ВОЛНОВОДНЫЕ ФЕРРИТОВЫЕ ФАЗОВРАЩАТЕЛИ ДЛЯ ЭЛЕМЕНТОВ ФАР КВЧ-ДИАПАЗОНА

February 13, 2013 by admin Комментировать »

Голубцов м. Е., Крехтунов В. М. Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана ул. 2-я Бауманская, д. 5, г. Москва, 105005, Россия тел.: (495) 2677596, e-mail: meg_max@rbcmail.ru

Аннотация – Рассматриваются вопросы разработки апертурных волноводных ферритовых фазовращателей для элементов ФАР КВЧ-диапазона с широкоугольным сканированием луча. Анализируются известные конструкции, приводится описание разработанных фарадеевских фазовращателей с быстродействием в единицы и десятки микросекунд. Для расчета и оптимизации характеристик применяется электродинамическая модель высокого уровня, построенная на основе решения задач о собственных волнах поперечно-неоднородных волноводов с феррито-диэлек- трическим заполнением и задач дифракции электромагнитных волн на их стыках.

I.                                       Введение

Современные радиолокационные комплексы строятся, как правило, на основе фазированных антенных решеток (ФАР) с волноводными ферритовы- ми фазовращателями (ВФФВ). В ФАР, работающих на кругополяризованных волнах, наиболее часто применяются волноводные ферритовые фазовращатели, использующие принцип эффекта Фарадея. Известны примеры серийного выпуска элементов таких ФАР разных частотных диапазонов, например, X – диапазона [1 ] и Ка – диапазона [2].

Сейчас существует острая необходимость в проведении работ по упрощению конструкции фазовращателей, повышению технологичности, снижению трудоемкости и стоимости. Кроме того, актуальны проблемы повышения быстродействия и уменьшения энергии переключения элементов ФАР.

II.                              Основная часть

Фарадеевские фазовращатели выполняются, как правило, на основе ферритовых стержней с круглой или квадратной формой поперечного сечения, металлизированных по боковой поверхности. На основе металлизированных ферритовых стержней круглого сечения построены получившие распространение ВФФВ [1], [2]. В обеих конструкциях магнитная память обеспечивается двумя магнитопроводами со сложной посадочной поверхностью для замыкания магнитного потока. Металлизация с прорезями для предотвращения токов самоиндукции, прецизионное формирование посадочных поверхностей магнито- проводов и пр. требуют высокотехнологичного оборудования, а затраты на организацию производственного цикла становятся оправданными только при крупносерийном выпуске элементов.

Условие обеспечения широкоугольного электрического сканирования луча (20ск>9О°) ограничивает шаг решетки величиной 0,68λ, где λ-длина волны, что требует поперечных размеров элемента порядка

0,          65λ для отражательной ФАР и (0,5…0,6)λ в ФАР проходного типа с учетом крепления элемента и вывода проводов управления. В первую очередь эти требования предъявляют к фазовращателю, что вызывает необходимость в минимизации поперечного сечения ферритового стержня и системы намагничивания. Например, из-за громоздкости магнитопрово- дов этим условиям не удовлетворяет ВФФВ Ка- диапазона [2].

Наиболее сложной задачей является реализация элементов проходных и отражательных ФАР в диапазонах Ки, Ка и более высоких частот. При этом вопросы обеспечения высокой активности фазовращателя и уменьшения времени и энергии перекпючения становятся еще более актуальными. Для уменьшения себестоимости ВФФВ конструкция должна предусматривать использование нормализованных ферритов и диэлектриков, состоять из элементов простой конфигурации, не требовать сложных и затратных технологических процессов.

Наиболее компактная и технологичная конструкцию ВФФВ реализуется при выполнении фазовращателя на основе ферритового стержня квадратного сечения с устанавливаемыми по граням магнитопроводами. Магнитная память обеспечивается П- образными магнитопроводами, которые за счет плоскостного контакта со стержнем образуют замкнутую магнитную цепь с малыми полями рассеяния. При изготовлении ферритовых деталей используются операции плоского шлифования и резания, что обеспечивает большую точность изготовления и меньшую себестоимость.

На рисунке 1 представлена схема типичного элемента проходной ФАР на основе фарадеевского ВФФВ, где показаны: 1-ферритовый стержень, 2- катушка продольного намагничивания, 3- магнитопроводы, 4-ступени согласующих трансформаторов, 5-диэлектрические излучатели.

Рис. 1. Схема элемента ФАР.

Fig. 1. The scheme of FAA element

В зависимости от требуемого быстродействия и энергии переключения рассматривается два варианта выполнения ВФФВ: либо на металлизированном, либо на неметаллизированном ферритовом стержне. Если не предъявляются предельно высокие требования по быстродействию (десятки микросекунд) и энергии перекпючения, то целесообразно использовать металлизированный ферритовый стержень [3]. В этом случае обеспечиваются минимальные потери, простота сборки и технологичность, минимальные поперечные размеры. Если же предъявляются повышенные требования по быстродействию (единицы микросекунд) и энергии переключения, то необходимо строить фазовращатель на основе неме- таллизированного ферритового стержня [4]. В этом случае нет необходимости наносить металлизацию и бороться с вихревыми токами. Однако имеют место ограничения, связанные с влиянием системы намагничивания на распространение волны основного типа в неметаллизированном ферритовом стержне и возможностью возбуждения волн высших типов.

При проектировании фазовращателя решается задача по оптимизации размеров ферритового стержня с учетом размеров экрана вокруг него, ограничений на поперечные размеры, влияния системы намагничивания и магнитопроводов. На всех этапах разработки ВФФВ, включая выбор размеров, согласование, анализ влияния технологических факторов, используется электродинамическая модель высокого уровня. Фазовращатель представляется в виде последовательного соединения отрезков регулярных линий передачи и их плоскопараллельных стыков [5]. В каждой из областей модели методом Галеркина решается задача о собственных волнах поперечнонеоднородного волновода с феррито-диэлектричес- ким заполнением, а для каждого из стыков решается задача дифракции электромагнитных волн методом частичных областей. В результате решения задач дифракции находятся элементы матрицы рассеяния отдельных стыков, а затем и многоволновая матрица рассеяния ВФФВ в целом.

После нахождения основных размеров ВФФВ выполняется анализ влияния возможных погрешностей изготовления и сборки. Электродинамическая модель позволяет исследовать зависимость характеристик ВФФВ от разброса электрических параметров нормализованных материалов (клея, феррита, си- таллов и композитных диэлектриков), погрешностей изготовления, взаимных смещений и несоосностей расположения деталей. Критерием для оценки влияния того или иного фактора является допустимое изменение коэффициентов отражения и прохождения волны основного типа в рабочую область ферритового блока.

По результатам численного моделирования и анализа выбирается конфигурация фазовращателя, наиболее устойчивая к влиянию технологических факторов, проводится окончательный выбор размеров и устанавливаются обоснованные допуски на основные детали элемента ФАР.

III.                                  Заключение

Разработаны ВФФВ на основе ферритового стержня квадратного сечения, для элементов как отражательных, так и проходных ФАР с широкоугольным сканированием луча КВЧ диапазона. В зависимости от требований по быстродействию и энергии переключения выбирают конструктивные и технологические решения, позволяющие реализовать ВФФВ с требуемыми характеристиками.

IV.                           Список литературы

[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. A.3. Antenna design. P. 20-24.

[2] Федоров В. В., Милевский Η. 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., Jr., А dual-mode latching reciprocal ferrite phase shifter, IEEE Trans. Microwave Theory Tech.

(1970 Symposium Issue), Vol. MTT-18, pp.1119-1124,

Dec. 1970.

[4] Крехтунов В. М., Андропов Ε. В., Голубцов М. Е.. Моделирование волноводных ферритовых фазовращателей КВЧ-диапазона с учетом погрешностей изготовления и сборки. – В кн.: 13-я Междунар. Крымская конф. «СВЧ- техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМи- Ко’2003). Материалы конф. [Севастополь, 8-12 сент.

2003 г.]. – Севастополь: Вебер, 2003, с. 495-497.

[5] Крехтунов В. М., Месропян К. Л., Соколов В. Б. Собственные волны прямоугольно волновода со сложным феррито-диэлектрическим заполнением. // Сб. Вестник МГТУ. Сер. Приборостроение. 1991, № 3. – с.11 -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.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

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