Голубцов м Е, Крехтунов В М Московський державний технічний університет ім Н Е Баумана вул 2-а Бауманська, буд 5, м Москва, 105005, Росія тел: (495) 2677596, e-mail: meg_max@rbcmailru

Анотація – Розглядаються питання розробки апертурних хвилеводних феритових фазовращателей для елементів ФАР КВЧ-діапазону з ширококутним скануванням променя Аналізуються відомі конструкції, наводиться опис розроблених фарадеевского фазовращателей з швидкодією в одиниці і десятки мікросекунд Для розрахунку та оптимізації характеристик застосовується електродинамічна модель високого рівня, побудована на основі рішення задач про власні хвилях поперечно-неоднорідних хвилеводів з ферито-діелектричної заповненням і задач дифракції електромагнітних хвиль на їх стиках

I                                       Введення

Сучасні радіолокаційні комплекси будуються, як правило, на основі фазованих антенних решіток (ФАР) з хвилеводними феритовому-ми фазовращателямі (ВФФВ) У ФАР, що працюють на кругополярізованних хвилях, найбільш часто застосовуються хвильове ферритові фазовращателі, що використовують принцип ефекту Фарадея Відомі приклади серійного випуску елементів таких ФАР різних частотних діапазонів, наприклад, X – діапазону [1] і Ка – діапазону [2]

Зараз існує гостра необхідність у проведенні робіт щодо спрощення конструкції фазовращателей, підвищенню технологічності, зниження трудомісткості і вартості Крім того, актуальні проблеми підвищення швидкодії та зменшення енергії перемикання елементів ФАР

II                              Основна частина

Фарадеевского фазовращателі виконуються, як правило, на основі феритових стрижнів з круглою або квадратною формою поперечного перерізу, металізованих по бічній поверхні На основі металізованих феритових стрижнів круглого перерізу побудовані які поширені ВФФВ [1], [2] У обох конструкціях магнітна память забезпечується двома магнитопроводами зі складною посадкової поверхнею для замикання магнітного потоку Металізація з прорізами для запобігання струмів самоіндукції, прецизійне формування посадочних поверхонь магніто-проводів і пр вимагають високотехнологічного обладнання, а витрати на організацію виробничого циклу стають виправданими тільки при великосерійному випуску елементів

Умова забезпечення широкоугольного електричного сканування променя (20ск> 9О °) обмежує крок решітки величиною 0,68 λ, де λ-довжина хвилі, що вимагає поперечних розмірів елемента порядку

0, 65λ для відбивної ФАР і (0,5 .. 0,6) λ в ФАР прохідного типу з урахуванням кріплення елемента і виведення проводів управління У першу чергу ці вимоги предявляють до фазовращателямі, що викликає необхідність у мінімізації поперечного перерізу ферритового стрижня і системи намагнічування Наприклад, через громіздкість магнітопрово-дов цим умовам не задовольняє ВФФВ Ка-діапазону [2]

Найбільш складним завданням є реалізація елементів прохідних і відбивних ФАР в діапазонах Кі, Ка і більш високих частот При цьому питання забезпечення високої активності фазовращателя та зменшення часу та енергії перекпюченія стають ще більш актуальними Для зменшення собівартості ВФФВ конструкція повинна передбачати використання нормалізованих феритів і діелектриків, складатися з елементів простої конфігурації, не вимагати складних і витратних технологічних процесів

Найбільш компактна і технологічна конструкцію ВФФВ реалізується при виконанні фазовращателя на основі ферритового стрижня квадратного перетину з встановлюваними по гранях магнитопроводами Магнітна память забезпечується П-подібними магнитопроводами, які за рахунок площинного контакту зі стрижнем утворюють замкнену магнітну ланцюг з малими полями розсіювання При виготовленні феритових деталей використовуються операції плоского шліфування і різання, що забезпечує більшу точність виготовлення і меншу собівартість

На малюнку 1 представлена ​​схема типового елементу прохідний ФАР на основі фарадеевского ВФФВ, де показані: 1-феритовий стрижень, 2 – котушка поздовжнього намагнічування, 3 – магнітопроводи, 4-ступені узгоджувальних трансформаторів, 5-діелектричні випромінювачі

Рис 1 Схема елемента ФАР

Fig 1 The scheme of FAA element

Залежно від необхідного швидкодії і енергії перемикання розглядається два варіанти виконання ВФФВ: або на металлизированном, або на неметалізовані феритових стержні Якщо не предявляються гранично високі вимоги по швидкодії (десятки мікросекунд) і енергії перекпюченія, то доцільно використовувати металізований феритовий стрижень [3] У цьому випадку забезпечуються мінімальні втрати, простота збірки і технологічність, мінімальні поперечні розміри Якщо ж предявляються підвищені вимоги по швидкодії (одиниці мікросекунд) і енергії перемикання, то необхідно будувати фазообертач на основі Неме-таллізірованного ферритового стрижня [4] У цьому випадку немає необхідності наносити металлизацию і боротися з вихровими струмами Однак мають місце обмеження, повязані з впливом системи намагнічування на поширення хвилі основного типу в неметалізовані феритових стержні і можливістю порушення хвиль вищих типів

При проектуванні фазовращателя вирішується завдання з оптимізації розмірів ферритового стрижня з урахуванням розмірів екрану навколо нього, обмежень на поперечні розміри, впливу системи намагнічування і магнітопроводів На всіх етапах розробки ВФФВ, включаючи вибір розмірів, узгодження, аналіз впливу технологічних факторів, використовується електродинамічна модель високого рівня Фазовращатель представляється у вигляді послідовного зєднання відрізків регулярних ліній передачі і їх плоскопараллельних стиків [5] У кожній з областей моделі методом Гальоркіна вирішується завдання про власні хвилях поперечнонеоднородного хвилеводу з ферито-діелектрічес-ким заповненням, а для кожного з стиків вирішується завдання дифракції електромагнітних хвиль методом часткових областей В результаті рішення задач дифракції знаходяться елементи матриці розсіювання окремих стиків, а потім і багатохвильові матриця розсіювання ВФФВ в цілому

Після знаходження основних розмірів ВФФВ виконується аналіз впливу можливих похибок виготовлення і збірки Електродинамічна модель дозволяє досліджувати залежність характеристик ВФФВ від розкиду електричних параметрів нормалізованих матеріалів (клею, фериту, сі-них металів і композитних діелектриків), похибок виготовлення, взаємних зміщень і Неспіввісність розташування деталей Критерієм для оцінки впливу того чи іншого чинника є припустима зміна коефіцієнтів відбиття і проходження хвилі основного типу в робочу область ферритового блоку

За результатами чисельного моделювання та аналізу вибирається конфігурація фазовращателя, найбільш стійка до впливу технологічних факторів, проводиться остаточний вибір розмірів і встановлюються обгрунтовані допуски на основні деталі елемента ФАР

III                                  Висновок

Розроблено ВФФВ на основі ферритового стрижня квадратного перетину, для елементів як відбивних, так і прохідних ФАР з ширококутним скануванням променя КВЧ діапазону Залежно від вимог по швидкодії і енергії перемикання вибирають конструктивні й технологічні рішення, що дозволяють реалізувати ВФФВ з необхідними характеристиками

IV                           Список літератури

[1] Bounkin В V, Lemansky А А Experience of development and industrial production of X-band passive phased antenna arrays International Conference on Radar, Paris, 3-6 May, 1994 A3 Antenna design P 20-24

[2] Федоров В В, Мілевський Η П, Смирнова О А двухмодового фазообертач для ФАР міліметрового діапазону хвиль / / Сб Антени, вип 1 (42), 1999 р – С 60-62

[3] Boyd С R, Jr, А dual-mode latching reciprocal ferrite phase shifter, IEEE Trans Microwave Theory Tech

(1970 Symposium Issue), Vol MTT-18, pp1119-1124,

Dec 1970

[4] Крехтунов В М, Андропов Ε В, Голубцов М Е. Моделювання хвилеводних феритових фазовращателей КВЧ-діапазону з урахуванням похибок виготовлення і збірки – В кн: 13-а Міжнар Кримська конф «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології» (Крим-Ко2003) Матеріали конф [Севастополь, 8-12 верес

2003 р] – Севастополь: Вебер, 2003, с 495-497

[5] Крехтунов В М, Месропян К Л, Соколов В Б Власні хвилі прямоугольно хвилеводу зі складним ферито-діелектричним заповненням / / Сб Вісник МГТУ Сер Приладобудування 1991, № 3 – С11 -20

WAVEGUIDE FERRITE PHASE SHIFTERS FOR ELEMENTS OF MICROWAVE BAND PHASED ARRAY ANTENNAS

KrekhtunovV М, Golubtsov M Ye

Bauman Moscow State Technical University

5,   the Baumansi<.aya Str, Moscow, 105005, Russia

Abstract – Problems of development of aperture waveguide ferrite phase shifters for elements of a microwave band phased antenna arrays with wide-angle beam scanning are considered Known designs are analyzed, the description developed Faraday’s phase shifters with speed in several and tens of microseconds is resulted Models based on the high-level electrodynamics, which include both in homogenous waveguide eigen- waves evaluation and scattering problem solution for calculation and optimization of characteristics

I                                        Introduction

In the phased antenna arrays (PAA) working on waves with circular polarization of a field, Faraday’s waveguide ferrite phase shifters (WFPS) are widely used At the moment passive PAA phase shifters for X-band are serially produced [1] and also phase shifters Ka-band [2] are known

Now there is a necessity for simplification of a design of WFPS, increase of technological effectiveness, decrease in la- bour-intensiveness and costs In addition problems of decrease of time and energy of switching of elements of a PAA are important

II                                       Main Part

Problems of development of elements of through passage and reflective PAA with wide-angle beam scanning of microwave band in ranges Ku, Ka and higher frequencies are examined The big attention is paid to maintenance of high activity of the phase shifter and reduction of time and energy of switching

The most compact and technological design of a WFPS is realized at performance of the phase shifter on the ferrite core of square section with yokes installed on sides Magnetic memory is provided by U-shaped yokes, which due to plane contact to a core form the closed magnetic circuit with small fields of dispersion Grinding and cutting are used for manufacture ferrite details operations of flat, which provides greater accuracy of making and the smaller cost price

The scheme of an element of a through passage phased antenna array is shown in Fig 1 Here 1 is ferrite rod, 2 is the longitudinal magnetization system coil, 3 – are yokes, 4 – are matching devices, 5 – are dielectric radiators

Two variants of realization of a WFPS are realized either on metallized, or on open ferrite core If high characteristics on quick-action and switching energy are not demanded, the preference is given to the classical scheme on the metallized core

[3]    In such design the minimal losses, simplicity of assembly and adaptability to manufacture, the minimal cross-section sizes are provided If determining characteristics are speed and energy of switching it is expedient to use a design on the basis ofthe open ferrite core [4] In such phase shifter there is no necessity for hi-tech operations as in [1], but there are the restrictions connected with influence of system of magnetization on distribution of a wave of the basic type in a ferrite core and an opportunity of excitation of higher-order modes

The utilized phase shifter high-level electrodynamics’ model

[5]  allows analyzing in detail the influence of the material tolerance parameters, element dimension tolerance and element mutual shifts on the device performance

III                                      Conclusion

The WFPS on the basis of a ferrite core of square section, for elements both reflective, and through passage PAA with wide-angle beam scanning of microwave band, are developed Depending on requirements on time and energy of switching choose the constructive and technological design approach, which allows realizing a WFPS with demanded characteristics

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р