на правах рукописи - Алмаз

3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Использование поляризационных эффектов в работе
радиолокационных станций является одним из путей повышения их эффективности. Учет поляризационных свойств цели при выборе поляризации облучающей волны и прием отраженного сигнала с учетом его поляризации позволяют
значительно увеличить объем информации об объекте.
Антенна является основным средством управления поляризацией сигналов, инструментом его поляризационного анализа и поляризационной селекции.
Максимальное использование поляризационных эффектов требует динамической перестройки поляризационных свойств антенны в процессе работы, что достигается введением в ее состав управляемых поляризаторов. Для этой цели часто используют ферритовые переключатели поляризации, широкому внедрению
которых препятствует ряд существенных недостатков. Ферритовые переключатели обладают низкой температурной стабильностью, их характеристики имеют
ярко выраженную зависимость от разброса параметров ферритового материала.
Кроме того, обеспечение современного уровня развития требует снижения энергопотребления и повышения быстродействия переключателей. Серийное производство переключателей ставит задачу упрощения методов настройки и расширения технологических ограничений.
Таким образом, в настоящее время существует актуальная научнотехническая проблема разработки и обеспечения серийного выпуска переключателя поляризации для антенного элемента фазированной антенной решетки,
обладающего высокими поляризационными характеристиками, не зависящими
от температуры, имеющего малое энергопотребление и высокое быстродействие.
Цель работы и задачи исследования:
1. Разработка ферритового переключателя поляризации на квадрупольном магнитном поле, предназначенного для работы в составе антенного элемента
совместно с ферритовым фазовращателем фарадеевского типа. Переключатель должен иметь высокие термостабильные поляризационные характеристики, не зависящие от разброса параметров ферритового материала, обладать малыми значениями энергии и времени переключения.
2. Создание переключателя поляризации с продольным управляющим магнитным полем, работающего на двух ортогональных линейных поляризациях.
Переключатель должен обладать высокой температурной стабильностью,
иметь минимальные энергетические характеристики и высокое быстродействие.
3. Разработка автоматизированных методов контроля параметров антенного
элемента.
Методы исследования. В рамках диссертационной работы производятся
расчеты параметров переключателей поляризации и экспериментальная проверка полученных результатов. В основу экспериментальных исследований положены измерения поляризационных характеристик антенных элементов. Для по-
4
лучения экспериментальных данных использовались автоматизированные измерители поляризации, разработанные в рамках диссертационного исследования.
Математическое моделирование отдельных узлов проводилось с помощью интегрированного программно-вычислительного комплекса «LAMBDA+», разработанного специалистами ОАО «НПО «Алмаз». Программное обеспечение автоматизированных измерителей реализовано на языке Borland Pascal-7.0 в среде
операционной системы MS DOS с использованием пакета программ TURBO
VISION.
Научная новизна работы состоит в том, что:
1. В диссертационной работе проведена разработка переключателя поляризации на квадрупольном магнитном поле, отличающегося от аналогов тем, что
предложена двухсекционная конструкция, ранее не встречающаяся в разработках аналогичных устройств. Преимуществами предлагаемой конструкции
являются высокие поляризационные характеристики, повышенная температурная стабильность, минимальные значения энергии и времени переключения. Характеристики переключателя не зависят от разброса параметров ферритовых деталей, входящих в его состав, что упрощает его настройку и снижает технологический отход.
2. Для переключения двух ортогональных линейных поляризаций антенного
элемента предложен двухсекционный переключатель, работающий на эффекте Фарадея. Ранее для этих целей такая конструкция не использовалась.
Введение двухсекционной конструкции позволяет повысить температурную
стабильность, снизить энергию и время переключения.
3. Предложен новый вариант управления переключателем поляризации, отличающийся от аналогов тем, что для задания режима работы на каждую секцию переключателя подается один импульс напряжения. Это позволяет
уменьшить энергию переключения и повысить быстродействие. Предлагается на все обмотки переключателя подавать импульсы одинаковой длительности, что упрощает схему управления переключателем.
4. Приведен пример согласования переключателя поляризации с фазовращателем типа Реджиа-Спенсера, что позволяет дополнить преимущества данного
фазовращателя возможностью работы на нескольких видах поляризации. Ранее работа фазовращателя такого типа совместно с переключателем поляризации не исследовалась.
5. Разработаны методы контроля электромагнитных параметров антенных элементов в условиях серийного производства. Предложено два варианта автоматизированного измерительного стенда контроля поляризационных характеристик антенного элемента. При анализе технической литературы описания аналогов измерительных стендов не обнаружено, что дает основания полагать, что стенды такого типа ранее не разрабатывались. Введение стендов
позволило в десятки раз снизить время контроля поляризационных характеристик антенного элемента при сохранении высокой точности измерений.
5
Практическая ценность.
1. Получены зависимости, позволяющие рассчитать конструкцию и режимы
управления ферритового переключателя поляризации на квадрупольном и
продольном магнитном поле.
2. Проведена оптимизация конструкции переключателей поляризации.
3. Разработаны переключатели поляризации, которые могут быть использованы
для работы в составе ферритового антенного элемента фазированных антенных решеток радиолокационных комплексов. Они могут быть использованы
в других СВЧ устройствах, где требуется высокая температурная стабильность, большое быстродействие, малая энергия управления.
4. Разработано два варианта измерительного стенда автоматизированного контроля поляризационных характеристик антенного элемента. Стенды предназначены для контроля параметров антенных элементов в условиях серийного
производства и могут быть использованы для контроля поляризационных характеристик других СВЧ устройств.
5. Разработан стенд автоматизированного контроля потерь антенного элемента
в диапазоне рабочих частот при изменении его режимов управления.
6. По результатам диссертационных исследований созданы новые технические
решения, защищенные патентами №№ 2237904, 2242769, 2272339, 43689,
49374, 49375, 52526. Разработано программное обеспечение измерительных
стендов, защищенное свидетельствами №№ 2005611799, 2005612525
Внедрение.
Результаты диссертационной работы используются при разработке антенного элемента в ОАО «НПО «Алмаз» им. академика А.А. Расплетина».
Измерительные стенды, разработанные в рамках диссертационного исследования, используются для контроля параметров антенных элементов на Государственном Рязанском приборном заводе.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на симпозиуме
«Электронное управление лучом в бортовых радиолокационных комплексах» (4
– 6 октября 2000 г. на базе Государственного Рязанского приборного завода), на
XVII научно-технической конференции ГП НИИ Приборостроения им. В.В. Тихомирова (г. Жуковский, 24 – 26 октября 2001 г), на XVIII научно-технической
конференции ОАО «НИИ Приборостроения им. В.В. Тихомирова» (г. Жуковский, 2005 г).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в
16 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех
глав, заключения, пяти приложений и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 176 страниц. В том числе 60 рисунков на 24 страницах, 13 таблиц на 8 страницах и 5 приложений на 26 страницах. Библиографический список
включает 125 наименований на 14 страницах.
6
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дана краткая формулировка проблемы, обоснована актуальность темы исследования, сформулирована цель и основные задачи, решаемые в
ней, приведено краткое содержание диссертации.
В первой главе дается краткое описание поляризационных характеристик
электромагнитного поля. Приведен обзор существующих ферритовых элементов
ФАР с управляемой поляризацией.
Показано, что низкая температурная стабильность ферритового переключателя поляризации объясняется изменением намагниченности феррита при
воздействии температуры. Рассматривается ферритовый переключатель поляризации на квадрупольном магнитном поле, работающий в двухимпульсном режиме управления, наиболее часто используемом для управления ферритовыми
устройствами, обладающими магнитной памятью.
Волну круговой поляризации, подаваемую на переключатель, можно
представить в виде двух волн с ортогональными линейными поляризациями,
равными амплитудами и сдвинутыми по фазе на  / 2 друг относительно друга.
На выходе переключателя волна описывается уравнением:
E  ( E | x0  E y0 e j )e  jt  jl ,
(1)
где      / 2 – дифференциальный фазовый сдвиг;
  ( |    )l – разница фазовых изменений волн с линейными ортогональными поляризациями на длине переключателя поляризации l ;
 | ,   – постоянные распространения волн с вертикальной и горизонтальной
поляризацией;
E | , E  – амплитуды волн с вертикальM
ной и горизонтальной поляризацией.
Если на вход переключателя поM
M
M
ляризации подается волна круговой
M
поляризации, то при    / 2 , дифM
M
M
M
ференциальный фазовый сдвиг будет
равен нулю и поляризация выходящей
M
M
волны будет линейной. При    / 2
M
I
дифференциальный фазовый сдвиг будет равен    , поляризация волны
M
будет
линейной,
ортогональной
предыдущей. При   0  останется
равным  / 2 , волна круговой поляризации проходит без изменения КЭ.
В процессе работы импульс
сброса устанавливает магнитную сиРис. 1 Иллюстрация изменений
стему переключателя в состояние M r
магнитного состояния феррито(рис. 1). Далее, подачей импульса
вого переключателя поляризации
набора, в зависимости от его длительM r*
r
1
M 1*
1
2
1
2
M 3
M 2*
3
2
M 3*
M3
7
ности, намагниченность изменяется на величину M 1 , M 2 или M 3 . Магнитное состояние переходит в точку M 1 , M 2 или M 3 соответственно, что обеспечивает изменение дифференциального фазового сдвига 1   2 ;  2  0 или
3    2 . Воздействие температуры ведет к изменению M r до величины
M r*  M r  M , что вызывает изменение дифференциального фазового сдвига
 ( ) . В предложенном режиме управления, при постоянстве амплитуды
напряжения и длительности импульса набора M остается неизменным. Подачей импульса набора магнитная система переводится из состояния M r* в точку
M 1* , M 2* или M 3* , где M1*  M1  M , M 2*  M 2  M , M 3*  M 3  M . Во всех
магнитных состояниях воздействие температуры изменяет дифференциальный
фазовый сдвиг на величину  ( ) , т.е. 1*   2   ( ) , 2*   ( ) ,
3*    2   ( ) , что вызывает изменение КЭ.
Коэффициент эллиптичности определяется состоянием магнитной системы (точки M 1 , M 2 и M 3 на петле гистерезиса). В процессе настройки ПП требуется максимальное приближение к этим точкам, для чего требуется специальный отбор ферритовых деталей, ужесточение допусков на геометрические размеры, строгий контроль технологических процессов.
Работу переключателя поляризации на продольном магнитном поле также
можно описать с помощью предложенной модели. Только в этом случае температурный дрейф намагниченности M вызывает изменение угла поворота плоскости поляризации.
Приведенная модель работы ферритового устройства показывает, что повышенной термостабильностью обладают импульсные ферритовые устройства,
параметры которых задаются изменением магнитного состояния M и мало зависят от величины намагниченности.
Подробно рассматривается работа существующего переключателя поляризации с одноимпульсным управлением. Его существенными недостатками являются:
 дрейф параметров при проведении многократных переключений;
 низкая температурная стабильность, которая усиливаются дрейфом рабочих
точек в результате циклических переключений;
 сложность настройки характеристик переключателя и сильная зависимость
КЭ от разброса параметров ферритового материала.
В работе дано краткое описание методов контроля параметров антенного
элемента и определены пути их дальнейшего развития. В заключение главы
приведено обоснование программы диссертационных исследований
Вторая глава посвящена разработке управляемого поляризатора с квадрупольным магнитным полем, предназначенного для работы в составе антенного элемента ФАР совместно с фазовращателем фарадеевского типа. На вход переключателя подается волна круговой поляризации, которая преобразуется в
одну из двух ортогональных линейных или проходит без изменения. С целью
8
повышения температурной стабильности
конструкция переключателя поляризации.
Первая секция
предлагается
двухсекционная
Вторая секция
M
M
M r*
Mr
M
M1
M 1*
M
M
M
Н
Н
M
M
M
*
1
 M1
M
 Mr
 M r*
M
Рис. 2. Иллюстрация изменений магнитного состояния двухсекционного
переключателя поляризации
Работа предлагаемой конструкции проиллюстрирована на рис. 2. На обмотки управления подаются импульсы сброса, обеспечивающие намагничивание первой секции до величины M r , а второй – до ( M r ) . Изменение дифференциального фазового сдвига на первой секции равно 0 , на второй (   0 ) .
Суммарное изменение
дифференциального
фазового
сдвига
равно
  0  (0 )  0 , волна круговой поляризации проходит без изменения эллиптичности. Для установки линейной поляризации на обмотку управления второй секции подается импульс набора, переводящий магнитную систему этой
секции в точку M1 . Изменение дифференциального фазового сдвига на ней становится равным 1 , при этом суммарное изменение дифференциального фазового сдвига составляет   0  1   2 , поляризация волны преобразуется
из круговой в линейную. Переключение на ортогональную линейную поляризацию производится подачей импульса набора на первую секцию после намагничивания первой и второй секций до величин M r и ( M r ) соответственно. В
этом случае магнитное состояние первой секции переходит в точку (  M 1 ) , соответствующую изменению дифференциального фазового сдвига на ней ( 1 ) ,
суммарное изменение дифференциального фазового сдвига на переключателе
9
составит   0  (1 )    2 . Рабочие точки M r и ( M r ) на петле гистерезиса, показанной сплошной линией, получены при нормальной температуре. Под воздействием температуры намагниченность изменится на величину
M (петля гистерезиса изображена пунктирной линией). Величина намагниченности рабочих точек будет равна M r*  M r  M и (M r* )  (M r  M ) , что соответствует дифференциальным фазовым сдвигам 0*  0   ( ) и
(0* )  (0   ( )) , где  ( ) – изменение дифференциального фазового
сдвига, вызванное дрейфом магнитного состояния на величину M .
При постоянстве напряжения и длительностью импульса набора получим
точки M1*  M1  M и (M 1* )  (M 1  M ) . Дифференциальный фазовый сдвиг на
секциях в этих точках будет равен 1*  1   ( ) и (1* )  (1   ( ))
соответственно. Суммарное изменение дифференциального фазового сдвига для
каждого из трех видов поляризации составит
  0*  (0* )  (0   ( ))  (0   ( )))  0
  0*  1*  (0   ( ))  (1   ( ))  0  1   2
  0*  (1* )   (0   ( ))  ((1   ( )))  0  (1 )   2
Показанный результат говорит о нечувствительности КЭ к температурным колебаниям. Приведенное выше описание механизма работы ПП также объясняет
уменьшение зависимости КЭ от разброса параметров ферритового материала,
что упрощает настройку переключателя поляризации, снижает процент технологического отхода.
В предлагаемой конструкции каждая секция имеет по два магнитных состояния, переход между которыми можно осуществить подачей одного управляющего импульса. Использование для всех переключений импульса одинаковой длительности упрощает управление переключателем поляризации, делает
его аналогичным управлению логического элемента. Введение одноимпульсного режима управления позволяет более чем в два раза снизить энергию и время
переключения.
Разница фазовых изменений волн с линейными ортогональными поляризациями представляется в виде
2,1U пит
(2)
 
4fd c2 w
где: f – рабочая частота
U пит – напряжение питания;
w – число витков обмотки управления;
d c – диаметр волновода;
 - компонента тензора магнитной проницаемости феррита;
  2,8  2 1011 К/кг – магнитомеханическое отношение;
При условии равенства амплитуд волн с вертикальной и горизонтальной
поляризацией коэффициент эллиптичности определяется формулой:
10
К Э  20 lg tg (
2,1U пит 
 )
4fd c2 w 4
(3)
Длина секции l c находится из условия, что величина Bст должна быть равной около 0,7 Br , где Br – остаточная магнитная индукция предельной петли гистерезиса.
 2 d c f
lc 
(4)
2,94Br
Приравняв выражение (2) к  4 , определяем длительность управляющего импульса  0
 2 fd с2 w
0 
(5)
2,1U пит
Полученное уравнение показывает, что коэффициент эллиптичности и
длительность управляющего импульса  0 определяются практическими параметрами U пит , w , f и не зависят от длины секции.
Расчеты показывают, что длительность управляющего импульса находится в пределах 15 – 20 мкс, повышением питающего напряжения и подбором
числа витков может быть снижена до уровня 5 мкс.
При отработке конструкции исследовалось два варианта расположения
обмоток управления. В первом варианте управляющие обмотки намотаны на
магнитопроводы, как это показано на рис. 3. Во втором варианте обмотки укладываются в пазы между магнитопроводом и ферритовым стержнем (рис. 4).
секция 1
секция 2
секция 1
1
секция 2
1
3
2
2
2
3
3
2
3
Рис. 3 Первый вариант переключателя поляризации
Рис. 4 Второй вариант переключателя поляризации
Экспериментальные исследования обоих вариантов дали результаты, близкие к
расчетным данным, при этом выявлен ряд особенностей, отличающих эти две
конструкции. Сравнительный анализ переключателей поляризации с разными
вариантами укладки обмоток показал, что для использования в двухсекционной
конструкции более подходит первый вариант.
11
Изготовлено три партии антенных элементов первого варианта. Переключатели первой партии управлялись в двух импульсном режиме, второй и третьей
– в одноимпульсном. При работе в одноимпульсном режиме для настройки переключателя поляризации в его цепь питания введен резистор. Переключение
магнитного состояния поляризационной секции производилась подачей одного
импульса напряжением 20 В и длительностью 19 или 20 мкс в зависимости от
числа витков.
Проверка коэффициента эллиптичности антенных элементов без управления фазовращателем в нормальных климатических условиях дала следующие
результаты:
- коэффициент эллиптичности вертикальной поляризации не менее 25 дБ для
каждого элемента, при этом средние значения по партии составили 31,9 дБ;
- коэффициент эллиптичности горизонтальной поляризации не менее 26,9 дБ
для каждого элемента, при этом средние значения по партии составили
33,8 дБ
- коэффициент эллиптичности круговой поляризации не более 1,3 дБ для каждого элемента, среднее по партии равно 0,84 дБ;
Энергия переключения в режиме «круговая – линейная» находится в пределах 50 – 60 мкДж, в режиме «линейная – линейная» – в пределах 100 – 120
мкДж, что лучше результатов, полученных на существующих аналогах.
Таблица 1 Результаты измерений коэффициента эллиптичности антенных элементов, содержащих переключатель поляризации на квадрупольном магнитном
поле.
Вид
управления
Измеренный
параметр
Среднее значение Кэ
Минимальное
Двухимпульсное
значение Кэ
Максимальное
значение Кэ
Среднее значение Кэ
Минимальное
Одноимпульсное
значение Кэ
Максимальное
значение Кэ
н.у.
+85°С
-50°С
Верт.
Круг. Гор.
Верт.
Круг. Гор.
Верт.
Круг. Гор.
29,8
1,05
26,3
26,7
1,79
24,5
27,7
1,71
24,4
23,5
0,48
21,3
24,6
1,54
22,3
22,8
1,38
18,9
35,4
1,73
31,7
28,0
2,12
27,5
33,0
2,72
30,0
28,6
1,31
29,9
28,1
1,38
29,9
28,0
1,39
27,7
23,9
0,80
25,7
24,2
0,83
19,6
17,2
0,80
17,2
36,3
1,89
35,9
33,2
2,20
35,2
32,1
2,81
35,9
Изменение фазового сдвига несколько ухудшает величину коэффициента
эллиптичности. Результаты измерений для двухимпульсного и одноимпульсного
управления приведены в таблице 1.
Климатические испытания исследуемых антенных элементов в диапазоне
температур от –50 до +85°С подтвердили выводы о высокой температурной стабильности двухсекционной конструкции. Полученные результаты значительно
превосходят результаты испытаний аналогичного переключателя односекционной конструкции. Результаты измерений приведены в таблице 1.
12
В работе экспериментально показано, что при увеличении Br материала
стержня на 25% поляризационные характеристики переключателя поляризации
не ухудшились, что говорит о нечувствительности характеристик переключателя предлагаемой конструкции к изменению свойств ферритового материала.
В третьей главе работы приводится разработка переключателя поляризации с продольным магнитным полем управления. С целью повышения температурной стабильности, уменьшения влияния разброса параметров феррита, получения минимального времени переключения и снижения потребляемой энергии
предлагается двухсекционная конструкция фарадеевского вращателя поляризации. Он изготовлен на ферритовом или феррит-керамическом стержне круглого
сечения. Каждая секция содержит по две управляющие обмотки и магнитопроводы, замыкающие магнитную цепь. Вращатель имеет магнитную память, для
его управления предлагается одноимпульсный режим, обеспечивающий максимальное снижение энергии и времени переключения.
Механизм повышения температурной стабильности аналогичен приведенному в главе 2 для переключателя поляризации на квадрупольным магнитном
поле.
При проведении расчетов определялись геометрические размеры переключателя, моделировалась его работа в диапазоне частот при изменении режимов управления.
Угол поворота плоскости поляризации описывается уравнением
 1,84  к zUl p

1  
2
к
r
 z 0  r0 wf z
2
  0,588 1010
Где к z 
2

(6)
 z   волновое число
ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды;
 z – компонента тензора магнитной проницаемости феррита;
 – длина волны.
Полученное соотношение показывает, что обеспечение заданного поворота плоскости поляризации достигается путем выбора практических параметров
U ,  , w , при этом длительность управляющего импульса  0 равняется
 2 r02 w z f
0 
(7)
2
 1,84 

2,35 1010 к zUl p 1  
 к z r0 
В результате проведенных расчетов получен двухсекционный вращатель
поляризации, выполненный на стержне диаметром 7,6 мм, с длиной продольно
намагниченной части каждой секции 10 мм, общей длиной 32 мм. Длительность
управляющего импульса находится в пределах от 5 до 14 мкс и может быть
снижена до 1 мкс.
Экспериментальная проверка расчетов проводилась на макетных образцах, изготовленных в соответствии со сделанными выше предложениями. Кон-
13
струкция переключателя показана на рис. 5. Он выполнен на стержне диаметром
7,6 мм из феррита марки 3СЧ18, поверхность стержня 1 покрыта слоем металлизации 4. Магнитопроводы 2 изготовлены из феррита М107П. Переключение
магнитного состояния секций производилась подачей одного управляющего импульса. Перед началом работы каждая секция устанавливалась в рабочее состояние путем цикличного перемагничивания серией импульсов, подаваемых на
обмотки управления 3.
1
7
6
4
2
3
2
5
Рис. 5 Двухсекционный вращатель поляризации.
Проверка показала соответствие экспериментально полученных данных
результатам расчета. Отличие измеренного угла поворота от расчетного не превышает 12°. Длительности импульса управления, полученные экспериментально, близки расчетному графику. Разброс длительностей управляющего импульса
находится в пределах одной микросекунды, для его устранения в цепь питания
вводится настроечный резистор. Энергия переключения равняется 100 мкДж.
Для снижения энергии переключения и повышения быстродействия в металлизации сделаны две продольные прорези 5, препятствующие возникновению вихревых токов (рис. 5). Чтобы исключить потери СВЧ-энергии, прорези
закрыты дополнительным слоем металлизации 7, отделенным диэлектриком от
металлизированной поверхности стержня 4. Эксперимент показывает, что введение прорезей сокращает длительность управления на 0,5 – 2 мкс, при этом амплитуда импульса тока уменьшается более, чем в два раза. Энергия переключения уменьшается до 40 мкДж, что в 2,5 раза меньше исходного значения.
Уменьшение длины секции до 8 мм ведет к увеличению намагниченности
ферритового стержня. Приведенные выше расчеты справедливы для малых полей и с уменьшением длины секции увеличиваются различия между расчетными
и экспериментальными данными. В результате уменьшения длины секции увеличилась амплитуда тока управляющего импульса.
Климатические испытания в температурном интервале (–50°С  +85)°С
показали, что в режиме отсутствия поворота характеристики двухсекционного
переключателя неизменны. В режиме  2 угол поворота находится в пределах
90+10°.
Для сравнения проверялись характеристики тех же образцов, работающих
в режиме односекционного вращателя поляризации. При этом обмотки секций
14
соединялись последовательно таким образом, чтобы импульс сброса намагничивал секции в одном направлении, а прохождение импульса набора задавало поворот 0° или 90°. Переключатель работает как односекционный вращатель поляризации с длиной продольно намагниченной части 20 мм и количеством витков 60. На обмотки подавался импульс сброса длительностью 60 мкс, длительность импульса набора, задающего поворот 90°, находилась в пределах 15+2,5
мкс, импульс набора, обеспечивающий нулевой поворот, имеет длительность
25,5+2,5 мкс. Полученные результаты показывают, что для работы в данном режиме требуется подбор длительностей управления для каждого образца. Введение резистора в цепь управления переключателя обеспечивает настройку с погрешностью около 10°. Повышение точности настройки требует ужесточения
отбора ферритовых стержней, используемых для изготовления переключателей.
Изменение температуры окружающей среды от минус 50°С до +85°С в
режиме  2 дает разброс угла поворота в пределах от 50° до 125°, в режиме отсутствия поворота измеренное значение угла поворота находится в пределах
( – 35 …+40)°. Отклонение поворота в 10° дает увеличение потерь СВЧ энергии
на 0,13 дБ, поворот на 40° увеличивает потери на 2,31 дБ. Это означает, что при
работе односекционной конструкции колебания температуры вызовут резкое
увеличение потерь.
Полученные результаты подтверждают правильность предположений, о
существенном снижении температурной зависимости параметров фарадеевского
вращателя поляризации, работающего в импульсном режиме, путем использования двухсекционной конструкции. Характеристики предложенной конструкции не зависят от разброса параметров феррита. Переключатель обладает высоким быстродействием и малой энергией переключения. Введение продольных
прорезей металлизированного покрытия позволяет снизить энергию переключения до 40 мкДж. Вышеперечисленные качества позволяют использовать его во
многих устройствах СВЧ-техники.
В качестве примера приводится согласование переключателя поляризации
с фазовращателем типа Реджиа-Спенсера, что позволяет дополнить преимущества данного фазовращателя возможностью работать на нескольких видах поляризации.
В четвертой главе приведена разработка автоматизированных стендов
для контроля параметров антенного элемента: двух стендов контроля поляризационных характеристик антенного элемента и стенда контроля потерь СВЧэнергии. Работа первого стенда контроля поляризационных характеристик основана на методе поляризационной диаграммы, в основе работы второго стенда
лежит разделение поляризации проходящей электромагнитной волны.
Принцип действия первого стенда контроля поляризационных характеристик основан на построении поляризационной диаграммы, являющейся зависимостью амплитуды сигнала от углового положения измерителя, выраженной в
полярных координатах. Для эллиптически поляризованной волны поляризационная диаграмма по своему виду имеет форму гантели, которая при линейной
15
поляризации превращается в восьмерку, а в случае круговой поляризации приобретает форму окружности.
Автоматизация процесса обеспечивается введением ферритового вращателя поляризации вместо механически вращающихся устройств, что дает возможность производить измерение под управлением ЭВМ. Достоинствами измерительного стенда предложенной конструкции являются высокая скорость измерения параметров антенного элемента в автоматизированном режиме, высокая точность измерения, простота настройки. С помощью стенда измеряется КЭ
во всех дискретных состояниях антенного элемента на трех видах поляризации:
круговой и двух ортогональных линейных. Результаты измерений выводятся на
экран монитора и могут быть сохранены в текстовом файле. Время измерения
коэффициента эллиптичности антенного элемента в одном из его дискретных
состояний составляет 1 – 2 секунды. Комплексное измерение характеристик антенного элемента составляет 5 – 7 минут.
С целью дальнейшего сокращения времени измерения и повышения точности предлагается вариант автоматизированного стенда, принцип работы которого основывается на разделении поляризации. В процессе работы стенда электромагнитная волна эллиптической поляризации, выходящая с измеряемого антенного элемента, на разделителе поляризации разделяется на два канала. Каждый канал поочередно подключается к средству измерения, в качестве которого
использован измеритель ФК2-33, имеющий цифровой выход КОП. Коэффициент эллиптичности электромагнитной волны, выраженный в децибелах, определяется по формуле:
1  10
К Э  20 lg
1  10

| P1 P 2|
20

| P1 P 2|
20
(8)
Где: Р1 и Р2 – уровни сигнала в каналах, выраженные в децибелах.
Введение автоматизированного стенда контроля поляризационных характеристик, использующего принцип разделения поляризации, дает возможность дополнительного снижения общего времени измерения. Время измерения эллиптичности волны в одном из дискретных состояний антенного
элемента равно 0,2 с. Комплексное измерение характеристик антенного элемента производится менее одной минуты. Такое существенное уменьшение
времени контроля очень важно в условиях серийного производства.
Изготовление и настройка антенных элементов требует проведения многократного контроля потерь СВЧ-энергии при изменении фазового состояния во
всем диапазоне рабочих частот. Для этой цели произведена разработка стенда
автоматизированного контроля потерь, имеющего несколько режимов работы.
Погрешность измерения потерь на уровне 1дБ не превышает 0,17дБ. Погрешность измерения частоты при определении положения резонанса потерь составляет около 0,2%. Введение автоматизированного стенда контроля потерь
фазовращателя позволяет повысить скорость и точность измерений, исключить
16
субъективные ошибки, обусловленные работой исполнителя, что повышает качество выпускаемых фазовращателей, снижает их себестоимость и обеспечивает
высокие характеристики всей антенны.
Все предлагаемые стенды используются для проверки электромагнитных
параметров элементов ФАР на Государственном Рязанском Приборном заводе.
Стенды могут быть использованы для контроля параметров других элементов
антенной техники. В этом случае может потребоваться введение незначительных изменений в состав стенда и корректировка программного обеспечения.
В заключении приведены основные результаты и выводы диссертационной работы:
1. В рамках диссертационной работы созданы и защищены патентами конструкции ферритового переключателя поляризации, обладающего повышенной температурной стабильностью, малой энергией переключения и высоким
быстродействием. Параметры переключателей нечувствительны к разбросу
характеристик ферритового материала, что дает возможность снижения технологического отхода при организации серийного производства.
2. В работе выполнен анализ отечественных и зарубежных разработок ферритовых переключателей поляризации. Определены причины вызывающие их повышенную температурную зависимость, отражен механизм влияния разброса
параметров ферритового материала на характеристики переключателя.
3. Предложена двухсекционная конструкция переключателя поляризации на
квадрупольном магнитном поле. Определены формулы, описывающие его
работу, проведена оптимизация конструкции и расчет режимов управления.
Результаты расчетов близки параметрам математической модели, построенной с помощью интегрированного программно-вычислительного комплекса
«LAMBDA+», разработанного специалистами ОАО НПО «Алмаз», и подтверждаются экспериментальными данными.
4. Введен режим одноимпульсного управления переключателем, позволяющий
значительно снизить энергию и время переключения, с сохранением высоких
поляризационных характеристик.
5. Выполнены исследовательские и опытно-конструкторские работы по отработке конструкции переключателя поляризации на квадрупольном магнитном поле. Рассмотрено два варианта переключателя, даны их сравнительные
характеристики, отражены особенности работы каждого варианта.
6. Климатические испытания переключателей в диапазоне температур (50 …
+85)°С подтверждают правильность выводов о высокой температурной стабильности предложенной конструкции.
7. Разработан переключатель поляризации на квадрупольном магнитном поле,
имеющий следующие характеристики:
− КЭ линейных поляризаций в диапазоне рабочих температур (-50 … +85)°С
– не менее 25 дБ;
− КЭ круговой поляризации в диапазоне рабочих температур (-50 … +85)°С–
не более 1,3 дБ;
− время переключения 20 мкс;
17
− энергия переключения поляризации «линейная – линейная» составляет 100
– 120 мкДж; «линейная – круговая» – 50 – 60 мкДж;
− потери 0,25 дБ;
− геометрические размеры поперечного сечения 13,2 х 13,2 мм;
− длина 29 мм;
− масса 13 г.
8. Расчетным методом определена возможность снижения времени переключения до уровня менее пяти микросекунд, что позволит использовать его в
устройствах, требующих высокое быстродействие.
9. Антенный элемент, содержащий переключатель поляризации, в нормальных
климатических условиях на линейных поляризациях имеет коэффициент эллиптичности не менее 23 дБ, на круговой поляризации – не более 2 дБ.
10.В диапазоне температур (-50 … +85)°С коэффициент эллиптичности антенного элемента, содержащего переключатель поляризации, на круговой поляризации не превышает 3 дБ, на линейных поляризациях – не менее 17 дБ.
11.Предложен двухсекционный переключатель поляризации, работающий на
эффекте Фарадея, приводится расчет его конструкции и режимов управления.
На макетных образцах, изготовленных в соответствии с расчетами, проведена
отработка конструкции. Экспериментально подтверждается предположение о
высокой температурной стабильности двухсекционного вращателя поляризации. Разработанный переключатель поляризации на продольном магнитном
поле имеет следующие характеристики:
 Отклонение угла поворота в диапазоне температур (–50 … +85)°С – не более +10°;
 прямые потери 0,25 дБ;
 время переключения 8 мкс;
 энергия переключения 40 мкДж;
12.Расчетным методом определена возможность снижения времени переключения до уровня порядка микросекунды.
13.В качестве примера приводится согласование переключателя поляризации с
фазовращателем типа Реджиа-Спенсера, что позволяет дополнить преимущества данного фазовращателя возможностью работы на нескольких видах поляризации.
14.Стенды контроля поляризационных характеристик антенного элемента, разработанные в рамках диссертационного исследования, обеспечивают оперативный контроль параметров антенного элемента в условиях серийного производства.
15.Разработан стенд автоматизированного контроля потерь антенного элемента
в диапазоне рабочих частот. Его внедрение позволяет сократить время измерения, повысить точность и снизить влияние субъективных факторов.
16.Предлагаемые стенды используются для проверки параметров антенных элементов и могут быть использованы для контроля параметров других элементов антенной техники. В этом случае может потребоваться введение незначи-
18
тельных изменений в состав стенда и корректировка программного обеспечения.
17.Переключатели поляризации, разработанные в рамках диссертационного исследования, предназначены для работы в составе антенного элемента. Они
могут быть использованы в других СВЧ устройствах, где требуется высокая
температурная стабильность, большое быстродействие, малая энергия управления.
18.По результатам диссертационных исследований созданы новые технические
решения, защищенные тремя патентами на изобретение, четырьмя патентами
на полезную модель. Разработано программное обеспечение измерительных
стендов, защищенное двумя свидетельствами.
19.Результаты диссертационной работы использовались при разработке антенного элемента в «ОАО НПО «Алмаз» им. академика А.А. Расплетина».
Измерительные автоматизированные стенды, разработанные в рамках диссертационного исследования, используются для проверки параметров антенных элементов на Государственном Рязанском приборном заводе.
Внедрение результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими актами.
В приложениях приводятся описания алгоритмов работы программного
обеспечения измерительных стендов и копии актов внедрения результатов диссертационной работы.
Работы, опубликованные по теме диссертации
1. Ферритовый переключатель поляризации для антенного элемента ФАР. / А.И.
Внуков, Ю.Н. Афанасьев, В.Г. Феоктистов // Антенны 2007. № 6, с. 61 – 65.
2. Термостабильный ферритовый переключатель поляризации, работающий на
эффекте Фарадея. / А.И. Внуков, Ю.Н. Афанасьев, В.Г. Феоктистов // Антенны 2007. № 8
3. Разработка поляризатора для фазированной антенной решетки. / А.И. Внуков,
Ю.Н. Афанасьев, В.Г. Феоктистов, А.И. Куприянов // Сборник докладов
XVIII научно-технической конференции. – Жуковский.: ОАО «НИИ Приборостроения им. В.В. Тихомирова», 2005, с. 477 – 485.
4. U1 49374 RU H 01 Q 21/24. Антенный элемент фазированной антенной решетки / А.И. Внуков, А.И. Куприянов, Ю.Н. Афанасьев, В.Г. Феоктистов
№2005116725/22; заявл. 01.06.2005 // Опубл. 10.11.2005 Бюл. №31.
5. U1 49375 RU H 01 Q 21/24. Антенный элемент фазированной антенной решетки с переключателем поляризации / А.И. Внуков, А.И. Куприянов, Ю.Н.
Афанасьев, В.Г. Феоктистов №2005118597/22; заявл. 16.06.2005 // Опубл.
10.11.2005 Бюл. №31.
6. U1 52526 RU H01Q 21/00; Н01Р 1/17. Антенный элемент фазированной антенной решетки с управляемым поляризатором. / А.И. Внуков, А.И. Куприянов, Ю.Н. Афанасьев, В.Г. Феоктистов №2005120202/22; заявл. 29.06.2005//
Опубл. 27,03,2006 Бюл. №9.
19
7. С1 2272339 RU H01P1/165. Переключатель поляризации антенного элемента
фазированной антенной решетки / Ю.Н. Афанасьев, А.И. Внуков, В.В. Жигарев и др. №2004128487/09; заявл. 28.09.2004 // Опубл. 20.03.2006 Бюл. №8.
8. U1 43689 RU Н01 Р1/165. Переключатель поляризации антенного элемента
фазированной антенной решетки / Ю.Н. Афанасьев, А.И. Внуков, В.В. Жигарев и др. №2004129147/22; заявл. 07.10.2004 // Опубл. 27.01.2005 Бюл. №3.
9. С1 2237904 RU G01R 29/08. Устройство для измерения поляризационных характеристик / А.И. Внуков, А.И. Куприянов, Г.Н. Колодько и др.
№2003112772/09; заявл. 29.04.2003 // Опубл. 10.10.2004 Бюл. №28.
10.С1 2242769 RU G01 R 29/08. Устройство для измерения эллиптичности электромагнитной волны / А.И. Внуков, А.И. Куприянов, Ю.Н. Афанасьев и др.
№2003116104/09; заявл. 02.06.2003 // Опубл. 10.12.2004 Бюл.№35.
11.Внуков А.И., Куприянов А.И. Контроль поляризационных характеристик
элементов ФАР в условиях серийного производства // Тезисы докладов XVIII
научно-технической конференции. – Жуковский.: ОАО «НИИ Приборостроения им. В.В. Тихомирова», февраль 2005, с. 66-67.
12.Внуков А.И., Никитин Ю.А. Автоматизация измерения потерь СВЧ-энергии
ферритового фазовращателя. // Сборник докладов XVIII научно-технической
конференции. – Жуковский.: ОАО «НИИ Приборостроения им. В.В. Тихомирова», 2005, с. 453 – 460.
13. Куприянов А.И. и др., Некоторые особенности технологического процесса
изготовления фазовращателей / А.И. Куприянов, А.П. Кашаев, А.И. Внуков,
// Доклады XVII научно-технической конференции. ГП НИИ Приборостроения им. В.В. Тихомирова. Жуковский, 2002. с. 317 – 323.
14. Сапсович Б.И., и др. Ферритовый фазовращатель для ФАР. Результаты разработки и освоения на серийном заводе. / Б.И. Сапсович, Е.И. Старшинова,
А.Е. Чалых, А.И. Синани, Г.Н. Колодько, И.И. Фролов, Ю.А. Никитин, А.И.
Куприянов, А.И. Внуков // В сб. «Электронное управление лучом в бортовых
радиолокационных комплексах». Рязань, 2000.
15. Цыганов А.В., Внуков А.И., Куприянов А.И. Программа контроля коэффициентов эллиптичности волны. / Свидетельство об официальной регистрации
программы для ЭВМ №2005611799, заявка №2005611170, дата поступления
23.05.2005г, дата регистрации 21.07.2005г.
16. Цыганов А.В., Внуков А.И., Куприянов А.И. Программа контроля средних
потерь фазовращателей. / Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2005612525, заявка №2005611954, дата поступления
01.08.2005г, дата регистрации 30.09.2005г.