МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЛНОВОДНЫХ ФЕРРИТОВЫХ ФАЗОВРАЩАТЕЛЕЙ КВЧ-ДИАПАЗОНА С УЧЕТОМ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И СБОРКИ

August 8, 2012 by admin Комментировать »

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

Аннотация Рассматриваются вопросы разработки апертурных ферритовых фазовращателей КВЧ-диапазона для элементов фазированных антенных решеток. Анализируется влияние погрешностей изготовления, сборки и разброса параметров нормализованных материалов. При анализе и расчете используется электродинамическая модель высокого уровня, построенная на основе решения задачи о собственных волнах поперечно-неоднородных волноводов с феррито-диэлектрическим заполнением и задачи дифракции электромагнитных волн на их стыках. В докладе обобщены результаты разработки ферритовых фарадеевских фазовращателей Ка и Wдиапазонов.

I.  Введение

В современных радиотехнических комплексах находят широкое применение фазированные антенные решетки (ФАР) с волноводными ферритовыми фазовращателями (ВФФВ). За последние несколько десятилетий определились основные типы и схемы построения фазовращателей: взаимные фазовращатели Реджиа-Спенсера и невзаимные фазовращатели на основе эффекта Фарадея с продольным намагничиванием, невзаимные тороидальные фазовращатели с поперечным намагничиванием.

Рассматриваются ВФФВ на основе эффекта Фарадея, наиболее часто применяемые в реальных системах. В частности, в настоящее время серийно выпускаются фазовращатели для пассивной ФАР X диапазона системы С-300 ПМУ [1], а также фазовращатели Ка диапазона [2]. Ведутся исследовательские работы по созданию ВФФВ в W-диапазоне.

С целью создания технологически простых устройств с высокими характеристиками и малой стоимостью представляет интерес разработка методов расчета фазовращателей, базирующихся на электродинамических моделях высокого уровня и использующих возможности современной вычислительной техники.

При разработке ВФФВ КВЧ-диапазона с помощью соответствующих алгоритмов и программ возможен эффективный учет и анализ влияния погрешностей, возникающих при изготовлении деталей фазовращателя и его сборке, разброса электрических параметров применяемых материалов. Также целесообразно назначение обоснованных технологических допусков по результатам расчетноаналитического моделирования.

II.  Основная часть

Разработка ВФФВ в КВЧ-диапазоне в отличие от сантиметрового диапазона длин волн имеет ряд особенностей. В частности, толщина слоев клея, зазоры и взаимные смещения деталей фазовращателя при его сборке не являются пренебрежимо малыми по сравнению с длиной волны. Следует также отметить, что в ряде случаев при переходе в коротковолновую часть диапазона волн из технологических соображений увеличивают поперечные размеры направляющей структуры, что приводит к многоволновости устройства.

Анализируется волноводный ферритовый фарадеевский фазовращатель, типовая конструкция которого описана в работе [3]. Он состоит из ферритового стержня, системы продольного намагничивания, магнитопровода, обеспечивающего магнитную память, согласующих переходов.

На рис.1 представлено схематическое изображение фрагментов ВФФВ, выполняемых либо на металлизированном (рис.1а), либо на открытом (рис. 1 б) ферритовом стержне с квадратной формой поперечного сечения. Здесь показаны: 1 корпус фазовращателя или элемента антенной решетки; 2 и 3 ступени согласующего перехода; 4 слои клея; 5 ферритовый стержень; 6 ферритовая скоба магнитопровода; 7 катушка продольного намагничивания; 8 слой металлизации. Буквами обозначены: а

–     поперечный размер стержня; b технологический зазор между ферритовой скобой и корпусом фазовращателя; с возможное выступание ферритового стержня в волновод трансформатора; d толщина слоя клея; tтолщина башмака ферритовой скобы.

Рис. 1. Схематическое изображение фрагментов ВФФВ

Fig. 1. The WFPS schematic drawing

Магнитная память ВФФВ обеспечивается четырьмя ферритовыми скобами П-образной формы, примыкающими башмаками к граням стержня. Ферритовый стержень и магнитопровод образуют замкнутую магнитную цепь с малыми полями рассеяния, что позволяет ослабить связь по полям намагничивания между соседними фазовращателями в антенной решетке.

Электродинамическая модель, используемая при анализе ВФФВ, построена методом декомпозиции

[4]     . Фазовращатель представляется в виде последовательного соединения отрезков регулярных линий передачи и их плоскопараллельных стыков. В каждой из областей модели методом Галеркина решается задача о собственных волнах поперечнонеоднородного волновода с феррито-диэлектрическим заполнением, а для каждого из стыков решается задача дифракции электромагнитных волн методом частичных областей. В результате решения задач дифракции находятся матрицы рассеяния отдельных

стыков, а затем и многоволновая матрица рассеяния устройства в целом.

Рис. 2. Зависимости коэффициентов отражения R и прохождения Т от толщины слоя клея d

На начальном этапе расчета ВФФВ численно анализируется влияние размеров основных элементов фазовращателя на его параметры вносимые потери, КСВ, фазовые характеристики. Выбор размеров ферритового стержня производится по величине удельного фазового сдвига (активности), при этом учитывается наличие экрана вокруг стержня: металлизации его боковой поверхности (рис. 1а) или корпуса, включающего весь ферритовый блок (рис. 16). Например, для фазовращателя Ка-диапазона с быстродействием в десятки микросекунд используется металлизированный стержень с поперечным размером а«0,25Яо (Яо рабочая длина волны), что обеспечивает приемлемую активность и добротность при сохранении одноволнового режима работы.

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-диапазона, исходя из условия реализуемости, используется больший относительный поперечный размер ферритового стержня. Для обеспечения быстродействия порядка десяти микросекунд его выполняют неметаллизированным. Затем рассчитываются параметры магнитной системы, ее влияние на согласование и вносимые потери фазовращателя. Толщина башмаков ферритовых скоб t выбирается из соображений создания магнитной цепи с малыми полями рассеяния, обеспечения магнитной памяти и достижения высокого коэффициента прохождения основной волны в рабочую область ферритового блока.

Puc. 3. Зависимости коэффициента отражения R и прохождения Т от величины зазора h

После определения основных геометрических размеров фазовращателя выполняется анализ влияния погрешностей изготовления его деталей и сборки. Разработанный алгоритм расчета позволяет исследовать зависимость характеристик ВФФВ от разброса электрических параметров нормализованных материалов (клея, феррита, ситаллов и композитных диэлектриков), погрешностей изготовления элементов, взаимных смещений деталей и несоосностей их расположения. Критерием для оценки влияния того или иного фактора является изменение коэффициента отражения R и коэффициента прохождения Т волны основного типа в рабочую область ферритового блока.

Слой клея 4 толщиной d между согласующим переходом и ферритовым блоком рассматривается как дополнительная ступень трансформатора. На рис.2 приведены зависимости коэффициентов отражения R и прохождения Т волны квази-Ню от относительной толщины слоя клея с/До, рассчитанные для различных значений диэлектрической проницаемости материала клея ек= 1,0; 2,5; 3,8; 5,0. Из приведенных данных видно, как уменьшается коэффициент прохождения волны Т и увеличивается коэффициент отражения волны R при увеличении толщины слоя клея и уменьшении его диэлектрической проницаемости.

Также оценивалось влияние на характеристики ВФФВ несоосности расположения ступеней диэлектрического трансформатора и ферритового стержня. Исследовалось влияние величины зазора h между стенками трансформатора 3 и волновода 1. Соответствующие результаты расчетов представлены на рис.З, где видно, что гарантированный зазор необходим не только из технологических соображений для сборки фазовращателя, но и для лучшего его согласования. Имеются области значений h/Xо, при которых влияние зазора мало и слабо зависит от диэлектрической проницаемости трансформатора.

Для исследуемого фазовращателя W-диапазона необходим анализ взаимного расположения деталей. При сборке ферритового блока возможно выступание ферритового стержня в область трансформатора. Выступающий участок рассматривается как дополнительная ступень согласующего перехода и проводится анализ его влияния на согласование и вносимые потери фазовращателя. Установлено, что зазор b между башмаками скоб и корпусом фазовращателя увеличивает коэффициент отражения волны рабочего типа от ферритового блока и уменьшает коэффициент ее прохождения. Расчетным путем устанавливаются допуски на исследуемые параметры и требования к качеству обработки деталей фазовращателя и их сборке.

III.   Заключение

1.    На основе построенных электродинамической и математической моделей ВФФВ разработан алгоритм и реализующее его программное обеспечение для расчета параметров фазовращателей.

2.    С помощью разработанной программы проведены оптимизация характеристик фазовращателей, анализ влияния погрешностей изготовления деталей ВФФВ и сборки, разброса электрических параметров применяемых материалов. По результа-

там оценки влияния указанных факторов устанавливаются обоснованные технологические допуски.

3.    При проведении подобных исследований на этапах конструирования и подготовки к серийному производству ВФФВ могут быть существенно сокращены стоимость и сроки разработки фазовращателей.

IV.  Список литературы

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., Милевский Н. П., Смирнова Е. А. Двухмодовый фазовращатель для ФАР миллиметрового диапазона волн.// Сб. Антенны, вып. 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.    Автоматизированное проектирование устройств СВЧ. Никольский В.В., Орлов В.П., Феоктистов В.Г. и др./ Под ред. В.В. Никольского. М.: Радио и связь, 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, b a gap between the cramp and the case, с 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.

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