ИССЛЕДОВАНИЕ ФАР W-ДИАПАЗОНА С ФЕРРИТОВЫМИ ФАЗОВРАЩАТЕЛЯМИ

July 20, 2012 by admin Комментировать »

Крехтунов В. М., Комиссарова Е. В., Яковлев И. А. МГТУ им. Н. Э. Баумана, ул. 2-я Бауманская, д. 5, Москва 105005, Россия Тел.: (095) 2677596; e-mail: mc_ken@mail333.com

Аннотация Приведены результаты разработки и исследования плоской многоэлементной фазированной антенной решетки W-диапазона с двумерным электрическим сканированием луча. В элементах решетки с поперечными размерами не более 1,25 длины волны использованы волноводные ферритовые фазовращатели с предельно высоким быстродействием, работающие на эффекте Фарадея, и волноводно-диэлектрические излучатели с диаграммой направленности в решетке, позволяющей подавлять побочные главные лепестки множителя антенной решетки при сканировании луча в секторе ±15°.

I.  Введение

В мировой практике накоплен большой опыт разработки фазированных антенных решеток (ФАР) с волноводными ферритовыми фазовращателями (ВФФВ), предназначенных для работы в сантиметровом диапазоне волн. Освоено серийное производство фазовращателей (ФВ), излучателей, интегрированных элементов ФАР, специализированных микросхем для систем управления лучом. В докладе [1] описан элемент плоской ФАР проходного типа Xдиапазона для излучения и приема волн с круговой поляризацией электромагнитного поля. Элемент содержит ВФФВ на эффекте Фарадея, согласующие трансформаторы и диэлектрические излучатели. Специализированная микросхема системы управления размещена непосредственно на ФВ, а элементы ее сопряжения с системой управления лучом на боковой поверхности ФАР.

В длинноволновой части миллиметрового диапазона волн поперечные размеры элементов ФАР в длинах волн больше, чем в сантиметровом диапазоне, возможность размещения микросхемы на ФВ отсутствует, и возникают трудности с расположением элементов в раскрыве ФАР с требуемым шагом антенной решетки (АР). Вопросы разработки элементов и ФАР Ка-диапазона анализируются в обзоре

[2]    . В частности отмечено, что элементы ФАР имеют поперечный размер более длины волны и для подавления побочных главных лепестков в множителе решетки используется неэквидистантное расположение излучателей в раскрыве АР.

В коротковолновой части миллиметрового диапазона волн (например, в Wдиапазоне) дополнительно возникают трудности с размещением элементов в раскрыве антенны и выводом проводов системы управления на боковую поверхность корпуса ФАР. Поэтому более предпочтительной является отражательная схема построения ФАР.

II.  Основная часть

Схема построения исследуемой плоской многоэлементной ФАР, переотражающей электромагнитные волны с круговой поляризацией поля, показана на рис. 1. Здесь обозначено: 1 прямоугольные волноводы, 2 селектор поляризации, 3 круглый волновод, 4 л/2 поляризатор, 5 конический рупор облучатель антенной решетки, 6 элемент антенной решетки.

Схема одного элемента ФАР показана на рис. 2. Он включает излучатель 1, рупор 2, круглый волновод 3, ступенчатые переходы 4 и 6, ступень согласующего перехода 5, ферритовый фазовращатель 8 с поперечным сечением 7 и короткозамыкатель 9.

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

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

В плоскости раскрыва антенной решетки излучатели расположены в узлах регулярной решетки с шестигранной ячейкой. Шаг решетки лимитируется поперечным размером элемента ФАР.

В связи с разработкой ФАР W диапазона рассмотрены следующие задачи.

1.   Создание волноводного ферритового фазовра

щателя.

2.    Отработка излучающей системы ФАР с учетом

взаимного влияния элементов в решетке.

3.    Разработка функционально завершенных волно

водных интегрированных элементов фазированной антенной решетки отражательного типа.

4.    Разработка облучающей системы ФАР, рабо

тающей на волнах с круговой поляризацией электромагнитного поля.

5. Конструирование и экспериментальное исследование фазированной антенной решетки с оптической системой возбуждения.

В качестве фазовращателя выбран ВФФВ с продольным намагничиванием на основе неметаллизированного ферритового стержня с квадратной формой поперечного сечения, работающий на волнах с круговой поляризацией электромагнитного поля [4]. Для фазовращателя этого типа характерны наличие магнитной памяти, обеспечиваемой системой из четырех П-образных ферритовых скоб, расположенных на боковых гранях неметаллизированного ферритового стержня; высокое быстродействие и малая энергия переключения, высокая активность.

Поперечный размер фазовращателя, определяющий размеры элемента решетки, составляет (к длина волны). В этом случае шаг решетки может быть принят 1,25^. При таком шаге антенной решетки в ее множителе возникают побочные главные лепестки, которые могут быть ослаблены лишь за счет определенной формы и ширины диаграммы направленности излучателя в решетке с учетом взаимного влияния. Так при отклонении луча в плоскости наибольшего шага антенной решетки на угол 0Откл=+15о побочный главный лепесток имеет место в направлении 0Откл= + 41,5°.

В качестве излучателя элемента ФАР выбрана рупорно-диэлектрическая стержневая антенна, возбуждаемая коническим рупором. Такой выбор обусловлен особенностями взаимного влияния близко расположенных диэлектрических стержней в антенной решетке. Диаграмма направленности изменяется по ширине и форме: повышается крутизна спадов, наблюдается уплощение верхней части. При этом появляется возможность подавления побочных главных лепестков, возникающих в множителе АР при сканировании луча. При длине излучателей la=5Х при отклонении луча на 15° от нормали к раскрыву, побочный главный лепесток подавляется до уровня 20 дБ.

Лабораторный макет ФАР показан на рис. 3.

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

Он содержит 199 элементов отражательного типа, установленных на опорной плите, на которой закреплены и прямоугольные волноводы облучателя.

Диаграммы направленности (ДН) макета ФАР измерялись на круговой поляризации электромагнитного поля в главных плоскостях симметрии антенной решетки в неотклоненном положении луча (синфазная решетка излучателей) и при его отклонении. При измерении характеристик ФАР использован лабораторный макет системы управления лучом ФАР с поэлементным способом управления. На рис. 4 приведены экспериментальные диаграммы направленности при углах отклонения 0, +5 и +15°. Анализ диаграмм направленности показывает, что на уровнях –

3  и -10 дБ их ширина хорошо совпадает с соответствующими значениями для эквивалентного круглого раскрыва. Повышенный уровень боковых лепестков в диаграмме направленности ФАР в основном обусловлен затенением раскрыва облучателя и запитывающими его волноводами и в меньшей степени погрешностями амплитудно-фазового распределения поля по излучателям ФАР.

Рис. 4. Экспериментальные диаграммы направленности ФАР в плоскости наибольшего шага решетки

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

Для подтверждения этого был построен технологический макет антенной решетки. Он имел те же излучатели и такую же облучающую систему, однако вместо ферритовых фазовращателей в круглых волноводах элементов ФАР были установлены механически подвижные короткозамыкатели. Они практически не вносили потерь и позволяли с высокой точностью выставлять фазы возбуждения излучателей антенной решетки, необходимые для коррекции фазового распределения, создаваемого облучателем, и для отклонения луча. Измерения диаграмм направленности технологического макета ФАР подтвердили влияние затенения раскрыва АР на уровень боковых лепестков в экспериментальных ДН.

1.  В результате проведенных исследований показана возможность создания многоэлементной плоской ФАР отражательного типа Wдиапазона с волноводными ферритовыми фазовращателями с магнитной памятью, обеспечивающей быстрое сканирование луча в секторе 9ск=+15°.

2.   При разработке ФАР решены вопросы расчета, проектирования и изготовления партии фазовращателей, излучателей, элементов облучателя; сборки, настройки и сопряжения фазовращателей с системой управления лучом.

IV. Список литературы

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.  Толкачев А. А., Денисенко В. В., Корчемкин Ю. Б., Шишлов А. В. Тенденции развития фазированных антенных решеток миллиметрового диапазона волн. Труды XII Всероссийской школы-конференции по дифракции и распространению радиоволн, Москва, 19-23 декабря 2001 года, Российский новый университет.

3.  Крехтунов В. М., Андропов Е. В., Комиссарова Е. В. Волноводный ферритовый фазовращатель для ФАР на частоту 94 ГГц. Сб.«Антенны», вып. 8(54), 2001.С. 28-33.

4.  Крехтунов В. М., Андропов Е. В., Комиссарова Е. В., Русое Ю. С. Элемент фазированной антенной решетки wдиапазона. — В кн.: 11-я Международная Крымская конференция «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2001). Материалы конференции [Севастополь, 10-14 сентября 2001 г.]. — 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.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты