Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Аналитический обзор существующих ферритовых элементов фазированной антенной решетки с управляемой поляризацией 11
1.1 Краткое описание поляризационных характеристик электромагнитного поля 11
1.2 Описание существующих антенных элементов ФАР с управляемой поляризацией 15
1.3 Обзор методов контроля параметров элементов, определение путей их дальнейшего развития 22
1.4 Обоснование программы проведенных в диссертации исследований 24 Выводыкглаве 1 25
Глава 2. Разработка переключателя поляризации на квадрупольном магнитном поле 29
2.1 Краткое описание работы переключателя поляризации 29
2.2 Определение конструкции переключателя поляризации 31
2.3 Расчет характеристик переключателя поляризации 39
2.4 Результаты экспериментальной отработки конструкции переключателя поляризации 45
2.4.1 Переключатель поляризации, управляющие обмотки которого расположены на магнитопроводах 45
2.4.2 Переключатель поляризации, управляющие обмотки которого расположены в пазах между магнитопроводами и ферритовым стержнем 57
Выводы к главе 2 63
Глава 3. Разработка управляемого поляризатора с продольным магнит ным полем управления 80
3.1 Краткое описание явления вращения плоскости поляризации электромагнитной волны в продольном магнитном поле 80
3.2 Определение конструкции переключателя поляризации 84
3.3 Расчет параметров переключателя поляризации 88
3.4 Экспериментальная проверка результатов расчета 91
3.5 Согласование переключателя поляризации с фазовращателем типа Реджиа-Спенсера 94
Выводы к главе 3 96
Глава 4. Разработка аппаратуры для контроля параметров элементов ФАР в условиях серийного производства 103
4.1 Разработка автоматизированного стенда контроля поляризаци онных характеристик 103
4.1.1 Стенд контроля поляризационных характеристик, работа которого основана на методе поляризационной диаграммы 106
4.1.2 Стенд контроля поляризационных характеристик на принципе разделения поляризации 111
4.1.3 Определение точности измерения коэффициента эллиптичности 114
4.2 Разработка автоматизированного стенда контроля потерь 117
Выводы к главе 4 125
Заключение 134
Библиографический список
- Описание существующих антенных элементов ФАР с управляемой поляризацией
- Обоснование программы проведенных в диссертации исследований 24 Выводыкглаве 1
- Результаты экспериментальной отработки конструкции переключателя поляризации
- Согласование переключателя поляризации с фазовращателем типа Реджиа-Спенсера
Введение к работе
Развитие радиолокации требует увеличения объема информации об объектах наблюдения. 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 ставит задачу упрощения методов настройки и расширения технологических ограничений.
Таким образом, в настоящее время существует актуальная научно-техническая проблема разработки термостабильного быстродействующего переключателя поляризации для антенного элемента фазированной антенной решетки и обеспечения его серийного выпуска.
Целью исследования является разработка ферритового переключателя поляризации, предназначенного для совместной работы с фазовращателем в составе антенного элемента фазированной антенной решетки; отработка методов контроля параметров антенного элемента в условиях серийного производства.
Задачи исследования:
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.
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.
Разработка автоматизированных методов контроля параметров антенного элемента в условиях серийного производства.
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 получения 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:
В диссертационной работе проведена разработка ферритового 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, возможность снижения энергии и времени переключения. Характеристики переключателя не зависят от разброса параметров ферритовых деталей, входящих в его состав, что упрощает его настройку.
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.
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.
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.
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 разработаны впервые. Введение стендов позволило в десятки раз снизить время контроля поляризационных характеристик антенного элемента при сохранении высокой точности измерений. 6. Предложен автоматизированный стенд контроля амплитудных характеристик антенного элемента. Стенд отличается от существующих аналогов тем, что обеспечивает автоматизированное измерение потерь антенного элемента во всем диапазоне рабочих частот, для всех режимов управления. Введение стенда повышает производительность и снижает погрешно-сти измерений, исключает субъективные факторы, влияющие на точность измерений.
Практическая ценность.
Получены соотношения, позволяющие рассчитать конструкцию и режимы управления ферритовых переключателей поляризации на квадрупольном и продольном магнитном поле.
Проведена оптимизация конструкции переключателей поляризации.
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.
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.
Разработан стенд автоматизированного контроля потерь антенного элемента в диапазоне рабочих частот при изменении его режимов управления.
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).
Аннотация диссертационной работы по главам
В первой главе диссертационной работы дается краткое описание поляризационных характеристик электромагнитного поля. Приведен обзор существующих ферритовых элементов ФАР с управляемой поляризацией. Показан механизм влияния температуры и разброса параметров феррита на ха-
рактеристики переключателя. Подробно рассмотрена работа переключателя поляризации с одноимпульсным управлением [29]. Описаны методы 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 квад-рупольным магнитным полем, предназначенного для работы в составе антенного элемента ФАР совместно с фазовращателем фарадеевского типа. Предложена конструкция переключателя поляризации, обоснован метод управления и показан механизм повышения его температурной стабильности. Приведен расчет конструкции и режимов управления переключателя поляризации, показаны результаты экспериментальной отработки.
В третьей главе рассматривается разработка переключателя поляризации с продольным магнитным управляющим полем. Кратко описано явление вращения плоскости поляризации электромагнитной волны в продольном магнитном поле. Предложена двухсекционная конструкция переключателя поляризации и построена его математическая модель. Показаны результаты экспериментальной проверки. Рассмотрен пример использования переключателя совместно с ферритовым фазовращателем типа Реджиа-Спенсера.
Четвертая глава описывает разработку аппаратуры для контроля параметров антенных элементов в условиях серийного производства. Приведена разработка двух стендов контроля поляризационных характеристик, работающих на разных принципах. Описана разработка стенда контроля потерь антенного элемента в диапазоне рабочих частот.
В заключение работы приведена общая характеристика работы и основные выводы по результатам диссертации.
На защиту выносятся
Созданный и защищенный патентами термостабильный ферритовый переключатель поляризации антенного элемента фазированной антенной решетки, работающий на квадрупольном магнитном поле.
Созданный и защищенный патентом термостабильный переключатель поляризации антенного элемента фазированной антенной решетки, работающий на эффекте Фарадея.
Созданные и защищенные патентами и свидетельствами на программное обеспечение автоматизированные измерительные стенды, предназначенные для контроля параметров антенного элемента в условиях серийного производства.
Описание существующих антенных элементов ФАР с управляемой поляризацией
Управление поляризацией антенного элемента осуществляется путем введения в состав антенного элемента переключателя поляризации или управляемого поляризатора [29 - 35, 93 - 112]. Управляемые СВЧ устройства часто строят с использованием ферритов, характеристики которых изменяются с помощью внешнего магнитного поля. Надежность, стабильность параметров по времени, малое энергопотребление и другие эксплуатационные характеристики ферритовых устройств выгодно отличают их от устройств других типов.
Существует две основные группы ферритовых переключателей поляризации: с квадрупольным подмагничиванием и на продольном магнитном поле. Ферритовые устройства на квадрупольном магнитном поле наиболее полно исследовались американской компанией Microwave Application Group [71 - 80], следует также отметить работы, проводимые в Китае [89-91]. Переключатели с квадрупольным магнитным полем чаще используются в составе антенного элемента [29, 34, 88 - 91, 104 - 108]. Интерес представляют несколько вариантов конструкции управляемого поляризатора, выполненного на ферритовом стержне круглого [29, 34] или квадратного [31, 32, 104 -107] сечения (рис. 1.3).
Квадрупольное магнитное поле управления может быть задано с помощью токоведущих шин, помещенных в отверстия внутри ферритового стержня (рис. 1.3 г). Такой вариант имеет большое быстродействие небольшую потребляемую мощность и малые габаритные размеры. Недостатком данной конструкции является наличие металлических проводников в волно-водном канале, ведущее к искажениям сигнала.
Большее распространение получили переключатели поляризации на квадрупольном магнитном поле, создаваемыми магнитопроводами с обмот ками управления, установленными на стержень [29 - 34, 104 - 107]. Пример такого элемента показан на рис. 1.4 [107]. Он выполнен на феррит-керамическом стержне квадратного сечения 7, имеет в своем составе фараде-евский фазовращатель 2, взаимный управляемый поляризатор 3, два взаимных неуправляемых поляризатора 4 и 5, невзаимный поляризатор 6, антенный излучатель 7. При работе элемента на излучение электромагнитная волна линейной поляризации Ню на поляризаторе 5 преобразуется в волну круговой поляризации Нц, которая на фазовращателе 2 получает требуемый фазовый сдвиг. После прохождения управляемого поляризатора 3, в зависимости от заданного управления, волна имеет либо круговую поляризацию, либо одну из двух ортогональных линейных. Волна линейной поляризации проходит на антенный излучатель 7 через невзаимный поляризатор 4 и взаимный поляризатор 6 без изменения поляризации. Волна круговой поляризации на невзаимном поляризаторе 4 становится линейной, а ее плоскость поляризации ориентирована под углом 45 к плоскостям поляризации линейных ортогональных волн, полученных ранее. На взаимном поляризаторе б поляризация волны преобразуется в круговую, после чего она проходит на антенный излучатель. При работе на прием происходит обратный процесс.
Более простую конструкцию имеет антенный элемент с переключателем поляризации, представленный в работах [30, 34], его внешний вид приведен на рис. 1.5. Он выполнен на общем ферритовом стержне круглого сечения, состоит из фазовращателя фарадеевского типа и переключателя поляризации, задающего две линейных ортогональных поляризации и пропускающий круговую поляризацию, подаваемую на вход. Антенный элемент содержит излучатель и статический поляризатор, являющийся невзаимной четвертьволновой секцией, преобразующей линейную поляризацию в круговую.
Переключатели поляризации на продольном магнитном поле получили меньшее распространение. В этой группе переключателей рабочим элементом является фарадеевский вращатель поляризации [82, 92, 109]. Переключатели обеспечивают работу на двух ортогональных линейных поляризациях (рис. 1.6), а также могут изменять поляризацию с линейной на круговую (рис. 1.7). Вращатель поляризации обычно бывает выполнен в виде ферритового стержня 8 (рис. 1.6), покрытого слоем металлизации, на который установлена катушка управления 6 и магнитопроводы 7. При работе на двух ортогональных поляризациях осуществляется поворот плоскости поляризации проходящей электромагнитной волны на величину равную 7г/2.
Изменение поляризации электромагнитной волны с линейной на круговую с помощью фарадеевского вращателя поляризации, введенного в состав антенного элемента, показано в работе [82]. Схематичное изображение элемента приведено на рис. 1.7. Переключение поляризации обеспечивается введением в состав антенного элемента 45 вращателя поляризации и третьего поляризатора, являющегося невзаимной четвертьволновой секцией, направления магнитных полей которого повернуты на 45 относительно второго поляризатора. В режиме излучения электромагнитная волна линейной поляризации, прошедшая фазовращатель и второй поляризатор, на вращателе поляризации, в зависимости от режима управления, может повернуть плоскость поляризации на 45 или пройти без изменения. В случае поворота плоскости поляризации, электромагнитная волна на третьем поляризаторе преобразуется в волну круговой поляризации. Если волна проходит через вращатель без поворота плоскости поляризации, то третий поляризатор она также проходит без изменения. При работе на прием изменение поляризации волны проходит в обратном порядке.
Обоснование программы проведенных в диссертации исследований
Антенные решетки содержат большое количество однотипных элементов. Их количество может достигать нескольких десятков тысяч. По этой причине для изготовления антенны необходима организация серийного выпуска антенного элемента. Одной из важнейших задач обеспечения серийного выпуска является автоматизация измерения электромагнитных характеристик антенного элемента в процессе производства. Введение в состав антенного элемента управляемого поляризатора требует организации рабочих мест контроля поляризационных характеристик в автоматизированном режиме. Существующие измерители поляризации либо имеют сложную конструкцию, либо их работа основана на механическом вращении [36 - 40, 120-125], поэтому их трудно использовать для измерения параметров антенного элемента в условиях серийного производства. Ускорение процесса измерения и повышение его качества необходимо проводить путем исключения механического вращения и введением в состав измерительного комплекса устройств с использованием ЭВМ, что позволит значительно сократить время измерения и повысить его точность. В работах по автоматизации измерений поляризационных характеристик электромагнитного поля рассматриваются измерения параметров антенны [42-45]. Для проверки характеристик антенного элемента Рязанским Радиотехническим институтом проводилась разработка автоматизированного стенда измерения эллиптичности [41]. Работы велись в конце восьмидесятых годов прошлого столетия и не доведены до конца. В настоящее время, разработка автоматизированного измерителя поляризации является одним из важнейших условий организации серийного производства антенного элемента.
Существует несколько типов автоматизированных измерителей амплитудно-фазовых характеристик фазовращателя [46]. Они обычно работают на одной или нескольких точках частотного диапазона. Перестройка частоты требует дополнительного времени на переключение и калибровку аппаратуры. Такой режим измерения не всегда может гарантировать требуемые характеристики антенного элемента, потому что если фазовые характеристики фазовращателя достаточно контролировать на нескольких точках частотного диапазона, то его потери необходимо проверять во всем диапазоне рабочих частот. Таким образом, для повышения качества выпускаемых антенных элементов необходима разработка автоматизированного стенда контроля потерь во всем диапазоне рабочих частот.
Анализ состояния развития РЛС показывает, что для обеспечения современных требований, предъявляемых к фазированным антенным решеткам, необходим антенный элемент, работающий на нескольких видах поляризации. Широкому внедрению ферритовых переключателей поляризации препятствует ряд существующих недостатков. Стоит задача повышения температурной стабильности, уменьшения зависимости его характеристик от разброса параметров ферритового материала, требуется упрощение методов настройки и расширение технологических ограничений. Необходима разработка малогабаритного переключателя, имеющего высокие поляризационные характеристики в широком диапазоне температур, небольшое энергопотребление и высокое быстродействие.
Отработку конструкции переключателя поляризации необходимо проводить с учетом его совместной работы с фазовращателем. Наиболее часто в фазированных антенных решетках используются фазовращатели фарадеев-ского типа, поэтому, прежде всего, требуется разработка переключателя поляризации, работающего с этим типом фазовращателя. Для более полной реализации преимуществ модифицированного фазовращателя типа Реджиа-Спенсера [48 - 54] необходимо введение в состав антенной решетки работающего совместно с ним переключателя поляризации.
Организация серийного выпуска антенных элементов требует проведения оперативного контроля его поляризационных характеристик с учетом фазового состояния фазовращателя. Такой объем измерений невозможно осуществить без введения специализированных средств измерений. В связи с этим стоит задача разработки автоматизированного стенда контроля поляризационных характеристик, позволяющего проводить комплексный контроль поляризационных характеристик антенного элемента во всех дискретных фазовых состояниях фазовращателя.
В ряде случаев проверку потерь антенного элемента необходимо проводить в диапазоне рабочих частот. Используемые для этого панорамные измерители не могут обеспечить требуемой точности измерения. Измерение потерь необходимо синхронизовать с управлением фазовращателя, что позволит проводить контроль во всех дискретных фазовых состояниях фазовращателя. С учетом вышеизложенного, требуется разработка автоматизированного стенда контроля потерь антенного элемента в диапазоне рабочих частот. Введение стенда позволит повысить точность и уменьшить время измерения.
Результаты экспериментальной отработки конструкции переключателя поляризации
Отработка конструкции переключателя поляризации проводилась с целью получения оптимальных режимов управления, определяющих минимальные значения энергии и времени переключения. При этом переключатель должен иметь высокие поляризационные характеристики (Кэ лин 20 дБ, Кэкр 2 дБ) в 10%-диапазоне частот, в широком (-50 ... +85 С) интервале температур.
Переключатель поляризации имеет конструкцию, показанную на рис. 2.4а. Его геометрические размеры поперечного сечения равны 13,2 х 13,2 мм, потери СВЧ-энергии около 0,25 дБ. Экспериментальная проверка предлагаемой конструкции в режиме двухимпульсного управления проводилась на переключателе поляризации с длиной секций равной 12,5 и 14 мм. Количество витков каждой обмотки равно w = 30, они соединены в соответствии с рис. 2.5а. Управление поляризатором производилось с помощью микросхемы 1109КТ11, подающей импульс напряжения ипит = 20 В. Длительность импульса сброса определялась исходя из того, что используемая микросхема имеет ограничение по максимальному току. При возрастании тока управления до величины порядка 1,5А производится отключение напряжения. Время набора предельного тока составляет около 31 мкс, поэтому длительность импульса сброса тс взята равной 34 мкс. Для определения оптимальной длительности импульса набора т„ построены зависимости коэффициента эллиптичности от длительностей импульса набора т„, подаваемого на одну из секций. В результате получено, что для длины секции равной 14 мм оптимальной будет длительность импульса набора равная 21 мкс. Графики зависимости Кэ от длительности импульса набора для двух ортогональных линейных поляризаций показаны на рис. 2.12. Форма токовых импульсов, подаваемых на переключатель поляризации, приведена на рис. 2.13. Амплитуда тока сброса, задаваемая управляющей микросхемой, равна 1,55 А. Ток набора, определяемый конструкцией переключателя поляризации, равен 190 мА. Энергия переключения поляризации пропорциональна напряжению питания и площади подаваемых токовых импульсов. Исследуемый поляризатор в данном режиме управления имеет энергию переключения около 320 мкДж.
Аналогичные исследования с переключателем поляризации, имеющим секцию длиной 12,5 мм, показали, что его оптимальная длительность переключения также равна 21 мкс (рис. 2.6). Увеличилась амплитуда тока набора до 335 мА (рис. 2.13), энергия переключения изменилась незначительно. Переключатель с длиной секции 12,5 мм имеет резкое возрастание тока набора на длительностях более 15 мкс и затянутый спад Кэ на больших длительностях. Это говорит о том, что в режиме набора магнитная система находится в состоянии близком к насыщению, что видно из формы тока набора. В этом случае усиливается влияние разброса параметров ферритовых материалов на характеристики управляемого поляризатора, что может стать причиной увеличения технологического отхода при организации серийного производства. Кроме того, переключатель поляризации с длиной секции 14 мм имеет меньшую величину тока набора, что обеспечивает работу управляющей микросхемы в заданном режиме и снижает вероятность ее выхода из строя из-за перегрузки.
Экспериментально полученные зависимости Кэ от длительности управляющего импульса близки к расчетным значениям (рис. 2.14), что говорит о правильности полученных формул. Подтверждаются выводы (2.25) о независимости длительности импульса управления от длины секции поляризатора.
С учетом полученных результатов изготовлена пробная партия антенных элементов в количестве 10 штук, имеющих в своем составе двухсекционный переключатель поляризации с длиной секции 14 мм. Все антенные элементы проверены по электрическим параметрам в нормальных условиях, пять из них проверялись при температурах +85С и минус 50С. Результаты измерений приведены в таблице 2.2. В нормальных условиях, при переключении восьми фазовых состояний, все элементы имеют среднее значение Кэ круговой поляризации не превышающее 1,73 дБ, при этом среднее по партии равно 1,05 дБ. Среднее значение коэффициента эллиптичности первой линейной поляризации каждого антенного элемента - не менее 23,5 дБ, среднее значение по партии рано 29,8 дБ. Среднее значение коэффициента эллиптичности второй линейной поляризации каждого антенного элемента - не менее 21,3 дБ, среднее значение по партии рано 26,3 дБ.
Проведение климатических испытаний антенных элементов пробной партии показало высокую температурную стабильность их параметров. Измерение поляризационных характеристик при температуре минус 50С дало следующие результаты: - величина Кэ круговой поляризации у пяти антенных элементов не превышала 2,12 дБ, при этом их среднее значение равно 1,79 дБ; - Кэ линейных ортогональных поляризаций не менее 22,3 дБ, при этом их средние значения равны 26,7 и 24,5 дБ;
При температуре +85С получено: - Кэ круговой поляризации - не более 2,72 дБ, среднее равно 1,71 дБ; - величина Кэ первой линейной поляризации не менее 22,8 дБ, среднее равно 27,7 дБ; - величина Кэ второй линейной поляризации не менее 18,9 дБ, среднее составляет 24,4 дБ. Полученные результаты говорят о высокой температурной стабильности двухсекционной конструкции управляемого поляризатора, что подтверждает выводы, сделанные в разделе 2.3.
Снижения энергии и уменьшения времени переключения можно достигнуть использованием схемы соединения, показанной на рис. 2.56. Введение независимого соединения обмоток поляризатора позволяет ввести одно-импульсный режим управления. В этом случае исключается импульс обнуления, а переключение секции из одного магнитного состояния в другое производится подачей только одного импульса на обмотки управления, причем на все обмотки подается импульс одинаковой длительности.
Согласование переключателя поляризации с фазовращателем типа Реджиа-Спенсера
Описание работы существующих ферритовых переключателей поляризации, приведенное в главе 1 показывает, что их основными недостатками являются низкая температурная стабильность, зависимость параметров от разброса ферритового материала, сложность настройки. Приведенная модель работы показывает, что повышенной температурной стабильностью обладают характеристики, задаваемые изменением магнитного состояния AM.
С целью повышения температурной стабильности, уменьшения влияния разброса параметров феррита, получения минимального времени переключения и снижения потребляемой энергии предлагается двухсекционная конструкция фарадеевского вращателя поляризации [2, 3], внешний вид которого схематично приведен на Рис. 3.1. Он изготовлен на ферритовом или феррит-керамическом стержне 1 круглого сечения. Каждая секция содержит по две управляющие обмотки 2 (сброса и набора) и магнитопроводы 3, замыкающие магнитную цепь. Вращатель имеет магнитную память и импульсное управление. Соединение управляющих обмоток соответствует схеме, приведенной на рис. 2.66. Фарадеевский вращатель поляризации с аналогичным принципом управления показан в работе [86], где он используется для получения третьего выхода переключателя высокого уровня мощности.
Работа предлагаемой конструкции проиллюстрирована на рис. 3.2. При двухимпульсном управлении на обмотки сброса обеих секций подается импульс напряжения сброса, который из текущего состояния намагниченности переводит магнитное состояние секции на предельную петлю гистерезиса. Секции намагничиваются в противоположных направлениях, первая секция имеет намагниченность, равную остаточной намагниченности Мг на петле гистерезиса, соответствующую повороту плоскости поляризации х0. Намагниченность второй секции (-Mr) соответствует повороту плоскости поляризации (-4 ). Суммарный поворот плоскости поляризации равен нулю, волна линейной поляризации проходит без изменения, вращатель поляризации работает так, как если бы он был размагничен.
Для поворота плоскости поляризации на обмотку управления второй секции подается импульс набора, переводящий магнитное состояние секции на величину AM в точку М, = -Mr + AM, соответствующую углу поворота Ч . Длительность импульса набора подбирается такой, чтобы суммарный поворот плоскости поляризации составлял к 12 Ц = Ц й +Ч , =Ч 0 +(-Ч 0 +A4 ) = AW = 7r/2 Величина AM зависит только от длительности импульса, подаваемого на обмотку набора, и не зависит от величины намагниченности Mr, поэтому обеспечивается высокая температурная стабильность поворота плоскости поляризации. Механизм повышения температурной стабильности аналогичен приведенному в разделе 2.3 для переключателя поляризации на квадрупольным магнитном поле. Рабочие точки Мг и (-Мг) на петле гистерезиса (рис. 3.2), показанной сплошной линией, соответствуют нормальным климатическим условиям. Воздействии температуры изменяет намагниченность на величину Ж (кривые петли гистерезиса изображены пунктирной линией). Намагниченности рабочих точек будут равны М =Mr + SM и (-М ) = -(М +SM), что соответствует повороту плоскости поляризации 0 = Ч + д и (-40 = -(4 + (541), где д - изменение угла поворота плоскости поляризации, вызванное дрейфом магнитного состояния на величину SM.
При постоянстве напряжения и длительности импульса набора величина AM не изменится, поэтому получим точки М\ = М, - 8М и (-М ) = -(М, - 8М). Поворот плоскости поляризации на секциях в этих точках будет равен 4 =4 - и (-4 ) = -(4 -(547) соответственно. Суммарный поворот плоскости поляризации для двух ортогональных линейных поляризаций составит = 4 +(- ) = ( + )-( + ) = 0 = + =( + ) + ( ,- ) = + ,= /2
Полученные результаты показывают, что в двухсекционном вращателе поляризации угол поворота определяется параметрами импульса управления и не зависит от изменения температуры. Это свойство двухсекционной конструкции обеспечивает независимость параметров переключателя от изменения магнитных характеристик ферритового материала, благодаря чему отпадает необходимость жесткого отбора феррита, упрощается настройка переключателя.
В двухсекционной конструкции вращателя поляризации, задающего два фиксированных угла поворота плоскости поляризации равные 0 и я/2, размывается граница между двух- и одноимпульсным режимом управления. При сохранении порядка следования импульсов уменьшение длительности обнуляющего импульса до величины импульса набора преобразует двухим-пульсный режим управления в одноимпульсный, что дает возможность дополнительного снижения энергии и времени переключения. В этом случае переключение секции поляризатора из одного магнитного состояния в другое производится подачей только одного импульса на ее обмотки управления, причем на все обмотки подается импульс одинаковой длительности. Каждая секция может установиться в одно из двух положений. Управление вращателем поляризации производится в соответствии с таблицей 3.1, где значению О соответствует поворот плоскости поляризации на угол равный -л/4, а цифре 1 - на угол + л/4. Работа вращателя поляризации становится аналогичной работе логического элемента и его управление упрощается. Недостатком одно-импульсного режима управления может стать необходимость вывода вращателя поляризации на рабочий режим перед началом работы путем проведения нескольких циклов перемагничивания. Чтобы обеспечить стабильную работу двухсекционного переключателя поляризации, имеющего одноимпульсное управление, необходимо так построить управляющую схему, чтобы в процессе работы, на каждую секцию невозможно было два раза подряд подать импульс одной и той же полярности.
Использование двухсекционной конструкции дает возможность уменьшения энергии и времени переключения не только за счет использования одноимпульсного режима управления, но и за счет того, что для изменения поляризации достаточно перемагничивать только одну секцию. Вторую секцию допускается намагнитить всего один раз перед началом работы. Кроме того, магнитное поле второй секции можно задать с помощью постоянного магнита, что дополнительно снизит потребляемую энергию.
