Главная > Новости > Наука: новые ферритовые СВЧ-устройства для перспективных фазированных антенных решёток

Наука: новые ферритовые СВЧ-устройства для перспективных фазированных антенных решёток

17:47 / 10 августа 2017
Акционерное общество «Конструкторское бюро-1» представляет свои новые разработки – антенные блоки и фазовращатели с расширенными функциональными возможностями и улучшенными характеристиками.
Автор фото: Александр Омельянчук

Дмитрий Черникин,  кандидат технических наук, главный конструктор по направлению «Гиромагнитная СВЧ-электроника» АО «КБ-1»Автор текста: Дмитрий Черникин,
кандидат технических наук,
главный конструктор
по направлению
«Гиромагнитная
СВЧ-электроника» АО «КБ-1»

 

Интерес к фазированным антенным решёткам (ФАР) не ослабевает

В настоящее время все ведущие мировые производители радиолокаторов для бортовых и наземных мобильных комплексов говорят об электронном управлении лучом как об одном из самых необходимых их качеств. Только электронное управление лучом позволяет реализовать многоцелевую и многофункциональную работу современных БРЛС (бортовых радиолокационных станций) практически без ограничений во всех частях сантиметрового и длинноволновой части миллиметрового диапазонов длин волн.

Известные трудности при разработке и первый опыт эксплуатации активных фазированных антенных решёток (АФАР), прежде всего в Х-диапазоне частот, требуют взвешенного и ответственного подхода при принятии решения в пользу использования ФАР или АФАР, исходя прежде всего из тактико-технических задач, решаемых с помощью электронного сканирования луча в пространстве.

Кроме этого, необходимость применения той или иной антенной системы должна быть обоснована по критерию «эффективность / стоимость» БРЛС. Поэтому и сегодня интерес антеннщиков к развитию и совершенствованию технологии создания многоканальных пассивных ФАР, построенных на ферритовых фазовращателях (ФВ), по-прежнему не ослабевает.

Серийные изделия из НЧ- и СВЧ-ферритовых материалов для антенных блоков и фазовращателей ФАР

Со времени создания первых ФАР для бортовых и наземных мобильных комплексов эволюция таких ФВ проходила в направлении совершенствования технологии создания ферритовых СВЧ- и НЧ-материалов, а также в широком внедрении новейших достижений микроэлектроники в устройствах управления работой ФВ.

Серийные изделия из НЧ- и СВЧ-ферритовых материалов для антенных блоков и фазовращателей ФАР

Как снизить стоимость фазовращателя

Поскольку ФВ является самым массовым элементом ФАР, то снижение его стоимости и по сей день является актуальной задачей. Это достигается как за счёт упрощения его конструкции, так и через повышение выхода годных изделий с улучшенными показателями стабильности параметров ферритовых материалов во всех диапазонах изменения условий эксплуатации ФАР. В результате предельно снижаются требования к характеристикам системы управления работой ФВ и существенно упрощается конструкция электронных блоков.

Номенклатура серийно выпускаемых в России ферритовых материалов для СВЧ-устройств, работающих в различных частотных диапазонах, достаточно обширна. Исторически так сложилось, что за каждой маркой нормализованного ферритового материала стоит своё оригинальное СВЧ-устройство. Техническое задание на разработку феррита формулируется конструкторами систем исходя из решаемых ими задач.

В качестве примера можно привести создание ряда нормализованных литий-титан-цинковых СВЧ-ферритов со структурой шпинели, серийно выпускаемых сегодня АО «КБ-1» (г. Москва). Литиевые ферриты обладают малыми нерезонансными потерями, высокой прямоугольностью петли гестерезиса и высокой температурой Кюри. Отсюда их широкое применение в нерезонансных управляемых приборах низкого уровня мощности сантиметровых и миллиметровых диапазонов длин волн, к которым и относятся ФВ для многоканальных ФАР.

Пользовательский интерфейс АРМ измерения статических параметров ферритов

Пользовательский интерфейс АРМ измерения статических параметров ферритов

Требования к ферритам и современные тенденции в развитии ферритовых производств

Даже беглое знакомство неискушённого читателя с параметрами материалов говорит о том, что феррит характеризуется довольно большим их перечнем и требования к параметрам при разработке и серийном выпуске СВЧ-ФВ носят противоречивый характер.

Кроме того, каждая марка материала имеет свой разброс в параметрах, обусловленный как характеристиками исходного сырья для производства, так и используемой технологией изготовления, адаптированной к возможностям конкретного производства. Частотный диапазон работы ФВ, в котором применяется тот или иной феррит, определяется его намагниченностью насыщения – 4πMs, измеряемой в системе СГС в Гауссах. При этом в обозначении материала, например 4СЧ14, 3СЧ18, 2СЧ10, 1СЧ12 и т. д., первая цифра указывает длину СВЧ-волны в сантиметрах, начиная с которой возможно применение феррита.

Серийные стержни из феррита марки 3СЧ18 проходят температурные испытания

Серийные стержни из феррита марки 3СЧ18 проходят температурные испытания

Однако окончательный ответ на вопрос о соответствии феррита требованиям работы в составе того или иного типа ФВ могут дать только измеренные параметры самого СВЧ-устройства. Поэтому столь важно всегда для каждой партии ферритового СВЧ-материала проверить его работу в составе серийного ФВ.

Здесь в первую очередь разработчиков интересуют СВЧ-потери, фазовременные характеристики (ФВХ) и начальный фазовый сдвиг. И хотя сегодня требования к линейности ФВХ уже ушли на второй план, первостепенными остаются способность ФВ обеспечивать фазовый сдвиг >360°, стабильность и предсказуемость формы (даже существенно отличающейся от линейной) ФВХ, а также «дружность» в изменении начальных фазовых сдвигов в рабочих диапазонах частот и температур работы ФВ.

АРМ на базе векторного анализатора электрических цепей для контроля ФВХ ферритовых стержней при импульсном подмагничивании в составе ФВ

АРМ на базе векторного анализатора электрических цепей для контроля ФВХ ферритовых стержней при импульсном подмагничивании в составе ФВ

Отсюда вытекает и тенденция в развитии ферритовых производств – переход от этапа изготовления ферритов и деталей из них к серийной сборке и настройке комплектов ФВ и антенных блоков. Это направление развития является наиболее перспективным, поскольку в единую технологическую цепочку замыкается весь технологический процесс – от этапа изготовления феррита до сборки и настройки комплекта антенных блоков для ФАР, что упрощает в конечном итоге и этап настройки самой антенны.

Здесь важно отметить, что помимо искусства, которым должны обладать технологи, изготавливающие серийные марки или создающие новые материалы, особую роль приобретает и технология обработки ферритовых материалов. Такая технология адаптирована к конкретному оборудованию, кропотливо оберегается и формируется десятилетиями. Она передаётся от поколения к поколению ферритчиков. От того, как, на каком оборудовании и с помощью какой последовательности технологических операций изготавливалась деталь той или иной марки феррита, во многом зависят выходные СВЧ-параметры ФВ и ФАР в целом.

Обеспечивая процесс изготовления партий ФВ от одного поставщика ферритов кратно комплектам для ФАР, разработчики систем тем самым сводят к минимуму трудоёмкость и материальные затраты этапа настройки. Положительным примером такой производственно-технологической кооперации является сложившее годами тесное научно-техническое сотрудничество, направленное на выпуск серийных антенных блоков, между АО «КБ-1» и ООО «ФазАР» (г. Рязань).

Укрупнение производства и выстраивание единой технологической цепочки изготовления ферритов и ФВ, вне зависимости от рабочего диапазона частот, свойственно большинству госкорпораций и концернов.

Для исключения механических повреждений контрольные образцы и эталоны внешнего вида постоянно хранятся и перемещаются между стендами в специальных контейнерах

Для исключения механических повреждений контрольные образцы и эталоны внешнего вида постоянно хранятся и перемещаются между стендами в специальных контейнерах

Что «КБ-1» может предложить уже сегодня

Основой ферритового производства в АО «КБ-1» явился ферритовый отдел, организованный в ЦКБ «Алмаз» в середине 1960-х годов. Проведённые за десятилетия работы исследования, накопленный практический опыт, а также поддерживаемый высокий уровень технологии производства ферритовых материалов позволяют сегодня разработчикам получать ФВ и антенные блоки в различных частотных диапазонах с необходимыми техническими параметрами при различных условиях эксплуатации ФАР. Имеющиеся производственные мощности в АО «КБ-1» уже сейчас вместе с научными разработками обеспечивают и серийное производство НЧ- и СВЧ-ферритовых комплектующих для ряда предприятий-изготовителей, входящих в АО «Концерн ВКО «Алмаз-Антей», АО «Концерн «Радиоэлектронные технологии» и АО «НПО «Высокоточные комплексы».

Мы гордимся тем, что широко известные сегодня нормализованные марки ферритов 3СЧ18, 0.35ВТ и 30СЧ6 впервые были изобретены и внедрены в стенах нашего предприятия.

Наряду с этим в нашем арсенале в последние годы появились новые оригинальные разработки уже управляемых ферритовых СВЧ-устройств, работающих в Х-диапазоне частот.

Так, совсем недавно закончена инициативная НИР, направленная на разработку антенного блока для модернизации серийно выпускающегося сегодня. По замыслу создателей, новая разработка обладает расширенными функциональными возможностями за счёт введения в состав управляемого поляризатора для возможности решения задач помехозащищённости ФАР.

Справочные параметры нормализованных ферритовых материалов из каталога продукции АО «КБ-1»

Справочные параметры нормализованных ферритовых материалов из каталога продукции АО «КБ-1»

За счёт использования новых марок НЧ- и СВЧ-ферритовых материалов, а также инновационной технологии их изготовления обеспечиваются идентичные с заменяемым блоком массогабаритные параметры (диаметр ферритового стержня 0,22λ, длина – 1,61λ) с одновременным обеспечением размера периодической ячейки ФАР (0,48×0,61)λ и технических характеристик в заданных диапазонах изменения условий функционирования.

Разработанный антенный элемент является полным функциональным аналогом блока предыдущего поколения, который работает на трёх поляризациях СВЧ-сигнала. Диаметр и длина ферритового стержня в предшествующем блоке больше и составляют 0,25λ и 1,94λ, соответственно.

В новой конструкции используется минимальное число ферритовых деталей. Вместо дорогостоящих и сложных в изготовлении ситаллов широко применяются парамагнитные материалы, созданные по единой с ферритами технологии и впервые предложенные и запатентованные в АО «КБ-1» для ФВ ФАР в различных частотных диапазонах.

В действии измерительно-вычислительный комплекс для определения электромагнитных СВЧ-параметров ферритов и парамагнетиков

В действии измерительно-вычислительный комплекс для определения электромагнитных СВЧ-параметров ферритов и парамагнетиков

Укороченные фазозадающая секция ФВ и секция управляемого переключателя поляризации впервые выполнены на едином СВЧ-ферритовом стержне при минимальном взаимном влиянии в процессе фазирования.

Также впервые предложена упрощённая конструкция магнитопроводов, позволяющая при изготовлении из НЧ-феррита отказаться от дорогой в изготовлении и сложной в обслуживании пресс-формы. За счёт этого при серийном производстве можно ожидать повышения выхода годных изделий и снижения себестоимости деталей.

Настройка блока осуществляется путём подбора номиналов резисторов (постоянных или переменных), включаемых последовательно в обмотки набора фазы и управления поляризатором.

Ещё одной новинкой является блок, который наряду с обеспечением необходимых фазовых сдвигов позволяет работать ФАР уже на четырёх поляризациях: двух линейных – вертикальной и горизонтальной, а также двух круговых – правой и левой. На сегодняшний день этот блок не имеет полных функциональных аналогов в указанных массогабаритных параметрах.

Ферритовые детали после обжига в печи с выдвигающимся поддоном

Ферритовые детали после обжига в печи с выдвигающимся подом

Дальнейшим развитием этого параметрического ряда является блок, у которого максимально расширены функциональные возможности за счёт включения в конструкцию помимо излучателей фазовращателя и переключателя поляризации нового ферритового элемента – вращателя поляризации. В данный момент такое устройство находится в стадии разработки.

В результате расширения функциональных возможностей антенный блок, помимо изменения фазового сдвига, будет способен обеспечивать плавное изменение коэффициента эллиптичности между четырьмя экстремумами, соответствующими четырём поляризациям. Такое управляемое ферритовое СВЧ-устройство является универсальным антенным элементом, своего рода учебной лабораторией по изучению и применению управляемой поляризации СВЧ-сигналов для решения задач помехозащищённости как существующих, так и большинства перспективных ФАР.

Пока стержни еще не остыли, контакт с ними возможен с помощью специального инструмента!

Пока стержни ещё не остыли, контакт с ними возможен с помощью специального инструмента!

Переход в 8-миллиметровый диапазон длин волн

В результате завершения в последние годы в АО «КБ-1» комплекса научных работ по созданию параметрического ряда литий-титан-цинковых ферритов-шпинелей с предельной намагниченностью насыщения (4πMs > 4700 Гс) стало реальным осуществить переход от этапа проектирования к этапу создания и исследования параметров ФВ, работающего по принципу Реджиа-Спенсера в Ка-диапазоне частот. Такой тип ФВ в Ка-диапазоне сделан у нас в стране впервые. Сдерживающим фактором при его создании явилось то, что решить задачу с использованием алгоритмов электродинамического подобия при переходе от Х- в Ка-диапазон оказалось невозможным из-за сложности конструкции. По основным СВЧ-параметрам ФВ не уступает аналогичным, серийно освоенным и успешно применяющимся в ФАР Х-диапазона частот.

Предпосылками к его появлению в Ка-диапазоне явилось то, что предложенная и запатентованная в АО «КБ-1» технология изготовления феррита с предельной намагниченностью насыщения позволила на порядок уменьшить средний размер зерна структуры по сравнению с аналогичными материалами, представленными на рынке. Это, в свою очередь, обеспечило механическую прочность при обработке и точность изготовления ферритовых деталей до ±0,01мм и выше. Требование повышения точности изготовления деталей при переходе в Ка-диапазон является принципиальным для получения необходимых выходных параметров СВЧ-устройств вообще и ФВ – в частности.

Участок механической обработки ферритовых деталей

Участок механической обработки ферритовых деталей

Появилась также технологическая возможность для снижения полей рассеяния при работе ФВ, вызванных принципиальным присутствием немагнитных зазоров в местах сочленения ферритовых сердечников и магнитопроводов. С этой целью используется полировка ферритовых поверхностей. Это обстоятельство является существенным для работы ФВ в 8-ми миллиметровом диапазоне, поскольку известно, что наличие полей рассеяния при плотной упаковке ФВ в антенном полотне приводит к увеличению взаимного влияния при работе ФВ. При переходе в Ка-диапазон и использовании ферритов с большой намагниченностью насыщения такое влияние становится существенным, что приводит к дополнительным ошибкам фазирования за счёт увеличения амплитуды боковых лепестков диаграммы направленности (ДН) ФАР в дальней зоне.

Контроль формы, длительности и амплитуды импульсов токов сброса и наборы фазы типовой временной диаграммы фазирования

Контроль формы, длительности и амплитуды импульсов токов сброса и наборы фазы типовой временной диаграммы фазирования

Помимо этого, предложенные ферриты выгодно отличаются от аналогов минимальным значением СВЧ-потерь и уменьшенным коэффициентом квадратности петли гистерезиса. Последнее обстоятельство необходимо для обеспечения точности установки фазового сдвига ФВ, особенно в 8-ми миллиметровом диапазоне длин волн. Поперечные размеры ФВ позволяют размещать их в узлах двумерной решётки многоканальной ФАР с шагом не более (0,55×0,65)λ, что подразумевает обеспечение широкоугольного сканирования луча в секторе ±45° относительно нормали к плоскости раскрыва антенного полотна.

Появление такого высокодобротного и миниатюрного ФВ, работающего с линейно-поляризованными волнами, делает реальной перспективу создания ФАР с высокой энергетической эффективностью в Ка-диапазоне для бортовых и наземных мобильных комплексов ПВО. Под высокой энергетической эффективностью понимается одновременное обеспечение ФАР следующих условий: максимальный коэффициент использования поверхности (КИП); низкий уровень боковых лепестков ДН, а также минимальный уровень СВЧ-потерь в одном канале.

Ферритовые пластины после обжига в карусельной печи

Ферритовые пластины после обжига в печи с вращающимся подом

Сохраняя и развивая научную школу и традиции в технологии изготовления как нормализованных марок ферритовых и парамагнитных материалов, так и новых разработок, максимально адаптированных к решению задач, возникающих при разработке управляемых ферритовых СВЧ-устройств для перспективных ФАР, ферритовое производство АО «КБ-1» достойно занимает свою нишу в ряду с российскими лидерами в области прикладных исследований, разработки и производства ферритовых материалов и СВЧ-устройств.

Также вам может быть интересно
Село Хирино, где реализуется проект «СОЦИУМ-ПОСЕЛЕНИЯ», посетили голландские фермеры
16:59 / 22 октября 2017
Голландские специалисты признали «СОЦИУМ-ПОСЕЛЕНИЯ» уникальным проектом, которому нет аналогов в Европе
Льиве Менсонидес, владелец собственной фермы, и Йелке Бонстра, консультант в области сельского хозяйства, провели в Хирино около недели, знакомясь с проектом «СОЦИУМ-ПОСЕЛЕНИЯ».
23:02 / 20 октября 2017
Вышел новый 10-ый номер корпоративной газеты «Социум»
В номере: статья с праздника в селе Хирино, где были названы обладатели грантов холдинга «Социум»; фоторепортаж первоклашек; материал о визите на «Элпу» префекта ЗелАО и многое другое.
Фото участников выставки «РосГазЭкспо»
22:04 / 20 октября 2017
Дата события: 6 октября 2017
Продукция АО «АПЗ» вновь получила высокую оценку
Арзамасский приборостроительный завод отмечен дипломом XXI Международной выставки газовой промышленности, технических средств для газового хозяйства «РосГазЭкспо» как предприятие, внёсшее вклад в развитие импортозамещаемого оборудования, используемого в газоснабжении.
Обучение руководящего и мастерского состава цехов работе в системе Foreman проводит ведущий инженер АО «ЛО ЦНИТИ» Вячеслав Бородулин. Автор фото: Елена Галкина
21:55 / 20 октября 2017
В Арзамасе нацелились на интеллектуальное производство
В АО «Арзамасский приборостроительный завод имени П. И. Пландина» внедряется система мониторинга промышленного оборудования Foreman.
Олег Лавричев подарил Александру Розенбауму картину с изображением Соборной площади Арзамаса
21:39 / 20 октября 2017
Александр Розенбаум спел для заводчан
На прошлой неделе народный артист России Александр Розенбаум выступил с сольным концертом в ДК «Ритм». Пребывая в Арзамасе, известный поэт и музыкант посетил с гостевым визитом АО «АПЗ».