автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Исследование интегрированных блоков ферритовых фазовращателей миллиметрового диапазона волн

1 мптравах рукописи УДК 621 372 852 22

КОМЯГИН Роман Вячеславович

ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕГРИРОВАННЫХ БЛОКОВ ФЕРРИТОВЫХ ФАЗОВРАЩАТЕЛЕЙ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ВОЛН

Специальность 05 12 07 - Антенны, СВЧ устройства и их технологии

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2007

003057838

Работа выполнена в Московском Государственном Техническом Университете им Н Э Баумана

Научный руководитель доктор технических наук

профессор НА Бей

Официальные оппоненты доктор физ -мат наук

профессор О С Литвинов

кандидат технических наук А Е Чалых

Ведущая организация ОАО «Радиофизика»

Защита диссертации состоится 17 мая 2007г в 16 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д212 14111 в Московском Государственном Техническом университете им Н Э Баумана

Адрес 105005, Москва, 2-я Бауманская д 5 МГТУим Н Э.Баумана

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им Н Э Баумана

Автореферат разослан_апреля 2007г

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

И Б ВЛАСОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время интенсивно разрабатываются и находят все более широкое применение в радиолокационных системах и в технике связи антенные системы миллиметрового диапазона длин волн с электрически управляемой диаграммой направленности Расширению области применения таких систем препятствует их высокая стоимость, во многом определяемая сложностью технологии производства фазорегулирующих элементов В частности, трудности создания антенн с ферритовыми фазовращателями, подобными по конструкции используемым в сантиметровом диапазоне волн, связаны с необходимостью выполнения и сборки с высокой точностью большого числа элементов малых размеров Одним из путей решения этой проблемы является разработка интегрированных блоков бескорпусных (неэкранированных) ферритовых фазовращателей (ИБФ), при изготовлении которых число технологических операций существенно меньше числа операций, необходимых при поштучном изготовлении такого же числа фазовращателей

Стоимость ИБФ в значительной степени определяется технологией формообразования фазорегулирующих элементов в исходных ферритовых пластинах В связи с этим были предложены специальные конфигурации элементов ИБФ, позволяющие упростить технологический процесс В частности, представляют интерес фазорегулирующие стержни, поперечное сечение которых имеет форму правильного треугольника ИБФ с такими элементами требуют при изготовлении меньшего числа операций и применения более простого технологического оборудования

При проектировании ИБФ возникает задача нахождения размеров его единичного элемента, при которых достигаются необходимые дисперсионные характеристики Эта задача сводится к расчету коэффициентов замедления собственных волн фазорегулирующей структуры В то же время в известных работах, касающихся расчета ферритовых устройств СВЧ, не проводится исследование волноводных систем, построенных на ферритовых стержнях треугольного поперечного сечения или ячейки Флоке структуры гипа многоотверстной ферритовой пластины Поэтому расчет дисперсионных характеристик таких фазорегулирующих структур является актуальной задачей, решение которой открывает путь к созданию фазорегулирующих устройств нового типа

Целью диссертационной работы является исследование фазочастотных характеристик ячеек ИБФ, представляющих собой волноводные структуры с продольно намагниченными ферритовыми элементами треугольного поперечного сечения, а также ячеек с поперечно намагниченными элементами различной формы поперечного сечения

Задачей теоретического исследования является построение математической модели ячейки ИБФ, позволяющей рассчитать с требуемой точностью ее фазочастотные характеристики С использованием построенной

модели возможно проведение численного исследования, которое требуется для определения в диапазоне частот зависимости характеристик ячейки от геометрических параметров и параметров феррита

Задачей экспериментального исследования опытных образцов ИБФ является проверка результатов расчета и сделанных на основе их анализа выводов, а также отработка конструкции блоков

Методы исследования. Для расчета коэффициентов замедления собственных волн открытого ферритового волновода был разработан алгоритм, основанный на проекционных соотношениях Бубнова — Галеркина При этом в качестве метода дискретизации области задачи использовался метод конечных элементов (МКЭ)

Для анализа характеристик согласования одиночного фазовращателя (элемента ИБФ) при использовании различных согласующих трансформаторов был применен программный комплекс «Лямбда +», разработанный в НПО «Алмаз»

Научная новизна работы состоит в том, что в ней

- построена математическая модель ячейки Флоке ИБФ, представляющей собой продольно намагниченный ферритовый стержень треугольного поперечного сечения,

- впервые разработан алгоритм и проведены численные исследования фазочастотных характеристик ячейки Флоке, представляющей собой продольно намагниченный ферритовый стержень треугольного поперечного сечения,

- впервые проведены численные исследования фазочастотных характеристик ячейки Флоке, представляющей собой фрагмент многоотверстной ферритовой пластины с поперечно намагниченными участками

Практическая ценность.

1 Разработанные алгоритмы позволяют проводить анализ дисперсионных характеристик экранированных и неэкранированных ферритовых волноводов с различными формами поперечного сечения и направлениями намагничивания

2 Рассчитаны и проанализированы дисперсионные и фазовые характеристики неэкранированного ферритового волновода треугольного поперечного сечения с продольным намагничиванием Аналогичные расчеты сделаны для элемента интегрированного блока ферритовых фазовращателей на основе ферритовой пластины с поперечно намагниченными участками и круглыми отверстиями для ослабления распределенной связи

3 Рассчитаны зависимости уровня согласования и потерь от частоты, фазовые и фазочастотные характеристики фазовращателей, в конструкции которых использованы различные типы согласующих трансформаторов (на примере фазовращателя с фазорегулирующим стержнем круглого поперечного сечения) Показано, что согласовать ИБФ на основе структуры из ферритовых стержней треугольного поперечного сечения можно с помощью трехступенчатых диэлектрических трансформаторов

4 Отработаны и испытаны на опытных образцах конструкции интегрированных блоков ферритовых фазовращателей отражательного и проходного типов Выявлены факторы, определяющие величину потерь в ИБФ отражательного и проходного типов, даны рекомендации по конструированию ИБФ, позволяющие снизить потери

Достоверность полученных результатов, выводов и рекомендаций. Достоверность результатов численных исследований, полученных для волноводных ферритовых структур как с продольным, так и с поперечным намагничиванием, следует из сравнения результатов решения тестовых задач, полученных с использованием предлагаемых алгоритмов, с результатами их решения классическими методами Достоверность и практическая ценность полученных результатов и сформулированных на их основе выводов и рекомендаций подтверждена результатами экспериментальных исследований образцов ИБФ, разработанных с учетом этих выводов и рекомендаций

Внедрение результатов диссертационной работы. Результаты численных исследований, приведенные в работе, используются при разработке конструкторской документации на опытные образцы интегрированных блоков ферритовых фазовращателей С использованием разработанной эскизной конструкторской документации на заводе «Магнетон» изготовлены опытные образцы ИБФ Алгоритм расчета характеристик ферритовых волноводов треугольного поперечного сечения включен в пакет «Лямбда +» Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и совещаниях

1 8-я Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, 2002 г

2 Молодежная научно-техническая конференция «Радиолокация и связь

— перспективные технологии», Москва, 2003 г

3 Молодежная научно-техническая конференция «Радиолокация и связь

— перспективные технологии», Москва, 2005 г

4 2-я Научно-техническая конференция «Радиооптические технологии в приборостроении», Сочи, 2004г

Материалы диссертации вошли также составной частью в научно-технический отчет по НИР «Инжир», МГТУ им Н Э Баумана, 2005г

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в сборниках трудов четырех научно-технических конференций (доклады [1 5]), в двух статьях [6,7], опубликованных в периодических изданиях, и вошли составной частью в научно-технический отчет по НИР «Инжир» [8]

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, четырех приложений и списка литературы Работа изложена на 160 страницах машинописного текста, содержит 73 рисунка, 1 таблицу и список литературы из 62 наименований

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1 Математическая модель, алгоритм и результаты численного анализа дисперсионных характеристик ферритового волновода треугольного поперечного сечения с продольным намагничиванием

2 Результаты численного анализа дисперсионных характеристик ячейки Флоке двумерно-периодической ферритовой структуры с поперечным намагничиванием

3 Результаты численного анализа коэффициента отражения, потерь, фазовых и фазочастотных характеристик элемента ИБФ — фазовращателя на основе продольно намагниченного ферритового стержня треугольного поперечного сечения с различными типами согласующих трансформаторов

4 Рекомендации по выбору основных параметров и конкретные технические решения интегрированного блока ферритовых фазовращателей на основе фазорегулирующих ферритовых стержней треугольного поперечного сечения с продольным намагничиванием

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обсуждается актуальность темы исследований, описаны существующие подходы к реализации антенн миллиметрового диапазона длин волн с управляемыми диаграммами направленности Сформулирована цель работы и определены основные направления исследований

Первая глава посвящена обзору методов решения электродинамических задач распространения и рассеяния электромагнитных волн Поскольку аналитические методы не применимы к рассматриваемым задачам в случае сложной формы поперечного сечения ферритовых стержней, рассмотрены численные методы, используемые в настоящее время для решения задач электродинамики Для каждого из этих методов проанализирована возможность расчета с его помощью коэффициентов замедления собственных волн исследуемых структур Рассмотрены вкратце следующие методы метод конечных разностей, проекционные методы, метод конечных элементов, метод минимальных автономных блоков Сделан вывод о целесообразности построения алгоритма расчета собственных волн на базе проекционных соотношений Бубнова — Галеркина

Отдельно рассмотрен вопрос о выборе системы базисных функций в методе Бубнова — Галеркина Проанализирована возможность использования трех систем базисных функций В первую очередь это система векторных базисных функций, которая является результатом решения краевой задачи, сформулированной в виде первых двух уравнений Максвелла для рассматриваемой области задачи и тех же граничных условий, но для однородного изотропного заполнения области Второй системой базисных функций, которая применяется при решении внутренних задач электродинамики, является система полиномиальных функций порядка Т Она подходит для задач с естественными граничными условиями При

использовании этой системы все элементы матрицы задачи могут быть найдены аналитически Третий способ построения базисных функций связан с методом конечных элементов (МКЭ) Система базисных функций, используемых в МКЭ, является третьей распространенной системой базисных функций, которая применяется для решения внутренних задач электродинамики

Сделан вывод, что из группы проекционных методов наиболее пригодным для решения поставленных в диссертации электродинамических задач на собственные значения является метод Бубнова — Галеркина При этом для построения системы базисных функций целесообразно использовать метод конечных элементов

В качестве аппроксимирующих функций наиболее удобными оказались полиномиальные функции То есть на каждом элементе аппроксимирующая функция является полиномом степени N При этом во всей области задачи аппроксимация получается кусочно-полиномиальной В работе используются полиномы первой и второй степеней

Во второй главе приведено описание алгоритмов расчета коэффициентов замедления волн, распространяющихся в ячейках Флоке решеток, которые состоят из ферритовых стержней произвольной формы поперечного сечения с поперечным и продольным намагничиванием Поперечное сечение единичного фазовращателя — элемента ИБФ с фазорегулирующим

стержнем треугольного поперечного сечения — содержит области некоординатной формы (рисунок 1) Поэтому для записи и решения дисперсионного уравнения не удается применить строгие методы, связанные с разделением переменных, и для расчета коэффициентов замедления собственных волн приходится использовать численные методы Одним из наиболее подходящих для решения волноводных задач, как определено во второй главе, является метод конечных элементов (МКЭ) с использованием определяющих соотношений, записанных в виде проекционных уравнений Бубнова — Галеркина

Рисунок 1 Поперечное сечение ячейки Флоке исследуемой структуры (здесь 1 — фазорегулирующий стержень, 2 — стержни магнитопроводов)

Постановка задачи через продольные компоненты поля является наиболее популярной в работах по применению МКЭ в решении задач электродинамики,

2

так как позволяет избежать особенностей в узлах конечных элементов при их объединении

В качестве расчетной модели ячейки Флоке исследуемой структуры рассматривался волновод, поперечное сечение которого изображено на рисунке 2 Направляющая система представляет собой продольно намагниченный ферритовый стержень треугольного поперечного сечения, расположенный внутри полого волновода с идеально проводящими стенками, также имеющего треугольное поперечное сечение Магнитная проницаемость феррита описывается тензором

м

Ж 0 м 0

о о цг

(1)

Пользуясь уравнениями Максвелла, можно записать волновые уравнения относительно продольных компонент напряженностей электрического и магнитного поля

дх ду <"

дх ду Iх м

где

к) = со/л,е> к\ = (оцге> И,

2 2

и

и

(2)

(3)

(4)

Проекционные соотношения Бубнова — Галеркина в данном случае будут иметь вид

II

е=; 5

1\

е=1 $с

дх2 ду2

Я

К' (Б.=0

п = 1,2,3, ,ИЕ, ,2 .

д Н д Н 2 Ц л Ц

У Не Г-е

дх2

А7 <Е. =0

(5)

, (6)

и = 1,2,3, ,И„,

здесь N е — количество узлов, в которых неизвестны значения Е:, N ц — количество узлов, в которых неизвестны значения Н2, — площадь е-го конечного элемента

Рисунок 2 Модель ячейки Флоке периодической структуры с продольно намагниченными стержнями треугольного поперечного сечения (здесь 1 — продольно намагниченный ферритовый стержень треугольного поперечного сечения, 2 — электрическая стенка, с1 — ширина грани ферритового стержня, Б — ширина грани электрической стенки)

Систему уравнений (5), (6) можно привести к виду

где

[4 М = 4 кг

/ з \2 А,

'Н

V Я У

М» И.

(4=Х

е=1

Ч4/+[/2]/)+[4/ , о о 44/+Ы/Ы4.

(7)

120тс

м,

м=

М

" Ег1 ' " нл '

Е; 2 [нЛ = >

Ех н2 "н .

Здесь

дх дх

су ду

[4/ = К

й. т. ОПг

Кроме того, в приведенных соотношениях [А']2 -— элементный вектор-строка базисных функций треугольного конечного элемента с номером е, [£.] и [//г] -— элементные векторы-столбцы неизвестных значений поля в узлах сетки МКЭ, р — коэффициент замедления, а индекс «н» у элементных матриц означает, что они определяются в нормированных к Ян координатах

Матричное уравнение (7) представляет собой задачу на собственные значения, вычислив которые, можно определить длины волн в свободном пространстве, соответствующие волнам, распространяющимся в исследуемой системе с заданным коэффициентом замедления р

Следует отметить, что приведенный алгоритм не привязан к конкретной геометрии задачи и может быть реализован при любых формах поперечного сечения волновода и продольно намагниченного ферритового стержня При изменении формы поперечного сечения направляющей структуры меняется лишь разбиение области задачи на конечные элементы и, возможно, граничные условия

Разработанный алгоритм расчета коэффициентов замедления собственных волн в фазовращателе с продольно намагниченным ферритовым фазорегулирующим стержнем был апробирован путем решения тестовой задачи Задача состояла в расчете коэффициентов замедления собственных волн в круглом волноводе с аксиально-расположенным ферритовым продольно намагниченным стержнем круглого поперечного сечения Результаты расчетов сравнивались с известными зависимостями, полученными путем решения той же задачи методом частичных областей Максимальные отличия полученных результатов при разбиении области задачи на 112 элементов не превысили 3,6%

В третьей главе обсуждаются результаты численного анализа дисперсионных характеристик ферритовых фазорегулирующих структур При этом речь идет о структурах трех типов

1) ферритовой пластине с поперечно намагниченными участками и системой круглых сквозных отверстий между ними,

2) структуре, состоящей из расположенных в цилиндрических отверстиях сплошной ферритовой пластины продольно намагниченных ферритовых стержней круглого поперечного сечения,

3) структуре, состоящей из продольно намагниченных ферритовых стержней треугольного поперечного сечения

Численные исследования проводились с использованием разработанных и описанных в главе 2 алгоритмов и программ в СКМ МаЛсас! Программы позволяют рассчитывать коэффициенты замедления собственных волн ячеек Флоке указанных структур С помощью этих программ определены зависимости активности ферритовых структур от геометрических параметров поперечного сечения фазорегулирующих элементов

Основное внимание уделяется рассмотрению варианта ИБФ с фазорегулирующими стержнями треугольного сечения, который представляется наиболее технологичным Однако, в ряде случаев могут представлять интерес ИБФ с продольно намагничиваемыми ферритовыми стержнями круглого поперечного сечения и ферритовые ИБФ с поперечным намагничиванием В диссертации приводятся некоторые результаты численного анализа и экспериментальных исследований и кратко обсуждаются достоинства и недостатки таких конструкций

Для ячейки Флоке структуры, состоящей из продольно намагниченных ферритовых стержней треугольного поперечного сечения, построены фазовые характеристики. Показано, что максимальная крутизна фазовой характеристики обеспечивается при 6.1Х = 0,57 (здесь (1 — ширина стороны треугольника поперечного сечения стержня), однако из-за меньшей активности фазовращателя при данном отношении ¿/X, минимальная длина фазорегулирующего стержня, необходимая для создания фазового сдвига 360°, достигается при сЗУХ. = 0,54

При й/Х > 0,53 линейный участок фазовой характеристики ограничен возникновением высших типов волн При меньшем значении относительной ширины грани стержня фазовые характеристики можно считать линейными в диапазоне значений - 0,25 < Ца < 0,25, так как их отклонение от аппроксимирующих отрезков прямых не превышает 20°

Максимальное значение активности достигается при й/Х = 0,54 и составляет 0,89 По сравнению со стержнем круглого поперечного сечения с продольным намагничиванием для стержня треугольного сечения максимум активности имеет место при большем значении площади поперечного сечения Так, если для круглого стержня Дртах - 0,85 достигается при 2г/Х ~ 0,3 (здесь г — радиус стержня), то для стержня с треугольным поперечным сечением максимальное значение активности обеспечивается при 2гжв/Х = 0,4, где гжв — радиус эквивалентного круглого стержня, равного по площади поперечного

объясняется преимущественной концентрацией поля распространяющейся волны в центральной части стержня, что равноценно использованию стержня круглого поперечного сечения меньшей площади При этом оказывается, что активность фазовращателя со стержнем треугольной формы слабо зависит от размеров поперечного сечения в пределах 0,5 < с1/Л< 0,55 Стержни с треугольным и круглым поперечными сечениями можно считать практически эквивалентными по активности при отношении их площадей 8Т/8К= 1,15 1,25

Показано также, что минимальная длина фазорегулирующего стержня из феррита марки 1СЧ12, необходимая для создания фазового сдвига 360°, достигается при ¿/А, = 0,54 и при длине волны X = 8 мм составляет 9 мм Потери, обусловленные взаимосвязью между фазорегулирующим стержнем и

сечения рассматриваемому треугольному

СОБ —

-— ) Такое соотношение

2л

окружающими его стержнями магнитопровода, не превысят 0,5 дБ при величине зазора между ними 0,3с1 и более (при идеальном согласовании фазовращателя с питающим волноводом)

В четвертой главе приводятся и обсуждаются результаты численных (на моделях) и экспериментальных исследований характеристик образцов ИБФ с продольно намагниченным ферритовым фазорегулирующими стержнями треугольного поперечного сечения

Численные исследования проводились с использованием программного пакета «Лямбда +» (НПО «Алмаз») и разработанного алгоритма и программного пакета для моделирования фазорегулирующих ферритовых стержней треугольного поперечного сечения Объектом исследований с использованием программного пакета «Лямбда +» являлся фазовращатель с фазорегулирующим стержнем круглого поперечного сечения, при этом поперечное сечение магнитопроводов представлялось круговыми сегментами Такая модель из числа доступных для расчета с помощью «Лямбда +» оказалась наиболее близкой по конфигурации к элементу ИБФ с фазорегулирующим стержнем и магнитопроводами треугольного поперечного сечения, и, таким образом, позволяла с определенными поправками распространять на последний полученные для нее результаты Фазовращатель исследовался с тремя типами согласующих устройств диэлектрическим усеченным конусом, двух- и трехступенчатым трансформаторами Для каждого из указанных трансформаторов строились зависимости потерь и фазы на выходе фазовращателя от частоты (в диапазоне 32. 36 ГГц) и недиагональной компоненты тензора магнитной проницаемости (ц« = - 0,2 + 0,2) При этом размеры и диэлектрические проницаемости конуса и ступеней трансформаторов варьировались

Анализ полученных данных показал, что оптимальным типом согласующего устройства для исследуемого фазовращателя является трехступенчатый трансформатор со следующими параметрами £1=10, £2=7, е3=3, 11 =3 мм, ¡2=3,8 мм, 1з=2,7 мм и г=1,3 мм (здесь 81,2,3,11,2,3 — соответственно диэлектрические проницаемости и длины ступеней, а г — радиус трансформатора) Такой трансформатор обеспечивает среднее значение потерь в диапазоне частот (32 36)ГТц порядка 1 дБ и фазовые характеристики, близкие к линейным Фазовые характеристики в указанной полосе имеют провалы и выбросы, заметно ухудшающие их линейность Подобные резонансные пики потерь имеют место на характеристиках всех исследуемых типов согласующих устройств, и именно ими ограничивается рабочая полоса частот фазовращателя

Согласующие диэлектрические трансформаторы, как показали результаты расчетов, являются достаточно эффективными излучателями Главный максимум диаграммы направленности таких трансформаторов-излучателей в антенной решетке имеет ширину на уровне -1,2 дБ не менее 60° и на уровне -1,7 дБ не менее 90° Если площадь, приходящаяся на один элемент решетки не

превышает 0,5л2, форма диаграммы направленности в области главного максимума близка к секторной.

Опытные образцы ИБФ с продольно намагниченными фаЗорегулируюгцими стержнями треугольного поперечного сечения были изготовлены на предприятии ОАО «'Завод «Магнето»». Образцы представляют собой интегрированные блоки, состоящие из двух линеек ферритовых фазовращателей с диэлектрическими трансформаторами-излучателями. Исследовались два типа ИБФ — отражательные {рисунки 3, 4) и проходные (рисунки 5, 6).

Экспериментальные исследования отражательных ИБФ сводились к оценке согласования элементов ИБФ в диапазоне частот (30... 36)ГГц с целью выбора типа согласующего устройства (транс форматор а-излучателя), оценке вносимых потерь, определению фазовых характеристик элементов и оценке влияния намагниченности феррита фазорегулирующего стержня на вносимые элементом потери.

Оценка влияния намагниченности на вносимые потери показала, что при перемагничивании фазовращателя (элемента ИБФ) в раде частотных полос диапазона (30... 33)ГГц наблюдаются значительные изменения потерь (до нескольких децибел). Эти изменения можно объяснить возбуждением в фазовращателе волн двух видов —• основной волны, распространяющейся вдоль фазорегулирующего стержня, и «паразитных» волн, распространяющихся вдоль стержней м а гни топ р о в о до в. Интерференция этих волн на выходе фазовращателя и приводит к значительным перепадам потерь при перемагничивании.

Рисунок 3, Конструкция ИБФ отражательного типа (здесь 1 — излучатель; 2 — ф азор е гул и рующая ферритовая пластина; 3 —■ пластина системы намагничивания; 4 — распаечная плата; 5 — катушка системы намагничивания)

<0

20.8

Рисунок 5. Конструкция ИБФ проходного типа (здесь 1,2 — фазорегулирующие пластины; 3 — излучатели; 4 — катушки системы намагничивания)

Заметно ослабить модуляцию потерь при изменении намагничивающего тока можно, нанеся на внешние грани маги ито про во до в слои рад и оггоглощающего материала или заполнив таким материалом пазы между м а гнито проводам и. При этом среднее значение вносимых потерь, как показал эксперимент,увеличивается незначительно (в пределах 0,1 ... 0,2 дБ),

Проилеивзнис по контуру

Обобщая результаты экспериментальных исследований, можно считать, что в пределах полосы частот 1,3% среднее значение потерь в отражательных ИБФ составляет около 1,8 дБ, а максимальное — 2,3 дБ.

Для элементов отражательных блокои достигается фазовый сдвиг 520° (разность фаз между двумя крайними состояниями, соответствующими намагничиванию до насыщения). На линейном участке характеристики фаза изменяется на 360° (линейная часть определялась как участок характеристики, где отличие реальной зависимости фазового сдвига от линейной аппроксимации составляет не более 22,5°).

Для элементов проходных блоков значение КСГШ, не превышающее 1,5, достигается в полосе частот (34,7 ... 37,5)ГГц. В пределах полосы (35 ... 36,2)ГГц потери составляют 2,5 дБ. За пределами указанной верхней границы полосы частот потери резко возрастают. Таким образом, относительная ширина рабочей полосы частот составляет 3%. Большие потери можно объяснить плохим центрированием использовавшихся бескаркасных катушек намагничивания.

Для элементов проходных блоков достигается фазовый сдвиг 720° (разность фаз между двумя крайними состояниями, соответствующими намагничиванию до насыщения). На линейном участке характеристики фаза изменяется в пределах 410°.

Рисунок 6. Опытные образцы ИБФ Ка-диапазона проходного типа

Отмечается, что машинное моделирование ИБФ производилось с использованием достаточно эффективных алгоритмов и программ (в частности, пакета «Лямбда +») и полученные результаты (диапазон частот 10%, потери

порядка 1 дБ) можно рассматривать как достижимые при изготовлении образцов с использованием специальной технологической оснастки и доработанной технологии

В Заключении сформулированы следующие основные научные и практические результаты работы

1 Разработана математическая модель ячейки Флоке ИБФ, представляющей собой продольно намагниченный ферритовый стержень треугольного поперечного сечения, и получены расчетные дисперсионные характеристики

2 Разработана математическая модель и получены расчетные дисперсионные характеристики ячейки Флоке ИБФ, представляющей собой поперечно намагниченный ферритовый стержень с проводником системы намагничивания и элементами, фиксирующими его в ИБФ

3 Получены зависимости значений коэффициентов отражения и потерь от частоты, фазовые и фазочастотные характеристики фазовращателей, в конструкции которых использованы различные типы согласующих трансформаторов (на примере фазовращателя с фазорегулирующим стержнем круглого поперечного сечения) Определены структура и размеры согласующих устройств для использования в ИБФ на основе ферритовых стержней треугольного поперечного сечения

4 Разработана эскизная конструкторская документация и изготовлены опытные образцы отражательных и проходных ИБФ Ка-диапазона с 12-ю и 4-мя фазовращателями

5 Результаты испытаний опытных образцов отр ажательных ИБФ показали, что в Ка-диапазоне в полосе частот порядка 1,3% среднее значение потерь составляет не более 1,8 дБ, а максимальное — 2,3 дБ Максимальное значение потерь определяется интерференцией волн, распространяющихся в фазорегулирующем стержне и в магнитопроводе Для уменьшения потерь и расширения рабочей полосы частот необходима экспериментальная доработка согласующих трансформаторов-излучателей

Проходные ИБФ Ка-диапазона в полосе частот порядка 3% имеют среднее значение потерь порядка 2,5 дБ, максимальное — 3 дБ Сравнительно высокие потери и их значительный разброс от элемента к элементу обусловлены отсутствием жесткой фиксации намагничивающих катушек на фазорегулирующем стержне и неточностью установки согласующих трансформаторов-излучателей

6 Основываясь на результатах проведенных расчетов, конструкторско-технологических работ и экспериментальных исследований сделаны следующие выводы

1) разработанная модель бескорпусного ферритового фазовращателя и алгоритм расчета его основных электрических характеристик применимы для определения исходных данных для разработки эскизной конструкторской документации,

2) фазовращатели с фазорегулирующими неэкранированными ферритовыми стержнями треугольной формы при продольном намагничивании эквивалентны по фазочастотным характеристикам фазовращателям со стержнями круглого сечения, если отношение площадей их поперечных сечений 8Т/8К =1,15 1,25,

3) технология, примененная при изготовлении ИБФ, позволяет упростить систему управления ФАР, т к обеспечивает идентичность характеристик фазорегулирующих элементов в пределах партий объемом как минимум несколько десятков штук, отпадает необходимость применять метод поэлементной сборки, калибровки и настройки,

4) учитывая особенности конструкции ИБФ можно предположить, что при их использовании возможно существенное упрощение технологии производства ФАР миллиметрового диапазона с электрическим сканированием лучом в широком секторе углов

Рассмотренный вариант построения фазорегулирующих устройств многоэлементных ФАР на основе ИБФ, возможно, является наиболее технологичным Расчеты и эксперименты, проведенные с целью определения путей улучшения электрических характеристик ферритовых ИБФ, показали, что возможно существенное расширение диапазона рабочих частот применением диэлектрических конических излучателей, менее технологичных по сравнению с рассмотренными выше трехступенчатыми трансформаторами и увеличивающими диапазон разброса от элемента к элементу значений начальных фазовых сдвигов При установке катушек системы намагничивания в проходных ИБФ необходимо строгое центрирование их относительно осей фазорегулирующих стержней Выполнение этого требования, вероятно, потребует использования катушек с каркасами Все эти усовершенствования (если они целесообразны) возможны без изменения основных особенностей конструкции и предлагаемой технологии изготовления ферритовых элементов — группового способа с применением простейших операций плоского шлифования и нарезания пазов

В ряде случаев могут представлять интерес ИБФ с продольно намагничиваемыми ферритовыми стержнями круглого поперечного сечения и ферритовые ИБФ с поперечным намагничиванием В диссертации приводятся некоторые результаты численного анализа и экспериментальных исследований и кратко обсуждаются достоинства и недостатки таких конструкций

В Приложении приводится описание алгоритма расчета полей в волноводах с намагниченными во встречных направлениях ферритовыми слоями, результаты моделирования некоторых типов согласующих устройств и дается описание схемы технологического процесса изготовления ИБФ

Содержание диссертации частично отражено в следующих работах:

1 Бей Н А , Комягин Р В , Раков С Б Математическое моделирование управляемых сред типа периодических структур из ферритовых стержней

// Радиолокация, навигация, связь Тезисы докладов 8-й Международной научно-технической конференции —Воронеж, 2002 —С 1461 — 1466

2 Комягин Р В Численный анализ дисперсионных характеристик периодических феррито-диэлектрических структур с поперечным подмагничиванием // Радиолокация и связь — перспективные технологии Сб трудов молодежной научно-технической конференции — М , 2003. — С 82 — 85

3 Комягин Р В Алгоритм и результаты численного анализа дисперсионных характеристик гиромагнитного волновода с треугольным поперечным сечением // Радиолокация и связь — перспективные технологии Сб трудов молодежной научно-технической конференции — М , 2005 — С 106 — 108

4 Бей Н А, Комягин Р В Характеристики моноблочного ферритового фазовращателя // Радиооптические технологии в приборостроении Тезисы докладов 2-й научно-технической конференции —Адлер, 2004 — С 16 — 17

5 Комягин Р В Численный анализ дисперсионных характеристик периодических феррито-диэлектрических структур с элементами треугольного поперечного сечения // Радиооптические технологии в приборостроении Тезисы докладов 2-й научно-технической конференции — Адлер, 2004 — С 16

6 Комягин Р В Численный анализ дисперсионных характеристик периодических феррито-диэлектрических структур с элементами треугольного поперечного сечения // Электромагнитные волны и электронные системы — 2005 —Вып 9 —С 14—18

7 Бей Н А, Комягин Р В Интегрированные блоки ферритовых фазовращателей для ФАР миллиметрового диапазона длин волн // Антенны — 2005 —Вып 10 — С 65 —68

8 Исследование принципов построения двухдиапазонных и широкополосных антенн для систем космической связи, навигации и радиолокации Научно-технический отчет по НИР «Инжир-2ДФ» / МГТУ Руководитель темы В П Ямашкин ГР № У87302, Инв № 170/02 2 — М , 2005 — 150с

Введение.

Глава 1. Методы анализа электродинамических характеристик периодических структур с гиромагнитными элементами.

1.1. Методы расчета коэффициентов замедления собственных волн направляющих систем, содержащих гиромагнитные элементы со сложной формой поперечного сечения.

1.2. Обзор литературы по применению МКЭ для решения задач электродинамики.

1.3. Выводы по результатам обзора методов и алгоритмов.

Глава 2. Алгоритмы расчета постоянных распространения собственных волн периодических феррито-диэлектрических структур.

2.1. Алгоритм расчёта собственных волн решётки поперечно намагниченных стержней методом конечных элементов.

2.2. Алгоритм расчета собственных волн решетки продольно намагниченных ферритовых стержней треугольного поперечного сечения методом конечных элементов.

2.3 Анализ эффективности разработанного алгоритма.

Глава 3. Численный анализ дисперсионных характеристик периодических феррито-диэлектрических структур.

3.1 Структуры с поперечно намагниченными

Ферритовыми фазорегулирующими элементами.

3.1.1. Взаимное влияние и дисперсионные характеристики фазорегулирующих элементов.

3.1.2. Выводы по результатам моделирования.

3.2. Периодические структуры с продольно намагниченными ферритовыми стержнями круглого поперечного сечения.

3.2.1. Дисперсионные характеристики. Взаимное влияние фазорегулирующих элементов и магнитопроводов.

3.2.2. Выводы по результатам моделирования.

3.3. Периодические структуры с продольно намагниченными ферритовыми стержнями треугольного поперечного сечения.

3.3.1. Дисперсионные характеристики.

3.3.2. Фазовые характеристики.

3.3.3. Выводы по результатам моделирования.

Глава 4. Исследование характеристик интегрированных блоков ферритовых фазовращателей.

4.1. Методика и модели, применяемые для численных исследований характеристик ИБФ.

4.2. Численные исследования характеристик модели ячейки

4.2.1. Ячейка с согласующим коническим диэлектрическим стержнем.

4.2.2. Ячейка с согласующим двухступенчатым трансформатором.

4.2.3. Ячейка с согласующим трехступенчатым трансформатором.

4.2.4. Диаграммы направленности согласующих диэлектрических трансформаторов-излучателей.

4.3. Исследования характеристик опытных образцов ИБФ с фазорегулирующими стержнями треугольного поперечного сечения.

4.3.1. Опытные образцы ИБФ.

4.3.2. Методика экспериментальных исследований.

4.3.3. Характеристики согласующих устройств.

4.3.4. Потери, вносимые элементом ИБФ.

4.3.5. Фазовые характеристики.

4.4. Анализ полученных результатов.

Постоянно возрастающие требования к тактико-техническим характеристикам радиолокационных станций обуславливают необходимость решения новых сложных научно-технических задач. Одной из таких задач является дальнейшее совершенствование антенн с электрическим сканированием луча — активных и пассивных фазированных антенных решеток (АФАР и ФАР). В настоящее время область применения таких антенн продолжает расширяться, поскольку они обладают рядом ценных качеств. Их способность практически мгновенно изменять диаграмму направленности позволяет сканировать лучом с очень большой скоростью и по произвольному закону, гибко реагировать на изменение целевой и помеховой обстановки, обеспечивать одновременную работу по нескольким целям. Однако антенны с электрическим сканированием весьма сложны и дороги. Они состоят из очень большого числа сложных и дорогих управляемых элементов.

Цена одного модуля АФАР сантиметрового диапазона волн в настоящее время составляет несколько сотен долларов. Еще более дорогостоящими являются модули АФАР миллиметрового диапазона. Стоимость фазовращателей пассивных ФАР значительно ниже, чем модулей активных антенных решеток. Однако пассивные ФАР существенно уступают АФАР по своим электрическим характеристикам и, вероятно, в ближайшие годы будут вытеснены АФАР из радиолокационной и связной аппаратуры за исключением систем, стоимость которых должна быть предельно низкой (например, высокоточные головки самонаведения ракет и некоторые системы радиовидения, работающие в миллиметровом диапазоне волн).

Поиски путей снижения стоимости антенн с электрическим сканированием стимулируются наблюдающимся в последнее время повышенным интересом к антенным системам миллиметрового (ММ) диапазона волн (30.300 ГГц).

Следует учитывать, что реализация фазированных антенных решеток (ФАР) в коротковолновой части сантиметрового диапазона и, тем более, в миллиметровом диапазоне существенно затруднена. Основные трудности связаны с недостаточно развитой элементной базой, высокими требованиями к точности изготовления элементов, значительными потерями в элементах и волноводных трактах, относительно небольшой предельной пропускаемой мощностью. Они особенно возрастают при переходе в коротковолновую часть ММ-диапазона (1. .3 мм).

Существующие в настоящее время подходы к разработке и конструированию ФАР ММ-диапазона базируются в основном на следующих принципах, кратко изложенных ниже.

1. Принцип подобия — наиболее разработанный (и вероятно, наименее перспективный) подход, распространяющий принципы построения и технические решения для антенных систем СМ-диапазона на ММ-диапазон волн [1]. Теоретические вопросы анализа и синтеза основных характеристик таких ФАР, с учетом взаимного влияния излучателей, достаточно хорошо изучены, поэтому основной акцент при их разработке делается на уменьшении потерь, удовлетворении технологических требований. Значительное внимание уделяется также вопросам подавления побочных главных максимумов, если возможности применяемой технологии не позволяют уменьшить поперечные размеры фазовращателей и активных приборов до величин, меньших длины волны.

2. Подход, основанный на эффекте преобразования поверхностных волн в объемные, использует волноведущие структуры (диэлектрический или спиральный волновод, ребристый стержень, гребенчатую структуру, кольцевой волновод и т.п.) и связанные с ними периодические структуры металлическую ленточную решетку, структуры с периодическим изменением диэлектрической проницаемости и т.д.).

Управлять положением луча антенн, построенных с использованием эффекта преобразования поверхностных волн в объемные, можно, помимо частотного способа сканирования, изменением коэффициента распространения основной волны в волноведущей структуре такой антенны, либо изменением периода расположения неоднородностей (дифракционной решетки).

Устройства такого типа рассматриваются в работах [2, 3].

3. Подход, базирующийся на применении управляемой импедансной структуры (панели) в сочетании с оптической или электронно-лучевой системой управления. Такой подход основан на различном, одновременном, независимом взаимодействии оптического излучения либо электронного потока, с одной стороны, и электромагнитного СВЧ-поля, с другой стороны, с веществом полупроводникового слоя управляемой импедансной апертуры, на которой формируются элементы фазированной антенной решетки.

Следует особо отметить технологии построения монолитных ФАР, основанные на применении арсенид-галлиевых и фосфид-индиевых материалов. В таких устройствах на едином чипе объединяются системы излучателей и фазовращателей [1, 4, 5]. Данные технологии в настоящее время находятся в стадии интенсивных исследований.

4. Подход, базирующийся на использовании сред с управляемым показателем преломления [6]. Антенны такого типа строятся подобно оптическим дефлекторам и представляют собой управляемые линзы. Вероятно, антенны с управляемыми линзами, выполненными из ферритов или взвесей, найдут наиболее широкое применение в коротковолновой части миллиметрового диапазона и в субмиллиметровом диапазоне волн. Однако и в сантиметровом диапазоне волн применение таких систем оказывается целесообразным, если управляемая среда выполняется в виде периодической структуры из линий поверхностных волн с электрически управляемым коэффициентом замедления. Экспериментальные образцы сканирующих антенн такого типа, выполненные на основе периодических структур из ферритовых стержней и отличающиеся широким диапазоном рабочих частот и высоким уровнем излучаемой мощности, описаны в [6].

Построение управляемых линз возможно как с использованием сплошных гиротропных сред, так и на основе периодических систем, составленных из открытых линий поверхностных волн с управляемым коэффициентом замедления. Анализируя эти два решения можно придти к выводу о целесообразности применения в коротковолновой части сантиметрового диапазона и в миллиметровом интегрированных блоков бескорпусных ферритовых фазовращателей [7, 8]. Такие блоки (сокращенно — ИБФ), разрабатываемые для использования в антеннах миллиметрового диапазона волн с электронным управлением диаграммой направленности, представляют собой систему из нескольких (более десяти) фазовращателей с излучателями и элементами распределительной системы (волноводным или квазиоптическим делителем мощности), объединенных в единую конструкцию. С учетом особенностей конструкции блоков и антенны в целом такие устройства могут рассматриваться как линзы с управляемым показателем преломления [6]. Основным преимуществом ИБФ, по сравнению с ФАР с тем же числом фазовращателей, является значительно меньшая трудоемкость в изготовлении и, следовательно, меньшая стоимость. Это преимущество определяется возможностью применения при изготовлении ИБФ таких технологических процессов, при которых изготавливается конструкция, состоящая из группы фазовращателей, и сводится к минимуму число сборочных операций. Это число в ряде случаев оказывается даже меньшим по сравнению с числом сборочных операций при изготовлении одного фазовращателя, выполненного в виде фазорегулирующего ферритового стержня и набора скоб, замыкающих магнитный поток [1].

Подобно такого рода фазовращателям, ИБФ могут быть отражательными и проходными.

Ферритовые отражательные ИБФ состоят из двух основных узлов: фазорегулирующего устройства и устройства намагничивания. Фазорегулирующее устройство представляет собой ферритовую пластину, в которой механической обработкой сформирована система из фазорегулирующих стержней с магнитопроводами и элементами согласующих устройств. Устройство намагничивания также представляет собой ферритовую пластину с элементами магнитопроводов и проводниками (катушками) системы управления. ИБФ проходного типа состоят из одной (при поперечном намагничивании) или двух идентичных ферритовых фазорегулирующих пластин с согласующими элементами и проводниками устройства управления [8].

Выбор геометрических параметров ИБФ миллиметрового диапазона волн во многом определяется возможностями применяемой технологии и оказывается не всегда оптимальным с точки зрения достижения наилучших электрических характеристик. Таким образом, разработка ИБФ является задачей поиска компромисса между требованиями к электрическим характеристикам системы и технологическими возможностями. Проведенные численные и экспериментальные исследования учитывали это обстоятельство.

Фазорегулирующее устройство ферритовых ИБФ представляет собой систему открытых диэлектрических (ферритовых) волноводов и его можно рассматривать как среду (искусственный диэлектрик) с локально управляемым показателем преломления [6]. При выборе конфигурации поперечного сечения такого фазорегулирующего устройства следует учитывать взаимное влияние фазорегулирующих ферритовых волноводов и влияние на их характеристики находящихся вблизи магнитопроводов. С усилением взаимного влияния существенно усложняется алгоритм управления фазовыми сдвигами и ухудшаются электрические характеристики фазорегулирующего устройства в целом. При отсутствии развязки между магнитопроводами соседних элементов усложняется система намагничивания и увеличивается время переходных процессов при изменении фазовых сдвигов. В связи с этим желательно, когда это технологически возможно, разделять магнитопроводы ферритовых фазорегулирующих стержней. Согласующие устройства должны возбуждать в многомодовых фазорегулирующих ферритовых стержнях преимущественно волну низшего типа.

Перечисленные задачи решаются методами компьютерного моделирования с учетом возможностей технологии изготовления и механической обработки ферритовых пластин [6, 7, 11, 12, 13, 15, 16].

Из известных в настоящее время вариантов построения ферритовых ИБФ наиболее технологичной представляется система параллельных ферритовых стержней треугольного поперечного сечения, намагничиваемых в продольном направлении. При этом фазирующую ячейку (фазовращатель) образуют четыре стержня, один из которых (центральный) является фазорегулирующим, а остальные три служат для замыкания магнитного потока, создаваемого в фазорегулирующем стержне системой намагничивания. Таким ИБФ в диссертации уделяется основное внимание.

В ряде случаев могут представлять интерес ИБФ с продольно намагничиваемыми ферритовыми стержнями круглого поперечного сечения, а также ферритовые ИБФ с поперечным намагничиванием. В диссертации приводятся некоторые результаты численного анализа и экспериментальных исследований и кратко обсуждаются достоинства и недостатки таких конструкций.

Все изложенное позволяет сделать вывод об актуальности задач разработки алгоритмов для исследования характеристик ИБФ с продольно намагниченными элементами треугольной формы поперечного сечения и проведения численных и экспериментальных исследований таких блоков, главным образом для антенн миллиметрового диапазона волн.

Целью диссертационной работы является исследование фазочастотных характеристик ячеек ИБФ, представляющих собой волноводные структуры с продольно намагниченными ферритовыми элементами треугольного поперечного сечения, а также ячеек с поперечно намагниченными элементами сложной формы поперечного сечения.

Задачей теоретического исследования является построение математической модели ячейки ИБФ, позволяющей рассчитать с требуемой точностью ее фазочастотные характеристики, и проведение численного исследования, которое требуется для определения зависимости характеристик ячейки от геометрических параметров и характеристик среды в диапазоне частот.

Задачей экспериментального исследования опытных образцов ИБФ является проверка результатов расчета и сделанных на основе их анализа выводов.

Методы исследования. Для расчета коэффициентов замедления собственных волн открытого ферритового волновода был разработан алгоритм, основанный на проекционных соотношениях Бубнова — Галеркина. При этом в качестве метода дискретизации области задачи использовался метод конечных элементов (МКЭ).

Для анализа характеристик согласования одиночного фазовращателя (элемента ИБФ) при использовании различных согласующих трансформаторов был применен программный комплекс «Лямбда +», разработанный НПО «Алмаз».

Научная новизна работы состоит в том, что в ней проведены исследования и получены следующие результаты.

1. Построена математическая модель ячейки Флоке ИБФ, представляющей собой продольно намагниченный ферритовый стержень треугольного поперечного сечения. Модель позволяет рассчитывать коэффициенты замедления собственных волн.

2. Разработан алгоритм, рассчитаны и проанализированы фазочастотные характеристики ячейки Флоке, представляющей собой продольно намагниченный ферритовый стержень треугольного поперечного сечения.

3. Разработан алгоритм, рассчитаны и проанализированы фазочастотные характеристики ячейки Флоке, представляющей собой поперечно намагниченный ферритовый стержень сложного поперечного сечения.

Практическая ценность.

1. Разработан алгоритм, позволяющий проводить анализ дисперсионных характеристик экранированных и неэкранированных ферритовых волноводов с различными формами поперечного сечения и продольным намагничиванием.

2. Рассчитаны дисперсионные и фазовые характеристики неэкранированного ферритового волновода треугольного поперечного сечения с продольным намагничиванием. Аналогичные расчеты сделаны для элемента интегрированного блока фазовращателей на основе ферритовой пластины с поперечно намагниченными участками и круглыми отверстиями для ослабления распределенной связи.

3. Рассчитаны зависимости коэффициента отражения и потерь от частоты, фазовые и фазочастотные характеристики фазовращателей, в конструкции которых использованы различные типы согласующих трансформаторов (на примере фазовращателя с фазорегулирующим стержнем круглого поперечного сечения). Показано, что эффективным согласующим устройством для использования в ИБФ на основе структуры из ферритовых стержней треугольного поперечного сечения является трехступенчатый диэлектрический трансформатор.

4. Отработаны и испытаны на опытных образцах конструкции интегрированных блоков ферритовых фазовращателей отражательного и проходного типов с фазорегулирующими стержнями треугольного поперечного сечения.

Достоверность полученных результатов и сформулированных рекомендаций. Достоверность результатов численных исследований, полученных для волноводных ферритовых структур, как с продольным, так и с поперечным намагничиванием, следует из сравнения результатов решения с использованием предлагаемых алгоритмов тестовых задач, с результатами их решения классическими методами. Достоверность и практическая ценность полученных результатов и сформулированных на их основе выводов и рекомендаций подтверждена результатами экспериментальных исследований образцов ИБФ, разработанных с учетом этих выводов и рекомендаций.

Внедрение результатов диссертационной работы. Результаты численных исследований и разработанные конструкции ИБФ, приведенные в диссертационной работе, реализованы при разработке технологии и изготовлении опытных образцов интегрированных блоков ферритовых фазовращателей на заводе «Магнетон» (г. С.-Петербург). Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

8-й Международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация, связь", Воронеж, 2002 г.;

Молодежной научно-технической конференции "Радиолокация и связь — перспективные технологии", Москва, 2003 г.;

Молодежной научно-технической конференции "Радиолокация и связь — перспективные технологии", Москва, 2005 г.; 2-й Научно-технической конференции "Радиооптические технологии в приборостроении", Сочи, 2004г.

Часть материалов диссертации вошла в научно-технический отчет по НИР «Инжир», МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2005г.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в сборниках трудов четырех научно-технических конференций (доклады [11. 15]), в двух статьях [7, 8], опубликованных в периодических изданиях, и частично вошли в научно-технический отчет по НИР «Инжир» [16].

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы.

Основные результаты проведенных исследований и разработки интегрированных блоков ферритовых фазовращателей сводятся к следующему.

1. Разработана математическая модель ячейки Флоке ИБФ, представляющей собой продольно намагниченный ферритовый стержень треугольного поперечного сечения, и получены расчетные дисперсионные характеристики.

2. Получены расчетные дисперсионные характеристики ячейки Флоке ИБФ, представляющей собой поперечно намагниченный ферритовый стержень с проводником системы намагничивания и элементами, фиксирующими стержень в ИБФ.

3. Получены зависимости коэффициента отражения и потерь от частоты, фазовые и фазочастотные характеристики фазовращателей, в конструкции которых использованы различные типы согласующих трансформаторов. Определены структура и размеры согласующих устройств, предназначенных для использования в качестве трансформаторов-излучателей в ИБФ на основе фазорегулирующих ферритовых стержней с треугольным поперечным сечением.

4. Разработана эскизная конструкторская документация и изготовлены опытные образцы многоэлементных ИБФ Ка-диапазона отражательного и проходного типов. Основной технологической операцией при изготовлении ИБФ является нарезание в многослойной феррито-керамической заготовке системы пазов (Приложение 4).

5. Результаты испытаний опытных образцов отражательных ИБФ показали, что в Ка-диапазоне в полосе частот порядка 1,3% среднее значение потерь составляет не более 1,8 дБ, а максимальное — 2,3 дБ. Максимальное значение потерь определяется интерференцией волн, распространяющихся в фазорегулирующем стержне и в магнитопроводе. Для уменьшения потерь и расширения рабочей полосы частот необходима экспериментальная доработка согласующих трансформаторов-излучателей.

Проходные ИБФ в полосе частот относительной шириной 3% имеют среднее значение потерь порядка 2,5 дБ, а максимальное — 3 дБ. Сравнительно высокие потери и их значительный разброс от элемента к элементу обусловлены отсутствием жесткой фиксации намагничивающих катушек на фазорегулирующем стержне и неточностью установки согласующих трансформаторов-излучателей.

6. Основываясь на результатах проведенных расчетов, конструкторско-технологических работ и экспериментальных исследований сделаны следующие выводы:

1) разработанная модель бескорпусного ферритового фазовращателя и алгоритм расчета его основных электрических характеристик применимы для определения исходных данных для разработки эскизной конструкторской документации;

2) фазовращатели с фазорегулирующими неэкранированными ферритовыми стержнями треугольной формы при продольном намагничивании эквивалентны по фазочастотным характеристикам фазовращателям со стержнями круглого сечения, если отношение площадей их поперечных сечений Sx/SK = 1,15.1,25;

3) технология, примененная при изготовлении ИБФ, позволяет упростить систему управления ФАР, т. к. обеспечивает идентичность характеристик фазорегулирующих элементов в пределах партий объемом как минимум несколько десятков штук; отпадает необходимость применять метод поэлементной сборки, калибровки и настройки;

4) учитывая особенности конструкции ИБФ можно предположить, что при их использовании возможно существенное упрощение технологии производства фазовращателей для ФАР миллиметрового диапазона с электрическим сканированием лучом в широком секторе углов.

Рассмотренный вариант построения фазорегулирующих устройств многоэлементных ФАР на основе ИБФ, возможно, является наиболее технологичным. Расчеты и эксперименты, проведенные с целью определения путей улучшения электрических характеристик ферритовых ИБФ, показали, что возможно существенное расширение диапазона рабочих частот применением диэлектрических конических излучателей, менее технологичных по сравнению с рассмотренными выше трехступенчатыми трансформаторами и увеличивающими диапазон разброса от элемента к элементу значений начальных фазовых сдвигов. При установке катушек системы намагничивания в проходных ИБФ необходимо строгое центрирование их относительно осей фазорегулирующих стержней. Выполнение этого требования, вероятно, потребует использования катушек с каркасами. Все эти усовершенствования (если они целесообразны) возможны без изменения основных особенностей конструкции и предлагаемой технологии изготовления ферритовых элементов — группового способа с применением простейших операций плоского шлифования и нарезания пазов.

Заключение

1. Проектирование фазированных антенных решеток / Под ред. Д.И. Воскресенского. — М.: Радиотехника, 2003. — 632с.

2. Вендик ОТ., Мироненко И.Г., Рыжкова JI.B. Антенна бегущей волны с электрическим сканированием // Радиотехника и электроника. — 1982. — Т.27, № 8. — С. 1653 — 1655.

3. Зайцев Э.Ф., Явон Ю.П., Комаров Ю.А., Канивец А.Ю. Интегральные ФАР с однотоковым и двухтоковым управлением для диапазона миллиметровых волн // Сборник трудов 27-й Международной конференции по теории и технике антенн. — М.: 1994. — С. 73 — 74.

4. Гринев А.Ю., Зайкин А.Е. Электродинамический анализ ФАР КВЧ-диапазона с оптическим и электронно-лучевым сканированием // Радиотехника и электроника. — 1996. — Т.41, № 5. — С. 633 — 638.

5. Гринев А.Ю., Зайкин А.Е. Фазированные антенные решетки КВЧ-диапазона с оптической и электронно-лучевой системой управления // Известия вузов. Радиоэлектроника. — 1993. — Т. 35, № 5. — С.З — 17.

6. Авдеев С.М., Бей Н.А., Морозов А.Н. Линзовые антенны с электрически управляемыми диаграммами направленности / Под ред. Н.А. Бея. — М.: Радио и связь, 1987. — 128с.

7. Комягин Р.В. Численный анализ дисперсионных характеристик периодических феррито-диэлектрических структур с элементами треугольного поперечного сечения // Электромагнитные волны и электронные системы. — 2005. — Вып. 9. — С. 14 — 18.

8. Бей Н.А., Комягин Р.В. Интегрированные блоки ферритовых фазовращателей для ФАР миллиметрового диапазона длин волн // Антенны. — 2005. — Вып. 10. — С. 65— 68.

9. Норри Д., де Фриз Ж. Введение в метод конечных элементов // Пер. с англ. М.: Мир, 1981. - 304с.

10. Исследование принципов построения двухдиапазонных и широкополосных антенн для систем космической связи, навигации и радиолокации: Научно-технический отчет по НИР «Инжир-2ДФ»

11. МГТУ. Руководитель темы В.П. Ямашкин. ГР № У87302, Инв. № 170/02.2. — М., 2005. — 150с.

12. Проблемы антенной техники / Под ред. Л.Д. Бахраха и Д.И. Воскресенского. — М.: Радио и связь , 1989. 368с.

13. Микаэлян A.JI. Теория и применение ферритов на сверхвысоких частотах. — М.—JL, Госэнергоиздат, 1963. 664с.

14. Лакс Б., Баттон К. Сверхвысокочастотные ферриты и ферритомагнетики. — М.: Мир, 1965. — 675с.

15. Ю.Никольский В.В., Никольская Т.И. Декомпозиционный подход к задачам электродинамики. М.: Наука, 1983. - 304с.

16. Справочник. Разработка и оформление конструкторской документации РЭА / Под редакцией Э. Т. Романычевой. — М.: Радио и связь, 1989. -448с.

17. Greenwood A.D., Jin J.M. A Novel Efficient Algorithm for Scattering from a Complex BOR Using Mixed Finite Elements and Cylindrical PML // IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 47, NO. 4, April 1999. P. 620 - 629.

18. Arlett P.L., Bahrani A.K., Zienkiewicj O.C. Application of finite elements to the solution of Helmgolgs equation // Proc. IEEE. - 1968. - V. 115, № 12.-P. 1762- 1766.

19. Ahmed S., Daly P. Waveguide solutions by the finite element method // Radio Electron. Eng. 1969. - V. 38, № 10. - P. 217 - 223.

20. Ahmed S., Daly P. Finite element methods for inhomogeneous waveguides // Proc. IEEE. - 1969. - V. 116, № 10. - P. 1661 - 1664.

21. Csendes Z.J., Silvester P. Numerical solution of dielectric loaded waveguide: I finite - element analysis / IEEE Trans. - 1970. - V. MTT -18, № 12. -P. 1124-1131.

22. Konrad A. High order triangular finite elements for electromagnetic waves in anisotropic media // IEEE Trans. - 1977. - V. MTT - 25, № 5. - P. 353 -360.

23. McAulay A.D. Variational finite element solution for dissipative waveguides and transportation application // IEEE Trans. 1977. - V. MTT - 25, № 5. -P. 382 - 392.

24. Ikeuchi M, Savami H., Niki H. Analysis of open — type dielectric waveguides by the finite element iterative method // IEEE Trans. - 1981. -V. MTT - 29, № 3. - P. 234 - 239.

25. Mabaya N., Lagasse P.E., Vandenbulcke P. Finite — element analysis of optical waveguides // IEEE Trans. 1981. - V. MTT - 29, № 6. - P. 600 -605.

26. KatgJ. Novel solution of 2-D waveguides using the finite element method // Appl. Opt. - 1982. - V.29, № 15. - P. 2747 - 2756.

27. Rahman B.M.A., Davies J.B. Finite element analysis of optical and microwave waveguide problems // IEEE Trans. - 1984. - V. MTT - 32, № 1. -P. 20-28.

28. Курушин Е.П., Нефедов Е.И. Электродинамика анизотропных волноведущих структур. — М.: Наука, 1983. — 224с.

29. Т. 28, № 2. — С. 230 — 236.

30. Веселое Г.И., Раевский С.Б. О спектре комплексных волн круглого диэлектрического волновода // Радиотехника. — 1983. — Т. 38, № 2. — С. 55 — 58.

31. Неганов В.А., Нефедов Е.И., Яровой Г.П. Электродинамические методы проектирования устройств СВЧ и антенн. Учебное пособие для вузов / Под ред. Неганова В.А. — М.: Радио и связь, 2002. — 416 с.

32. Зелкин Е.Г., Петрова P.JI. Линзовые антенны. — М.: Энергия, 1973. — 440с.51 .Хижняк Н.А. Искусственные анизотропные среды // ЖТФ — 1957. — Т.27, № 9. — С. 2006 — 2035.

33. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. — М.: Наука, 1966. — 724с.

34. Михлин С.Г. Вариационные методы в математической физике. — М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1957. —524с.

35. Berk A.D. Variational Principles for Electromagnetic Resonators and Waveguides // IRE Transactions on Antennas and Propagation. — 1956. — V.4, № 2. — P. 104—111.

36. Рвачев B.JI., Рвачев В.А. Неклассические методы теории приближений в краевых задачах. — Киев: Наукова думка, 1979. — 196с.