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
13:04 / 25 января 2022
Сборочному цеху № 49 АО «АПЗ» исполнилось 50!
В ноябре прошлого года начальником 49-го назначен Евгений Семенихин. Он рассказал, как живёт вверенное ему подразделение сегодня.
Владимир Шувалов, водитель АО «МПЗ»
08:11 / 24 января 2022
Любить жизнь и быть счастливым. Поздравляем с юбилеем человека, который это умеет!
«Я люблю жизнь: свой завод, свой город, людей, которые меня окружают. А ещё я люблю ездить, и благодаря заводу много где был, много чего видел. У меня всё хорошо!», – говорит наш юбиляр. Водителю из АО «МПЗ» Владимиру Константиновичу Шувалову 24 января исполнилось 60 лет.
Николай Семёнович Солдатов (в центре) в день своего юбилея с коллективом ТОМ СГТ. Фото Александра Барыкина
11:55 / 21 января 2022
Ветераны «Социума»: Николай Солдатов – гордость механообработки
За многолетний добросовестный труд и в связи с уходом на заслуженный отдых заместителю главного технолога Арзамасского приборостроительного завода имени П. И. Пландина по механообработке Николаю Семёновичу Солдатову присвоено звание «Почётный ветеран труда АО «АПЗ». Он также является ветераном холдинга «Социум» IV степени.
Ильгизар Мустафин - генеральный директор ООО ЧОП «СОЦИУМ-КРЕПОСТЬ ПОВОЛЖЬЕ»
10:49 / 20 января 2022
Некабинетный директор Ильгизар Мустафин и его юбилей
20 января 50-летие отмечает Ильгизар Мустафин – генеральный директор ООО ЧОП «СОЦИУМ-КРЕПОСТЬ ПОВОЛЖЬЕ» – давнего партнёра «Социум», компании, которая обеспечивает безопасность всех объектов холдинга в Нижегородской области. Коллеги и подчинённые не упускают случая поддержать добрыми искренними пожеланиями этого ответственного человека, очень любящего свою работу. А сегодня случай особый.
Календарь компании «СОЦИУМ-ХИРИНО»
10:19 / 19 января 2022
«Социум-Хирино»: с любовью к Родине
Компания «СОЦИУМ-ХИРИНО» выпустила настенный календарь на 2022 год с признанием в любви к земле, на которой она трудится.