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

Анотація Розглядаються питання розробки апертурних феритових фазовращателей КВЧ-діапазону для елементів фазованих антенних решіток. Аналізується вплив похибок виготовлення, складання і розкиду параметрів нормалізованих матеріалів. При аналізі та розрахунку використовується електродинамічна модель високого рівня, побудована на основі рішення задачі про власні хвилях поперечно-неоднорідних хвилеводів з феррито-діелектричним заповненням і задачі дифракції електромагнітних хвиль на їх стиках. У доповіді узагальнено результати розробки феритових фарадеевского фазовращателей Ка і Wдіапазонов.

I. Вступ

В сучасних радіотехнічних комплексах знаходять широке застосування фазовані антенні грати (ФАР) з хвилеводними феритовими фазовращателямі (ВФФВ). За останні кілька десятиліть визначилися основні типи та схеми побудови фазовращателей: взаємні фазообертачі Реджо-Спенсера і невзаємні фазообертачі на основі ефекту Фарадея з поздовжнім намагнічуванням, невзаємні тороїдальні фазообертачі з поперечним намагнічуванням.

Розглядаються ВФФВ на основі ефекту Фарадея, найбільш часто застосовуються в реальних системах. Зокрема, в даний час серійно випускаються фазообертачі для пасивної ФАР X діапазону системи С-300 ПМУ [1], а також фазообертачі Ка діапазону [2]. Ведуться дослідні роботи зі створення ВФФВ в W-діапазоні.

З метою створення технологічно простих пристроїв з високими характеристиками і малою вартістю становить інтерес розробка методів розрахунку фазовращателей, що базуються на електродинамічних моделях високого рівня і використовують можливості сучасної обчислювальної техніки.

При розробці ВФФВ КВЧ-діапазону за допомогою відповідних алгоритмів і програм можливий ефективний облік і аналіз впливу похибок, що виникають при виготовленні деталей фазовращателя і його збірці, розкиду електричних параметрів застосовуваних матеріалів. Також доцільно призначення обгрунтованих технологічних допусків за результатами расчетноаналітіческого моделювання.

II. Основна частина

Розробка ВФФВ в КВЧ-діапазоні на відміну від сантиметрового діапазону довжин хвиль має ряд особливостей. Зокрема, товщина шарів клею, зазори і взаємні зміщення деталей фазовращателя при його складанні не є пренебрежимо малими в порівнянні з довжиною хвилі. Слід також зазначити, що в ряді випадків при переході в короткохвильову частину діапазону хвиль з технологічних міркувань збільшують поперечні розміри направляючої структури, що призводить до багатохвильової пристрою.

Аналізується хвилеводний феритовий фарадєєвський фазовращатель, типова конструкція якого описана в роботі [3]. Він складається з феритового стрижня, системи поздовжнього намагнічування, магнітопровода, забезпечує магнітну пам’ять, узгоджувальних переходів.

На рис.1 представлено схематичне зображення фрагментів ВФФВ, виконуваних або на металізованому (рис.1а), або на відкритому (рис. 1 б) феритовому стержні з квадратною формою поперечного перерізу. Тут показані: 1 корпус фазовращателя або елемента антенної решітки, 2 і 3 ступені согласующего переходу; 4 шари клею; 5 феритовий стрижень; 6 феритова скоба магнітопровода; 7 котушка поздовжнього намагнічування; 8 шар металізації. Літерами позначені: а

– Поперечний розмір стержня; b технологічний зазор між феритової скобою і корпусом фазовращателя; з можливе виступання феритового стрижня в хвилевід трансформатора; d товщина шару клею; tтолщіна башмака феритової скоби.

Рис. 1. Схематичне зображення фрагментів ВФФВ

Fig. 1. The WFPS schematic drawing

Магнітна пам’ять ВФФВ забезпечується чотирма феритовими скобами П-подібної форми, що примикають башмаками до граней стрижня. Феритовий стрижень і магнітопровід утворюють замкнену магнітну ланцюг з малими полями розсіювання, що дозволяє послабити зв’язок по полям намагнічування між сусідніми фазовращателямі в антеною грат.

Електродинамічна модель, використовувана при аналізі ВФФВ, побудована методом декомпозиції

[4]. Фазовращатель представляється у вигляді послідовного з’єднання відрізків регулярних ліній передачі та їх плоскопаралельних стиків. У кожній з областей моделі методом Гальоркіна вирішується задача про власні хвилях поперечнонеоднородного хвилеводу з феррито-діелектричним заповненням, а для кожного з стиків вирішується завдання дифракції електромагнітних хвиль методом часткових областей. В результаті рішення задач дифракції знаходяться матриці розсіювання окремих

стиків, а потім і багатохвильових матриця розсіювання пристрою в цілому.

Рис. 2. Залежності коефіцієнтів відбиття R і проходження Т від товщини шару клею d

На початковому етапі розрахунку ВФФВ чисельно аналізується вплив розмірів основних елементів фазовращателя на його параметри вносяться втрати, КСВ, фазові характеристики. Вибір розмірів феритового стержня проводиться за величиною питомої фазового зсуву (активності), при цьому враховується наявність екрана навколо стрижня: металізації його бічної поверхні (рис. 1а) або корпусу, що включає весь феритовий блок (рис. 16). Наприклад, для фазовращателя Ка-діапазону з швидкодією в десятки мікросекунд використовується металізований стрижень з поперечним розміром а «0,25 Яо (Яо робоча довжина хвилі), що забезпечує прийнятну активність і добротність при збереженні однохвильовому режиму роботи.

Fig. 3. Transmission ratio T and reflection ratio R vs the gap size h

Fig. 2. Transmission ratio T and reflection ratio R vs the glue layer thickness d

Для фазовращателя W-діапазону, виходячи з умови реалізації, використовується більший відносний поперечний розмір феритового стрижня. Для забезпечення швидкодії порядку десяти мікросекунд його виконують неметалізовані. Потім розраховуються параметри магнітної системи, її вплив на погодження та вносяться втрати фазовращателя. Товщина черевиків феритових скоб t вибирається з міркувань створення магнітного ланцюга з малими полями розсіювання, забезпечення магнітної пам’яті і досягнення високого коефіцієнта проходження основної хвилі в робочу область феритового блоку.

Puc. 3. Залежності коефіцієнта відбиття R і проходження Т від величини зазору h

Після визначення основних геометричних розмірів фазовращателя виконується аналіз впливу похибок виготовлення його деталей і збірки. Розроблений алгоритм розрахунку дозволяє дослідити залежність характеристик ВФФВ від розкиду електричних параметрів нормалізованих матеріалів (клею, фериту, ситалів і композитних діелектриків), похибок виготовлення елементів, взаємних зміщень деталей і неспіввісності їх розташування. Критерієм для оцінки впливу того чи іншого фактора є зміна коефіцієнта відображення R і коефіцієнта проходження Т хвилі основного типу в робочу область феритового блоку.

Шар клею 4 товщиною d між согласующим переходом і феритовим блоком розглядається як додаткова щабель трансформатора. На рис.2 наведені залежності коефіцієнтів відбиття R і проходження Т хвилі квазі-Ню від відносної товщини шару клею с / До, розраховані для різних значень діелектричної проникності матеріалу клею едо= 1,0; 2,5; 3,8; 5,0. З наведених даних видно, як зменшується коефіцієнт проходження хвилі Т і збільшується коефіцієнт відбиття хвилі R при збільшенні товщини шару клею і зменшенні його діелектричної проникності.

Також оцінювався вплив на характеристики ВФФВ неспіввісності розташування ступенів діелектричного трансформатора і феритового стрижня. Досліджувався вплив величини зазору h між стінками трансформатора 3 і хвилеводу 1. Відповідні результати розрахунків представлені на ріс.З, де видно, що гарантований зазор необхідний не тільки з технологічних міркувань для складання фазовращателя, а й для кращого його узгодження. Є області значень h / Xо, при яких вплив зазору мало і слабо залежить від діелектричної проникності трансформатора.

Для досліджуваного фазовращателя W-діапазону необхідний аналіз взаємного розташування деталей. При складанні феритового блоку можливо виступання феритового стрижня в область трансформатора. Виступаючий ділянку розглядається як додаткова щабель согласующего переходу і проводиться аналіз його впливу на узгодження і вносяться втрати фазовращателя. Встановлено, що зазор b між башмаками скоб і корпусом фазовращателя збільшує коефіцієнт відбиття хвилі робочого типу від феритового блоку і зменшує коефіцієнт її проходження. Розрахунковим шляхом встановлюються допуски на досліджувані параметри і вимоги до якості обробки деталей фазовращателя і їх складання.

III. Висновок

1. На основі побудованих електродинамічної і математичної моделей ВФФВ розроблений алгоритм і реалізує його програмне забезпечення для розрахунку параметрів фазовращателей.

2. За допомогою розробленої програми проведені оптимізація характеристик фазовращателей, аналіз впливу похибок виготовлення деталей ВФФВ і збірки, розкиду електричних параметрів застосовуваних матеріалів. За результа-

там оцінки впливу зазначених факторів встановлюються обгрунтовані технологічні допуски.

3. При проведенні подібних досліджень на етапах конструювання і підготовки до серійного виробництва ВФФВ можуть бути істотно скорочені вартість і терміни розробки фазовращателей.

IV. Список літератури

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

2. Федоров В. В., Мілевський Н. П., Смирнова Е. А. Двухмодовий фазовращатель для ФАР міліметрового діапазону хвиль. / / Сб Антени, вип. 1. (42), 1999 Г.С. 60-62.

3. Boyd С. R. Comments on the design and manufacture of dual-mode reciprocal latching ferrite phase shifters / / IEEE Trans, on MTT, 1974., Vol. MTT-22, № 6. P. 593-601.

4. Автоматизоване проектування пристроїв НВЧ. Нікольський В.В., Орлов В.П., Феоктистов В.Г. та ін / За ред. В.В. Нікольського. М.: Радіо і зв’язок, 1982,272 с.

THE SIMULATION OF EHF WAVEGUIDE FERRITE PHASE SHIFTERS WITH REGARD TO MANUFACTURE AND ASSEMBLY ERRORS

Krekhtunov V. М., Andropov Ye. V., Golubtsov M. Ye.

Bauman Moscow State Technical University

1      Baumanskaya Str., Moscow, Russia, 105005 e-mail: mc_ken@mail333.ru

Abstract The design of EHF aperture waveguide ferrite phase shifters for phased arrays is considered. The influence of manufacture and assembly errors, as well as of spread parameters of normalized materials are analyzed. The computer simulation was based on a high-level mathematical model comprising both the homogeneous waveguide eigenwaves evaluation and the scattering problem solution. The design of Ka and Wband Faraday-type ferrite phase shifters is summarized.

I.  Introduction

Waveguide ferrite phase shifters (WFPS) are widely used in state-of-the-art radar phased arrays (PAs) for electrical beam steering. At the moment the X-band S-300PMU-type passive PA phase shifters are produced commercially [1], while the design and improvement of mm-wave phase shifters are still quite topical [2].

Features of EHF ferrite phase shifters manufacturing technologies are analyzed in this report.

II.  Main part

The EHF ferrite phase shifters development has a number of specific features. For example, glue layer thickness, gaps and component displacement should not be neglected with regard to the operating wavelength. Sometimes due to technological considerations the cross-section of guiding structures is increased resulting in a multimode operation of devices.

The Faraday phase shifter under consideration comprises a metallized or open ferrite rod, longitudinal magnetization system and matching junctions [3]. The phase shifter schematic drawing is shown in Fig. 1: 1 is the phase shifter case, 2 and 3 the matching junctions, 4 a glue layer, 5 a ferrite rod, 6 the magnetization system ferrite cramp, 7 the longitudinal magnetization coil, 8 a metallization layer; a is the transversal rod dimension, ba gap between the cramp and the case, з a possible rod projection into the waveguide, d the glue layer thickness, t the cramp tail thickness, h the size of a gap between the matching rod and the waveguide wall.

The high-level electrodynamic model of the phase shifter is based on the decomposition principle. The phase shifter is regarded as a series coupling of regular transmission lines and their plane-parallel junctions. For each area of the model the eigenwave problem is solved using the moment method; the waveguide junction scattering problem is solved using the Treftz technique, after which the multimode scattering matrix for the whole device is estimated [4].

The rod dimensions are initially selected. Rod widths between 0.25X0 for the Ka-band and 0.38Х0 for the W-band may be implemented. The cramp tail thickness t is determined by both the magnetic circuit efficiency and the need to attain a high transmission coefficient for the main mode into the ferrite block operating region.

The phase shifter model allows for a detailed analysis of the device performance being influenced by the parameter spread of normalized materials, component manufacturing errors and component assembly displacement. By way of example, Fig. 2 shows the transmission ratio T and reflection ratio R dependences on the glue layer thickness d for different glue permittivities sk. Thinner glue layers and higher sk values seem to be the right choice. Fig. 3 shows the T and R dependences on the gap size h. Secure gap sizes are desirable both for assembling purposes and higher T values.

III.  Conclusion

The phase shifter electrodynamic model under discussion presents an opportunity to analyze manufacturing and technological influences on the phase shifter performance across the required frequency bands, temperature ranges and under the conditions of magnetization. The available computer simulation software allows for the phase shifter performance optimization and tolerance definition. A similar pre-production research would cut design and manufacture costs.

IV. Sources

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

2. Fedorov V. V., Milevsky N. P., Smirnova E. A. The dualmode phase shifters for phased antenna arrays of millimeter wave band’. Col. Antennas, Issue 1 (42), 1999, 60-62.

3. Boyd C. R. ‘Comments on the design and manufacture of dual-mode reciprocal latching ferrite phase shifters’. IEEE Trans, on MTT, 1974, vol. MTT-22, No 6, 593-601.

4. Nikolsky V. V., Orlov V. P., Feoktistov V. G. and others (1982). Computer-aided design of microwave devices. Ed. by V. V. Nikolsky. Moscow: Radio and communications.

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