Фазовращатель фазированный антенный решетка

Введение

Ферритовый фазовращатель в прямоугольном волноводе с продольным намагничиванием

 

По оси волновода расположен ферритовый стержень, круглого или прямоугольного сечения. Управляющее магнитное поле направлено продольно и создается соленоидом, намотанным снаружи непосредственно на волноводе. Изменением управляющего магнитного поля можно менять магнитную проницаемость феррита и соответственно скорость распространения и длину волны высокочастотных колебаний внутри волновода, а следовательно, и фазу поля за ферритовым стержнем. Достоинством такого фазовращателя является его простота и возможность регулировки фазы в широких пределах (0...360⁰) при небольшом ослаблении мощности колебаний СВЧ (0,5... 1,0 дБ).

Ферритовый фазовращатель в прямоугольном волноводе с поперечным полем подмагничивания

 

Ферритовая пластина прямоугольного поперечного сечения размещается параллельно узкой стенке между ней и серединой волновода (приблизительно на расстоянии а/4 от узкой стенки, где а •- размер широкой стороны волновода). Полюса магнита N и S устанавливаются по обе стороны пластины. В таком фазовращателе для увеличения фазового сдвига и уменьшения общей длины обычно используются две ферритовые пластины, располагаемые по обе стороны от средней плоскости волновода и соответственно намагничиваемые.

Возможен коаксиальный вариант фазовращателя, в котором феррит заполняет часть пространства между центральным проводом и экранирующим цилиндром, а поперечное магнитное поле создается магнитом, устанавливаемым снаружи отрезка коаксиальной линии.

Ферритовые фазовращатели СВЧ успешно конкурируют с фазовращателями на p-i-n диодах и позволяют управлять более высокими мощностями, но обладают несколько меньшим быстродействием.

 

СВЧ фазовращатель с планарными конденсаторами на основе пленок титаната стронция

 

Нелинейность диэлектрической проницаемости SrTiO₃ при повышенных значениях постоянного электрического поля, позволяет использовать их в электрически управляемых устройствах СВЧ, было установлено, что при увеличении постоянного напряжения U_b прикладываемого к исследованным конденсаторам, до величины U_b = 400В емкость конденсаторов уменьшалась в 1,8 раза. Фазовращатель выполненный на основе планарных SrTiO₃ конденсаторов продемонстрировал неперывное изменение фазы (0-55 deg) в диапазоне частот 8,6-9,0 ГГц и параметр качества 110 deg/dB

 

Рисунок 4 - Топология двухэлементного СВЧ фазовращателя. 1 - зазор для размещения планарного конденсатора, 2 - микрополосковая индуктивность, 3 - четверть-волновой радиальный шлейф, 4 - 10нм проволока, 5 - подложка (поликор Al₂O₃), 6 - контактные площадки для подачи постоянного напряжения.

 

Перспективы развития ФАР

 

К наиболее важным направлениям дальнейшего развития теории и техники ФАР относятся:

) широкое внедрение в радиотехнические устройства ФАР с большим числом элементов, разработка элементов новых типов, в частности для активных ФАР;

) развитие методов построения ФАР с большими размерами раскрывов, в том числе неэквидистантных ФАР с остронаправленными антеннами, расположенными в пределах целого полушария Земли (глобальный Радиотелескоп),

) дальнейшая разработка методов и технических средств ослабления вредных влияний взаимной связи между элементами ФАР;

) развитие теории синтеза и методов машинного проектирования ФАР;

) разработка теории и внедрение в практику новых методов обработки информации, принятой элементами ФАР, и использования этой информации для управления ФАР, в частности для автоматического фазирования элементов (самофазирующиеся ФАР) и изменения формы ДН, например понижения уровня боковых лепестков в направлениях на источники помех (адаптивные ФАР); 6) разработка методов управления независимым движением отдельных лучей в многолучевых ФАР.

 

Введение

фазовращатель фазированный антенный решетка

Представим себе высоконаправленную антенну, обеспечивающую связь с искусственным спутником Земли (ИСЗ). Такая антенна имеет остросфокусированный луч, точно направленный на объект связи. Примером такой антенны может служить наземная антенна станции «Орбита», которая использовалась в первых советских системах передачи телевидения и обеспечения многоканальной телефонной связи через ИСЗ. Такая антенна представляет собой параболический рефлектор диаметром порядка десяти метров. Для того чтобы осуществить слежение за объектом связи или радионаблюдения с помощью такой антенны, необходимо поворачивать всю эту довольно тяжелую механическую систему.

Очевидно, что во многих случаях нужна антенна, у которой направление луча не было бы связано с ориентацией всей антенны как механической конструкции. Нужна антенна с немеханическим движением луча или, другими словами, антенна с электронным сканированием. Под сканированием здесь понимается движение луча антенны, осуществляющее обзор пространства в заданном пространственном угле. Такая антенна нужна не только в системах связи с ИСЗ, но и в системе управления движением в районе большого аэропорта. Особую роль антенны с электронным сканированием играли и продолжают играть в системах противоракетной обороны (ПРО). С начала 90-х годов антенны с электронным сканированием стали объектом внимания автомобильных компаний. В этой связи такие антенны могут стать предметом массового спроса, как цветной телевизор или персональный компьютер. Сложившееся к настоящему времени техническое решение антенны с электронным сканированием представлено в виде решетки, в узлах которой расположены простейшие излучатели электромагнитной волны. Цепи питания этих излучателей организованы так, что излучение, испускаемое каждым излучателем, когерентно с излучением всех излучателей, в то время как фаза излучаемых волн изменяется по заданному закону. Изменение распределения фаз на излучателях позволяет сформировать луч антенны в заданном направлении. Такая решетка излучателей с управляемым распределением фаз волн, излучаемых элементарными излучателями, получила название фазированной антенной решетки (ФАР). Таким образом, термины антенна с немеханическим движением луча, антенна с электронным сканированием или фазированная антенная решетка практически являются синонимами.

Идея, что лучом системы когерентных излучателей можно управлять, изменяя распределение фаз на излучателях, была высказана уже давно. Одна из первых антенн с немеханическим управлением диаграммой направленности была построена для трансатлантической радиотелефонной линии связи в 1937 году. Эта антенна, обладая довольно высокой направленностью, позволяла изменять направление приема лучей в вертикальной плоскости и таким путем выбирать направление прихода лучей, наименее ослабленных при отражении от ионосферы. Так как благодаря направленным свойствам антенны осуществлялся прием только одного отраженного луча, то резко уменьшались замирания сигнала. Эта антенна представляла собой систему ромбических антенн, расположенных вдоль прямой на участке длиной около 1,5 км. Управление диаграммой направленности осуществлялось изменением фазовых соотношений между токами в отдельных ромбах. Высокой скорости управления лучом системы ромбических антенн не требовалось. Развитие радиолокации поставило задачу управления диаграммой направленности антенны в течение интервалов времени, измеряемых вначале миллисекундами, а затем микросекундами и даже долями микросекунды.

Насколько можно судить по известным публикациям, первая антенна с электронным сканированием для применения в радиолокации была осуществлена в Ленинградском электротехническом институте (ЛЭТИ) в 1955 году в группе под руководством проф. О.П. Орова (1914-1955). В основу принципа действия антенны было положено управление фазами волн в нескольких излучателях антенны с помощью фазовращателей, содержащих ферритовые элементы. Как раз в те годы в электронике различных частот началось широкое применение ферритов - железосодержащих окислов металлов, которые являются диэлектриками, но обладают магнитными свойствами, близкими к свойствам железа. Первая публикация о фазовращателе на основе феррита, предназначенном для применения в антенне с электронным сканированием, появилась в конце 1954 года. А публикации по самой антенне в 1956-1957 годах. Проблема разработки антенны с электронным сканированием слагается из двух составных частей:

1) выбор числа излучателей и конфигурации их размещения;

2) разработка фазовращателей, управляющих фазой электромагнитной волны в излучателях.