійне виробництво фазовращателей (ФВ), випромінювачів, інтегрованих елементів ФАР, спеціалізованих мікросхем для систем керування променем. У доповіді [1] описаний елемент плоскою ФАР прохідного типу Xдіапазона для випромінювання і прийому хвиль з круговою поляризацією електромагнітного поля. Елемент містить ВФФВ на ефекті Фарадея, погоджують трансформатори та діелектричні випромінювачі. Спеціалізована мікросхема системи управління розміщена безпосередньо на ФВ, а елементи її сполучення з системою управління променем на бічній поверхні ФАР.

У довгохвильової частини міліметрового діапазону хвиль поперечні розміри елементів ФАР в довжинах хвиль більше, ніж в сантиметровому діапазоні, можливість розміщення мікросхеми на ФВ відсутній, і виникають труднощі з розташуванням елементів в розкриві ФАР з необхідним кроком антеною решітки (АР). Питання розробки елементів і ФАР Ка-діапазону аналізуються в огляді

[2]. Зокрема зазначено, що елементи ФАР мають поперечний розмір більше довжини хвилі і для придушення побічних головних пелюсток в множнику решітки використовується нееквідістантное розташування випромінювачів в розкриві АР.

У короткохвильової частини міліметрового діапазону хвиль (наприклад, в Wдіапазоне) додатково виникають труднощі з розміщенням елементів в розкриві антени і виведенням проводів системи управління на бічну поверхню корпусу ФАР. Тому більш кращою є відбивна схема побудови ФАР.

II. Основна частина

Схема побудови досліджуваної плоскою багатоелементної ФАР, перевідбивається електромагнітні хвилі з круговою поляризацією поля, показана на рис. 1. Тут позначено: 1 прямокутні хвилеводи, 2 селектор поляризації, 3 круглий хвилевід, 4 л / 2 поляризатор, 5 конічний рупор опромінювач антенної решітки, 6 елемент антенної решітки.

Схема одного елемента ФАР показана на рис. 2. Він включає випромінювач 1, рупор 2, круглий хвилевід 3, ступінчасті переходи 4 і 6, ступінь согласующего переходу 5, феритовий фазовращатель 8 з поперечним перетином 7 і короткозамикачем 9.

Рис. 1. Схема відбивної ФАР Fig. 1. Reflecting PAA scheme

Рис. 2. Схема елемента ФАР Fig. 2. PAA element scheme

У площині розкриву антеною решітки випромінювачі розташовані в вузлах регулярної решітки з шестигранною чарункою. Крок решітки лімітується поперечним розміром елемента ФАР.

У зв’язку з розробкою ФАР W діапазону розглянуті наступні завдання.

1. Створення волноводного феритового фазовра

щателя.

2. Відпрацювання випромінюючої системи ФАР з урахуванням

взаємного впливу елементів в гратах.

3. Розробка функціонально завершених образу

водних інтегрованих елементів фазованими антенними решітки відбивного типу.

4. Розробка опромінюючої системи ФАР, рабо

тане на хвилях з круговою поляризацією електромагнітного поля.

5. Конструювання та експериментальне дослідження фазованою антенної решітки з оптичною системою збудження.

Як фазовращателя обраний ВФФВ з поздовжнім намагнічуванням на основі неметалізовані феритового стержня з квадратною формою поперечного перерізу, що працює на хвилях з круговою поляризацією електромагнітного поля [4]. Для фазовращателя цього типу характерні наявність магнітної пам’яті, забезпечується системою з чотирьох П-подібних феритових скоб, розташованих на бічних гранях неметалізовані феритового стержня; висока швидкодія і мала енергія перемикання, висока активність.

Поперечний розмір фазовращателя, що визначає розміри елемента решітки, становить (до довжина хвилі). В цьому випадку крок решітки може бути прийнятий 1,25 ^. При такому кроці антеною решітки в її множнику виникають побічні головні пелюстки, які можуть бути ослаблені лише за рахунок певної форми і ширини діаграми спрямованості випромінювача в решітці з урахуванням взаємного впливу. Так при відхиленні променя в площині найбільшого кроку антеною решітки на кут 0Проткл = +15про побічний головний пелюсток має місце в напрямку 0Проткл = + 41,5 °.

В якості випромінювача елемента ФАР обрана рупорно-діелектрична стрижнева антена, порушується конічним рупором. Такий вибір обумовлений особливостями взаємного впливу близько розташованих діелектричних стрижнів в антеною грат. Діаграма спрямованості змінюється по ширині і формі: підвищується крутизна спадів, спостерігається сплощення верхньої частини. При цьому з’являється можливість придушення побічних головних пелюсток, що виникають в множнику АР при скануванні променя. При довжині випромінювачів la= 5Х при відхиленні променя на 15 ° від нормалі до розкриву, побічний головний пелюсток пригнічується до рівня 20 дБ.

Лабораторний макет ФАР зображений на рис. 3.

Рис. 3. Лабораторний макет ФАР Fig. 3. PAA laboratory model

Він містить 199 елементів відбивного типу, встановлених на опорній плиті, на якій закріплені і прямокутні хвилеводи опромінювача.

Діаграми спрямованості (ДН) макету ФАР вимірювалися на кругової поляризації електромагнітного поля в головних площинах симетрії антеною решітки в невідхиленого положенні променя (синфазних решітка випромінювачів) і при його відхиленні. При вимірюванні характеристик ФАР використаний лабораторний макет системи управління променем ФАР з поелементний способом управління. На рис. 4 наведені експериментальні діаграми спрямованості при кутах відхилення 0, +5 і +15 °. Аналіз діаграм спрямованості показує, що на рівнях –

3 і -10 дБ їх ширина добре співпадає з відповідними значеннями для еквівалентного круглого розкриву. Підвищений рівень бічних пелюсток в діаграмі спрямованості ФАР в основному обумовлений затіненням розкриву опромінювача і живляться його хвилеводами і в меншій мірі похибками амплітудно-фазового розподілу поля по випромінювачам ФАР.

Рис. 4. Експериментальні діаграми спрямованості ФАР в площині найбільшого кроку решітки

Fig. 4. Experimental PAA far field patterns in the plane of the biggest array spacing

Для підтвердження цього був побудований технологічний макет антеною решітки. Він мав ті ж випромінювачі і таку ж опромінювальних систему, однак замість феритових фазовращателей в круглих хвилеводах елементів ФАР були встановлені механічно рухливі короткозамикачі. Вони практично не вносили втрат і дозволяли з високою точністю виставляти фази порушення випромінювачів антеною решітки, необхідні для корекції фазового розподілу, створюваного опромінювачем, і для відхилення променя. Вимірювання діаграм спрямованості технологічного макета ФАР підтвердили вплив затінення розкриву АР на рівень бічних пелюсток в експериментальних ДН.

1. В результаті проведених досліджень показана можливість створення багатоелементних плоскою ФАР відбивного типу Wдіапазона з хвилеводними феритовими фазовращателямі з магнітною пам’яттю, що забезпечує швидке сканування променя в секторі 9ск=+15°.

2. При розробці ФАР вирішені питання розрахунку, проектування та виготовлення партії фазовращателей, випромінювачів, елементів опромінювача; складання, налаштування і сполучення фазовращателей з системою управління променем.

IV. Список літератури

1. Bounkin В. V., Lemansky A. A. Experience of development and industrial production ofXband passive phased antenna arrays. International Conference on Radar, Paris, 3-6 May, 1994. A.3. Antenna design. P. 20-24.

2. Толкачов А. А., Денисенко В. В., Корчемкін Ю. Б., Шишлов А. В. Тенденції розвитку фазованих антенних решіток міліметрового діапазону хвиль. Праці XII Всеросійської школи-конференції з дифракції і поширенню радіохвиль, Москва, 19-23 грудня 2001 року, Російський новий університет.

3. Крехтунов В. М., Андропов Є. В., Коміссарова Е. В. хвилеводний феритовий фазовращатель для ФАР на частоту 94 ГГц. СБ «Антени», вип. 8 (54), 2001.С. 28-33.

4. Крехтунов В. М., Андропов Є. В., Коміссарова Є. В., Русе Ю. С. Елемент фазованими антенними решітки wдіапазона. – В кн.: 11-я Міжнародна Кримська конференція «СВЧ техніка і телекомунікаційні технології »(КриМіКо’2001). Матеріали конференції [Севастополь, 10-14 вересня 2001 р.]. – Севастополь: Вебер, 2001, с. 333-335. ISBN 966-7968-00-6, IEEE Cat. Number 01ЕХ487.

INVESTIGATION OF THE W-BAND PAA WITH FERRITE PHASE SHIFTERS

Krekhtunov V. М., Komissarova E. V., Yakovlev I. A.

Bauman Moscow State University 2-nd Baumanskaya str., Moscow -105005, Russia

Abstract -The design of and research results on the flat multi element W-band phased antenna array (PAA) with twodimensional beam scanning are presented. Faraday type waveguide ferrite phase shifter (WFPS) with extremely fast response time and waveguide-dielectric radiators having cross sectional dimensions less then 1,25 wavelengths are used as PAA elements. The directional properties of waveguidedielectric radiator far field pattern allow suppressing the PAA grating lobes within a beamscanning sector of ±15°.

I.  Introduction

There are some difficulties in appropriate installation of elements on antenna aperture and with control wire tracing on lateral area of PAA body for W-band frequencies. That’s why the reflective configuration was chosen for the PAA under study.

II.  Main part

The configuration scheme of flat multi-element reflection-type PAA is shown in fig.1, where: 1 rectangular waveguides, 2 selector of polarization, 3 circular waveguide, 4 я / 2 polarizer, 5

–  conical horn as a PAA feed, 6 antenna array element.

The structure of one PAA element is shown in fig. 2. It includes the radiator 1, horn 2, circular waveguide 3, stepwise transitions 4 and 6, a step of matching transition 5, ferrite phase shifter 8 with cross section 7 and shorting plug 9.

The radiators are installed in nodes of a regular flat array with a hexahedral cell. Their cross sectional dimensions limit the spacing of array elements. The WFPS based on the nonmetallized ferrite rod is selected for the phase shifting. WFPS has a square cross-section profile and operates with circularly polarized waves of an electromagnetic field. The phase shifter of this type has the magnetic memory provided by:

the system of four ferrite U staples located on lateral surfaces of a non-metallized ferrite rod;

fast response time and small switching energy;

high activity.

The cross sectional dimension of the phase shifter, determining PAA element dimensions is about 1,2X (X wavelength). In this case array spacing can be adopted as 1,25X, leading to the grating lobes in the array factor.

The laboratory model of phased array is shown in a fig. 3. It consists of 199 PAA reflection-type elements arranged on a supporting slab, where the rectangular waveguides of a feed antenna are also fixed.

The PAA far field patterns of laboratory model were measured for a circular polarization of an electromagnetic field in the main planes of an array in a non-deflected beam position and after its deviation. During the measurement of the PAA characteristics the laboratory model of a control system was utilized. Fig. 4 shows the experimental PAA far field patterns for deviation angles 0, + 5 and + 15°. The analysis of the PAA patterns shows, that the main lobe beam widths, measured at -3 and -10 dB levels, are well coincided with appropriate values for equivalent circular aperture. The increased side lobe level in the PAA pattern is mainly explained by an aperture shadowing with feed antenna and its waveguides and to a lesser degree by errors in an amplitude-phase far field pattern at PAA radiators.

To verify this the technological antenna array model was constructed. It had the same radiators and same feed system, however instead of ferrite phase shifters in circular waveguides of the PAA element the mechanical moving shorting plugs are used. They practically did not insert losses and allowed fixing excitation phases of radiators with a split-hair accuracy for correction of phase distribution, created by a feed antenna, and for beam deflection. The measurements of its far field patterns have confirmed the effect of an aperture shadowing on the side lobe level.

III.  Conclusion

1.The possibility of construction the W-band multi-element flat phased antenna array of reflection-type with waveguide ferrite phase shifters and magnetic memory ensuring a fast beam scan in ±15°sector is demonstrated.

2. The problems of calculation, design and manufacturing for a set of phase shifters, radiators, elements of a feed system and also for the processes of assembling, tuning and interfacing of phase shifters with beam control system are solved.

Pertaining to the W-band PAA elaboration the following problems are considered:

1.     Creation of the waveguide ferrite phase shifter.

2. Improvement of the PAA radiating system considering the mutual coupling effects of radiators in the array.

3. Development of the functionally completed waveguide integrated elements for the reflection-type phased antenna array.

4. Development of the feed system for PAA operating with circularly polarized waves of an electromagnetic field.

5. Design and experimental research of the PAA with an optical feed antenna system.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.