RU2391750C1

RU2391750C1 - Slotted-waveguide array and assembly method thereof

Info

Publication number: RU2391750C1
Application number: RU2008147650/09A
Authority: RU
Inventors: Сергей Васильевич Киселев (RU); Сергей Васильевич Киселев; Людмила Дмитриевна Павлова (RU); Людмила Дмитриевна Павлова; Михаил Иванович Нетленный (RU); Михаил Иванович Нетленный
Original assignee: ОАО "Московский научно-исследовательский институт "АГАТ""
Priority date: 2008-12-02
Filing date: 2008-12-02
Publication date: 2010-06-10

Abstract

FIELD: physics. ^ SUBSTANCE: waveguide housings and waveguide channels are connected through connection current-conducting material in discrete points outside the zone of internal regions of the waveguide channels. In these discrete points, dowels of one waveguide housing enter openings in the other waveguide housing in which the connection current-conducting material is placed beforehand; there is possibility of batched input of the connection current-conducting material in form of current-conducting glue into the openings. ^ EFFECT: reduced distortions of amplitude-phase distribution in the slotted-waveguide array due to reduced deformations of the shape of waveguide channels and the slotted-waveguide array structure as a whole. ^ 2 cl, 4 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области антенной техники, в частности к волноводно-щелевым антенным решеткам (ВЩАР).The present invention relates to the field of antenna technology, in particular to a waveguide-slot antenna arrays (VCHAR).

Известна конструкция ВЩАР, состоящая из пластин, из которых сформированы волноводные каналы, а между всеми смежными поверхностями соседних пластин помещен соединительный токопроводящий материал [“The art and science of manufacturing waveguide slot array antennas”, Microwave Journal, June, 1988, p.158, Fig.3]. Для обеспечения легкости и прочности конструкции материалом пластин обычно является листовой алюминиевый сплав.A well-known design of VCHAR consisting of plates from which waveguide channels are formed, and connecting conductive material is placed between all adjacent surfaces of adjacent plates [“The art and science of manufacturing waveguide slot array antennas”, Microwave Journal, June, 1988, p. 158, Fig. 3]. To ensure lightness and structural strength, the plate material is usually a sheet aluminum alloy.

Недостатком такой конструкции ВЩАР является наличие соединительного токопроводящего материала в рабочей зоне волноводных каналов, что искажает амплитудно-фазовое распределение (АФР) в апертуре ВЩАР. Кроме того, очень большое количество мест соединений пластин между собой и необходимость помещения между ними соединительного токопроводящего материала уменьшает надежность конструкции и повторяемость электрических характеристик от комплекта к комплекту.The disadvantage of this design is the presence of a conductive connecting material in the working area of the waveguide channels, which distorts the amplitude-phase distribution (AFR) in the aperture of the VChAR. In addition, the very large number of places where the plates connect to each other and the need to place a conductive material between them reduces the reliability of the structure and the repeatability of electrical characteristics from set to set.

Наиболее близкой по технической сущности является конструкция ВЩАР, содержащая волноводные корпуса, в которых выполнены волноводные каналы, и панели, между смежными поверхностями которых помещен соединительный токопроводящий материал [“The art and science of manufacturing waveguide slot array antennas”, Microwave Journal, June, 1988, p.158, Fig.2]. Для обеспечения легкости и прочности конструкции материалом волноводных корпусов обычно являются плиты алюминиевого сплава, а материалом панелей - листы такого же алюминиевого сплава.The closest in technical essence is the design of the VCHAR, containing waveguide housings in which waveguide channels are made, and panels, between which adjacent surfaces are connected conductive material [“The art and science of manufacturing waveguide slot array antennas”, Microwave Journal, June, 1988 , p. 158, Fig. 2]. To ensure lightness and structural strength, the material of waveguide housings are usually aluminum alloy plates, and the panels are sheets of the same aluminum alloy.

Недостатком такой конструкции ВЩАР является наличие соединительного токопроводящего материала в рабочей зоне волноводных каналов, что искажает АФР в апертуре ВЩАР.The disadvantage of this design is the presence of a conductive connecting material in the working area of the waveguide channels, which distorts the AFR in the aperture of the VCHAR.

Известен способ сборки ВЩАР, при котором вводят между смежными поверхностями соседних волноводных корпусов и панелей соединительный токопроводящий материал и нагревают сборку; при этом предварительно на волноводные корпуса и панели из алюминиевого сплава наносят специальное металлическое покрытие, например никель-олово-висмут (Ni-Sn-Bi), а в качестве соединительного токопроводящего материала в этом случае используют легкоплавкий (мягкий) припой - обычно на основе олова и свинца (ПОС), который вносят между всеми соединяемыми поверхностями в виде пасты, фольги либо плакированием; затем сборка помещается в заполненную горячим маслом ванну с температурой среды около 240°С [“The art and science of manufacturing waveguide slot array antennas”, Microwave Journal, June, 1988, p.160-161]. Такой способ сборки называют пайкой мягкими припоями. Недостатком такого способа сборки является образование наплывов (галтелей) припоя на всех ребрах волноводных каналов, по которым производилась пайка; кроме того, при таком способе сборке возможно образование несанкционированных (случайных) наплывов припоя внутри волноводных каналов ВЩАР. Деформация формы волноводных каналов из-за галтелей и случайных наплывов припоя внутри волноводных каналов приводят к искажению АФР в апертуре ВЩАР и, как следствие, ухудшению параметров диаграммы направленности (ДН), а также возрастанию отражения от входа ВЩАР. Существенными недостатками пайки мягкими припоями являются также недостаточная надежность специального металлического покрытия и возможность его отслоения при механических и климатических воздействиях; такое отслоение может привести ВЩАР к полному выходу из строя.There is a known method of assembling VCHAR, in which a connecting conductive material is introduced between adjacent surfaces of adjacent waveguide housings and panels and the assembly is heated; in this case, a special metal coating, for example, nickel-tin-bismuth (Ni-Sn-Bi), is preliminarily applied to waveguide cases and panels of aluminum alloy, and in this case, fusible (soft) solder, usually based on tin, is used as a conductive material and lead (PIC), which is applied between all the surfaces to be joined in the form of paste, foil or cladding; then the assembly is placed in a bathtub filled with hot oil with an ambient temperature of about 240 ° C [“The art and science of manufacturing waveguide slot array antennas”, Microwave Journal, June, 1988, p.160-161]. This assembly method is called soft soldering. The disadvantage of this method of assembly is the formation of sagging (fillets) of solder on all the edges of the waveguide channels through which the soldering was performed; In addition, with this assembly method, the formation of unauthorized (random) influxes of solder inside the waveguide channels of the VCHAR is possible. The deformation of the shape of the waveguide channels due to fillets and random influxes of solder inside the waveguide channels leads to a distortion of the AFR in the aperture of the VShCHAR and, as a result, to a deterioration in the parameters of the radiation pattern (DN), as well as an increase in the reflection from the input of the VShAR. Significant disadvantages of soldering with soft solders are also the lack of reliability of a special metal coating and the possibility of delamination during mechanical and climatic influences; such a detachment can lead to a complete failure.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ сборки ВЩАР, при котором вводят между смежными поверхностями соседних волноводных корпусов и панелей со щелями соединительный токопроводящий материал и нагревают сборку; при этом в качестве соединительного токопроводящего материала используют припой - сплав алюминия с кремнием, который вносят между всеми соединяемыми поверхностями в виде фольги, либо пасты, либо плакированием; затем сборку предварительно подогревают и опускают в ванну с разогретым флюсом; при этом температура флюса составляет примерно 600°С; затем вынимают сборку из ванны, производят охлаждение и очистку каналов сборки от солей флюса [“The art and science of manufacturing waveguide slot array antennas”, Microwave Journal, June, 1988, p.157-159]. Такой способ сборки ВЩАР является наиболее распространенным и называется пайкой в ванне с горячим флюсом или пайкой твердым припоем.Closest to the technical nature of the proposed method is a method of assembling VCHAR, in which a connecting conductive material is introduced between adjacent surfaces of adjacent waveguide housings and panels with slots and the assembly is heated; in this case, a solder is used as a connecting conductive material - an alloy of aluminum with silicon, which is introduced between all the connected surfaces in the form of foil, or paste, or cladding; then the assembly is preheated and lowered into a bath with a heated flux; wherein the flux temperature is about 600 ° C; then take the assembly out of the bath, cool and clean the assembly channels of flux salts [“The art and science of manufacturing waveguide slot array antennas”, Microwave Journal, June, 1988, p.157-159]. This method of assembling VCHAR is the most common and is called soldering in a bath with hot flux or brazing.

Недостатками такого способа сборки ВЩАР является деформация формы волноводных каналов из-за наличия галтелей в углах волноводных каналов по всем местам пайки и коробление всей конструкции ВЩАР из-за высокой температуры, при которой производится пайка. В результате из-за деформации формы волноводных каналов и коробления конструкции ВЩАР в целом возникают искажения требуемого АФР в апертуре ВЩАР, а также возрастание отражения от входа ВЩАР, и электрические параметры ВЩАР получаются ниже потенциальных. Кроме того, при малых размерах сечения волноводных каналов при этом способе сборки возникают значительные трудности либо невозможность очистки волноводных каналов от солей флюса. К недостаткам такого способа сборки можно также отнести необходимость строгого соблюдения температурного режима в ванне с флюсом и времени погружения сборки ВЩАР в эту ванну. Несоблюдение любого из этих условий может привести к провисанию широких стенок волноводных каналов, а также к образованию непропаев, т.е. отсутствию контакта между соседними деталями на отдельных участках сборки, и утечке электромагнитной энергии через эти непропаи, которая вызывает дополнительное ухудшение электрических параметров ВЩАР. Для исключения непропаев при этом способе сборки необходимо также обеспечить хороший прижим всех деталей сборки друг к другу - с зазорами не более 0.1 мм.The disadvantages of this method of assembly of the VCHAR is the deformation of the waveguide channel shape due to the fillet in the corners of the waveguide channels at all soldering sites and warping of the entire VCHAR structure due to the high temperature at which the soldering is performed. As a result, due to the deformation of the shape of the waveguide channels and warping of the VSHAR structure as a whole, distortions of the required AFR in the VSHAR aperture arise, as well as an increase in reflection from the entrance of the VSHAR, and the electric parameters of the VSHAR are lower than potential ones. In addition, with small cross-sections of the waveguide channels, this assembly method presents significant difficulties or the inability to clean the waveguide channels from flux salts. The disadvantages of this method of assembly can also include the need for strict observance of the temperature regime in the bath with flux and the time of immersion of the assembly VCHAR in this bath. Failure to comply with any of these conditions can lead to sagging of the wide walls of the waveguide channels, as well as to the formation of nepropae, i.e. the lack of contact between adjacent parts in separate parts of the assembly, and the leakage of electromagnetic energy through these nepropaes, which causes an additional deterioration in the electrical parameters of VCHAR. In order to eliminate nepropaea with this assembly method, it is also necessary to ensure a good clamp of all assembly parts to each other - with gaps of no more than 0.1 mm.

Целью предлагаемого изобретения является снижение искажений АФР в апертуре ВЩАР и отражение от входа ВЩАР за счет уменьшения деформаций формы волноводных каналов и конструкции ВЩАР в целом.The aim of the invention is to reduce the distortion of AFR in the aperture of the VCHAR and reflection from the entrance of the VCHAR by reducing deformations of the waveguide channel shape and the structure of the VChAR as a whole.

Указанная цель достигается за счет того, что в волноводно-щелевой антенной решетке, содержащей волноводные корпуса с волноводными каналами и соединительный токопроводящий материал, боковые и торцевые стенки волноводных каналов, расположенных на тыльной стороне каждого предыдущего волноводного корпуса, выполнены со штырями, расстояние d между которыми не превышает d≤0.17λ_min, где λ_min - минимальная длина волны рабочего диапазона частот, а на лицевой стороне каждого последующего волноводного корпуса выполнены соответствующие штырям глухие отверстия, при этом соединительный токопроводящий материал расположен между стенками отверстий и штырей, а в способе сборки волноводно-щелевой антенной решетки, при котором вводят между волноводными корпусами соединительный токопроводящий материал и нагревают сборку, соединительный токопроводящий материал дискретно вводят в отверстия каждого последующего волноводного корпуса, затем в эти отверстия вводят штыри предыдущего волноводного корпуса, а в качестве соединительного токопроводящего материала используют токопроводный клей.This goal is achieved due to the fact that in the waveguide-slot antenna array containing waveguide housings with waveguide channels and a conductive connecting material, the side and end walls of waveguide channels located on the back of each previous waveguide body are made with pins, the distance d between which does not exceed d≤0.17λ _min, where λ _min - minimum length of the working wave range of frequencies, and on the front side of each successive waveguide housing corresponding pins formed deaf holes, wherein the conductive connecting material is located between the walls of the holes and the pins, and in the method of assembling a waveguide-slot antenna array, in which the connecting conductive material is inserted between the waveguide bodies and the assembly is heated, the connecting conductive material is discretely introduced into the holes of each subsequent waveguide body, then The pins of the previous waveguide body are introduced into these holes, and conductive glue is used as a connecting conductive material .

На Фиг.1 изображена тыльная сторона одного из волноводных корпусов ВЩАР, где 1 - волноводный канал, расположенный на тыльной стороне волноводного корпуса; 2 - боковая стенка волноводного канала; 3 - торцевая стенка волноводного канала; 4 - штыри на боковой и торцевой стенках волноводного канала.Figure 1 shows the back side of one of the waveguide housings of VCHAR, where 1 is the waveguide channel located on the back side of the waveguide case; 2 - side wall of the waveguide channel; 3 - end wall of the waveguide channel; 4 - pins on the side and end walls of the waveguide channel.

На Фиг.2 изображена лицевая сторона последующего волноводного корпуса, где 5 - отверстия, соответствующие штырям предыдущего волноводного корпуса, изображенного на Фиг.1.Figure 2 shows the front side of the subsequent waveguide body, where 5 are holes corresponding to the pins of the previous waveguide body shown in figure 1.

На Фиг.3 изображена сборка предыдущего волноводного корпуса (Фиг.1) и последующего волноводного корпуса (Фиг.2).Figure 3 shows the Assembly of the previous waveguide casing (Figure 1) and the subsequent waveguide casing (Figure 2).

На Фиг.4 изображена часть сборки предыдущего волноводного корпуса (Фиг.1) и последующего волноводного корпуса (Фиг.2) в момент ввода штырей предыдущего волноводного корпуса в отверстия последующего волноводного корпуса.Figure 4 shows a part of the assembly of the previous waveguide body (Figure 1) and the subsequent waveguide body (Figure 2) at the time of insertion of the pins of the previous waveguide body into the holes of the subsequent waveguide body.

В предложенном изобретении соединение соседних волноводных корпусов между собой через соединительный токопроводящий материал производится только в местах расположения пар штырь-отверстие. Таким образом, осуществляется дискретное соединение соседних деталей ВЩАР вне зоны внутренних областей волноводных каналов. В этом случае при условии выполнения отверстий глухими реализуется возможность дозированного внесения соединительного токопроводящего материала в отверстия, что с одной стороны исключает появление соединительного токопроводящего материала во внутренних областях волноводных каналов, а с другой стороны гарантирует наличие контакта в каждой паре штырь-отверстие, поскольку глубина погружения каждого штыря в соответствующее отверстие с соединительным токопроводящем материалом составляет не менее (0.25-0.3)мм. При расстоянии между штырями, не превышающем 0.17λ_min, где λ_min - минимальная длина волны рабочего диапазона частот, паразитное электромагнитное излучение между штырями не возникает.In the proposed invention, the connection of adjacent waveguide housings with each other through a conductive connecting material is carried out only at the locations of the pin-hole pairs. Thus, a discrete connection of adjacent parts of the VCHAR is carried out outside the zone of the internal regions of the waveguide channels. In this case, provided that the holes are made blind, the possibility of dosed introduction of the connecting conductive material into the holes is realized, which on the one hand eliminates the appearance of the connecting conductive material in the inner regions of the waveguide channels, and on the other hand guarantees the presence of contact in each pair of pin-hole, since the immersion depth each pin into the corresponding hole with the conductive connecting material is at least (0.25-0.3) mm. When the distance between the pins does not exceed 0.17λ _min , where λ _min is the minimum wavelength of the working frequency range, spurious electromagnetic radiation between the pins does not occur.

В предложенном изобретении в качестве соединительного токопроводящего материала используется токопроводный клей. Достоинствами современных токопроводных клеев являются, во-первых, возможность склеивания металлических и, в частности, алюминиевых деталей без нанесения дополнительного металлического покрытия, во-вторых, возможность производить полимеризацию таких клеев при разных температурных режимах - в диапазоне температур от 80°С до 200°С, в печи с воздушным заполнением и, наконец, высокая температура разрушения таких клеев, превышающая 350°С. Таким образом, процесс склеивания сборки ВЩАР производится при достаточно низких температурах, что исключает риск провисания стенок волноводных каналов и коробление конструкции ВЩАР в целом, а процесс разрушения клееной конструкции может произойти при значительно более высокой температуре. При этом значительные искажения АФР, которые могли бы возникнуть при попадании токопроводного клея в рабочую зону волноводных каналов, практически исключены для предложенного способа сборки ВЩАР.In the proposed invention, conductive adhesive is used as a conductive connecting material. The advantages of modern conductive adhesives are, firstly, the ability to glue metal and, in particular, aluminum parts without applying an additional metal coating, and secondly, the ability to polymerize such adhesives at different temperature conditions - in the temperature range from 80 ° C to 200 ° C, in an air-filled furnace and, finally, a high temperature of destruction of such adhesives in excess of 350 ° C. Thus, the gluing process of the VShCHAR assembly is carried out at sufficiently low temperatures, which eliminates the risk of sagging of the walls of the waveguide channels and warping of the VShCHAR structure as a whole, and the process of destruction of the glued structure can occur at a significantly higher temperature. At the same time, significant distortions of the AFR that could have occurred if conductive glue got into the working area of the waveguide channels are practically eliminated for the proposed method of assembling the VCHAR.

Таким образом, вновь введенные признаки обеспечивают уменьшение деформаций формы волноводных каналов и конструкции ВЩАР в целом, что позволяет снизить искажения АФР в апертуре ВЩАР и отражение от входа ВЩАР. При этом, в конечном итоге, достигается улучшение основных электрических характеристик ВЩАР, включая параметры ДН и коэффициент отражения, а также повторяемость электрических параметров от комплекта к комплекту.Thus, the newly introduced features provide a reduction in the deformations of the waveguide channel shape and the ASHAR structure as a whole, which allows one to reduce the AFR distortion in the ASHAR aperture and reflection from the entrance of the ASHAR. In this case, ultimately, an improvement is achieved in the basic electrical characteristics of the VCHAR, including the parameters of the radiation path and reflection coefficient, as well as the repeatability of electrical parameters from set to set.

Claims

1. A waveguide-slot antenna array containing waveguide housings with waveguide channels and a conductive connecting material, characterized in that the side and end walls of the waveguide channels located on the back of each previous waveguide body are made with pins, the distance d between which exceeds d≤0,17λ _min, where λ _min - minimum length of the working wave range of frequencies, and on the front side of each successive waveguide housing corresponding pins formed blind holes, when e ohm connecting conductor material located between the walls of the holes and pins.

2. A method of assembling a waveguide-slot array, in which a connecting conductive material is introduced between the waveguide bodies and the assembly is heated, characterized in that the connecting conductive material is discretely inserted into the holes of each subsequent waveguide body, then the pins of the previous waveguide body are introduced into these holes, and as a conductive connecting material using conductive glue.