Відбивний елемент

Изобретение относится к технике СВЧ, а более конкретно - к отражательным пассивным ФАР, управляемым p-i-n диодами, в которых каждый элемент решетки принимает часть энергии падающей электромагнитной волны круговой поляризации и переизлучает эту часть электромагнитной энергии с требуемым фазовым сдвигом. Известен отражательный элемент (Патент США №3906514, кл. Η 01 Q 19/05, 1975), - спиральная антенна круговой поляризации, которая содержит несколько удлиненных спиральных ветвей, причем каждая ветвь имеет внутренний и внешний концы, а также промежуточную часть, размещенную в кольцевой активной зоне антенны, где расположен узел управления фазой. Узел управления фазой осуществляет коммутацию ветвей, используя СВЧ диоды. Общим признаком рассматриваемого аналога и заявляемого изобретения является наличие СВЧ диодов, используемых для управления фазой переотраженной волны. Недостатком такого элемента являются различные потери, вносимые СВЧ диодами в две ортогональные составляющие падающей волны круговой поляризации, в результате чего переотраженная волна становится эллиптически поляризованной, увеличиваются общие потери СВЧ энергии и увеличивается уровень боковых лепестков в диаграмме направленности ФАР. Наиболее близким аналогом является отражательный дискофазный элемент (Авторское свидетельство СССР №1224872, кл. Η 01 Q 13/00), который содержит расположенный над проводящим экраном металлический диск с U-образными щелями, параллельные плечи которых расположены симметрично относительно диаметра диска,, причем короткозамыкающие переключатели установлены в середине участков соединения параллельных плеч каждой щели. Общими признаками прототипа и заявляемого изобретения являются: наличие проводящего экрана, наличие щелей, а также наличие короткозамыкающих переключателей (СВЧ диодов), исгользуемых для управления фазой переотраженной волны. При подаче управляющего напряжения на пару диаметрально расположенных короткозамыкающих переключателей происходит разрыв соответствующих U-образных щелей в металлическом диске, что вызывает изменение фазы волны круговой поляризации, отраженной дискофазным элементом. Для внесения фазового сдвига дискофазным элементом используется принцип изменения фазы переотраженной антенной электромагнитной волны круговой поляризации при противофазном отражении двух волн линейной поляризации, на которые раскладывается исходная падающая волна. При вращении такой антенны вокруг своей оси фазовый сдвиг между падающим и переизлученным полем становится равным удвоенному углу поворота антенны. Недостатки в прототипе появляются при использовании в качестве переключательных элементов СВЧ диодов, обладающих конечными значениями таких параметров: r - активное сопротивление диода в открытом состоянии R - параллельное активное сопротивление диода в закрытом состоянии Сд - емкость диода в закрытом состоянии. Конечные значения r и R приводят к появлению потерь СВЧ энергии в дискофазном элементе, для минимизации которых необходимо обеспечить равенство потерь для обеих линейно поляризованных волн, отражающихся от элемента. Указанное равенство может быть обеспечено только путем надлежащей трансформации активных сопротивлений r и R СВЧ диодов. В дискофазном элементе такая трансформация сопротивлений может быть частично осуществлена путем изменения диаметра металлического диска, а, следовательно, и размера элементарной ячейки решетки. При этом следует отметить незначительное изменение коэффициента трансформации сопротивлений диодов при изменении диаметра дискофазного элемента, что делает невозможным построение дискофазного элемента с минимально-возможными потерями для широкого диапазона значений R и r используемых СВЧ диодов. Кроме того, размер элементарной ячейки при разработке ФАР определяется исходя из условия минимального количества элементов, которые могут обеспечить заданную ширину луча в решетке в заданном секторе сканирования. Таким образом, недостатком устройства является невозможность одновременного выполнения условия минимального числа элементов в решетке и условия минимального уровня потерь и, как следствие, невозможность построить оптимальную решетку, используя дискофазные элементы. Вторым недостатком дискофазного элемента является применение в нем двух переключающих элементов на один дискрет фазы, что повышает стоимость ФАР вследствие высокой стоимости СВЧ диодов. Третьим недостатком дискофазного элемента является использование щелей U-образной формы, что приводит к увеличению поперечных размеров элемента, а, следовательно, - к ограничению сектора сканирования построенных на его основе решеток. Указанные недостатки устраняются в предлагаемом отражательном элементе. В основу изобретения поставлена задача создания отражательного элемента, в котором возможность осуществления надлежащей трансформации активных сопротивлений СВЧ диодов и уменьшения поперечных размеров отражательного элемента обеспечивается последовательным включением СВЧ диодов в щель и выбором кольцевой формы щели и за счет этого достигается уменьшение потерь энергии падающей волны в СВЧ диодах и увеличение сектора сканирования антенных решеток, построенных на базе предлагаемого отражательного элемента. Поставленная задача решается тем, что в отражательный элемент, содержащий проводящий экран, металлическую плоскость с прорезанными щелями, расположенную над проводящим экраном, и переключательные СВЧ диоды в щелях согласно изобретению вводится щель в виде кольца, диаметр которого равен l/p, переключательные СВЧ диоды, включенные в кольцевую щель последовательно, причем параллельно каждому диоду подключен шлейф, компенсирующий реактивную составляющую проводимости закрытого диода. Последовательное включение диода в щелевую линию позволяет использовать отрезок щелевой линии длиной l/4 в качестве четвертьволнового трансформатора активных сопротивлений СВЧ диодов, а придание отрезку щелевой линии формы кольца уменьшает поперечные размеры трансформатора, при этом компенсация емкостной части проводимости диода происходит за счет применения шлейфа длиной меньше l/4. На фиг. 1 схематически приведен отражательный элемент; на фиг. 2 и 3 - эквивалентные схемы, поясняющие работу отражательного элемента. Отражательный элемент имеет резонансную кольцевую щель 1, длина которой равна длине волны в свободном пространстве. В разрывы кольцевой щели на расстоянии l/8 друг от друга включены последовательно четыре p-i-n диода 2,3,4,5 и четыре шлейфа 6,7.8,9, причем длина каждого из шлейфов подобрана таким образом, чтобы скомпенсировать емкость включенного параллельно с ним диода. Рассматриваемые кольцевая резонансная щель и шлейфы вырезаны в тонкой металлической пластине 10, Металлическая пластина 10 расположена на расстоянии l/4 от проводящего экрана 11. Проводящий экран представляет собой металлическую неперфорированную тонкую пластину. Устройство работает следующим образом. Смещение на диоды подается таким образом, чтобы в каждый момент времени три диода были открыты и один - заперт. Предположим, что в некоторый момент времени заперт СВЧ диод 2, а диоды 3,4,5 открыты. Тогда падающая на отражательный элемент электромагнитная волна круговой поляризации разделяется на две ортогональные линейно-поляризованные составляющие, плоскость поляризации одной из которых параллельна оси шлейфа 6, в который включен p-i-n диод 2, находящийся в выключенном состоянии. Эта составляющая не отражается от пластины 10, т.к. происходит резонансное возбуждение кольцевой щели. Шлейф 6 при этом не возбуждается параллельной составляющей вследствие поляризационной рассогласованности, а шлейфы 7,8,9 не возбуждаются, т.к. представляют собой закороченные в обоих концов отрезки линий длиной меньше l/4. Таким образом, рассматриваемая линейно-поляризованная составляющая проходит сквозь пластину 10 и отражается от экрана 11. Составляющая, плоскость поляризации которой ортогональна шлейфу 6, полностью отражается от пластины 10, т.к. она возбуждает шлейф 6, который совместно с емкостью закрытого p-i-n диода образует параллельный колебательный контур, размыкающий кольцевую щель 1 и тем самым препятствует ее возбуждению. В результате различного отражения двух ортогональных составляющих волны круговой поляризации между ними образуется дополнительный дифференциальный фазовый сдвиг, равный 180 градусам. Поочередное выключение диодов приводит к электронному вращению электромагнитного поля отражательного элемента, следствием чего является вносимый фазовый сдвиг в переотраженную волну круговой поляризации, причем поворот поля элемента на некоторый угол приводит к внесению фазового сдвига 2 в волну круговой поляризации. Пусть в первоначальном состоянии диод 2 заперт, а диоды 3,4,5 открыты, тогда отпирание диода 2 и запирание диода 3 приводит к повороту электромагнитного поля на 45 градусов и внесению дополнительного фазового сдвига 90 градусов в переотраженную волну круговой поляризации по сравнению с фазой волны в первоначальном состоянии. Соответственно, изменение первоначального состояния путем отпирания диода 2 и запирания диода 4 приводит к внесению 180градусного фазового сдвига, а изменение первоначального состояния путем отпирания диода 2 и запирания диода 5 приводит к внесению 270-градусного фазового сдвига. Таким образом, предложенный отражательный элемент позволяет осуществлять дискретное управление фазой переотраженной волны круговой поляризации с дискретом 90 градусов. Рассмотрим потери, вносимые отражательным элементом. Эквивалентные схемы цепей, моделирующих переотражение составляющих падающей волны, плоскость поляризации которых параллельна и ортогональна шлейфу 6 (при этом диод 2 выключен) приведены соответственно на фиг. 2 и 3. Потери для параллельной составляющей равны (при условии r