Новый уровень развития
Новое направление по разработке и изготовлению СВЧ-устройств (фазовращателей) для антенн с электронным сканированием луча – фазированных антенных решёток (ФАР) – начало развиваться несколько лет назад, с приходом в цех нового сотрудника Дмитрия Владимировича Черникина, который в настоящее время занимает должность заместителя начальника ЦФИ по инновационному развитию.
В 2013 году, будучи ещё аспирантом АО «НИИП имени В. В. Тихомирова» (город Жуковский), Дмитрий Черникин обратился в «КБ-1» с предложением постановки и проведения опытной конструкторской работы (ОКР) по совершенствованию параметров нормализованного феррита марки 1СЧ12. Проведённые им исследования показали, что для создания перспективного фазовращателя, работающего с волнами линейной поляризации в 8-миллиметровом диапазоне длин волн, необходим феррит с адаптированными для такого прибора и во многом уникальными комплексными параметрами.
– Я написал техническое задание на СВЧ-феррит для нового устройства, которое мне необходимо было разработать в рамках диссертационной работы. Корифей ферритового цеха, автор и разработчик новых ферритовых материалов Александр Валерьевич Новиков мне тогда сказал: «Попробуем выполнить, хотя требования очень жёсткие...», – рассказывает Дмитрий Черникин.
В результате в короткие сроки под его руководством были синтезированы три феррита, так называемый «параметрический ряд» для использования именно в 8-миллиметровом диапазоне длин волн. Эти материалы были испытаны в составе реальных устройств, и выбран тот, с которым комплект фазовращателей продемонстрировал наилучшие статистические параметры в диапазонах рабочих частот и температур.
Созданный в ЦФИ для диссертационной работы Дмитрия Черникина параметрический ряд материалов – ферритов-шпинелей, обладающих предельной намагниченностью насыщения (патенты на изобретения №№ 2543223, 2543973, 2540971), сегодня востребован разработчиками и успешно используется в ряде фазовращателей, работающих с волнами круговой и линейной поляризациями (патенты на полезные модели №№ 128784, 160858, 156300). Такие фазовращатели необходимы при создании ФАР для бортовых вертолётных станций, а также наземных мобильных комплексов ближнего радиуса действия.
– Благодаря Дмитрию Владимировичу Черникину мы поняли, насколько перспективны материалы, с которыми мы работаем, насколько широко может быть применение микроволновых ферритов, – комментирует начальник ЦФИ Наталья Плетнёва. – Мы заинтересовались, в частности, ферритами, работающими в миллиметровом диапазоне. Этот диапазон подразумевает использование миниатюрных деталей с линейными размерами, кратными длине волны и требующими высокой точности механической обработки. Нам удалось на порядок уменьшить «зерно» в структуре изготавливаемых материалов. В результате детали из наших ферритов не «обсыпаются», у них практически отсутствуют технологические сколы.
Таким образом, все соприкасающиеся поверхности ферритовых деталей допускают технологическую операцию полировки, для чего в ЦФИ разработана специальная технология. Полировка уменьшает немагнитный зазор при сборке ферритовых деталей фазовращателей. Тем самым уменьшаются поля рассеивания. А это в свою очередь приводит к повышению точности отклонения луча ФАР в пространстве.
Интерес к этим материалам со стороны разработчиков постоянно растёт. Руководство «СОЦИУМ-А» и АО «КБ-1», понимая перспективность этого направления, а также то обстоятельство, что в конкурентной борьбе качество выпускаемых ферритов возможно оценить только через достигаемые параметры СВЧ-устройств на их основе, своевременно приняло решение о приобретении необходимой контрольно-измерительной СВЧ-аппаратуры на перспективу.
Сегодня участок СВЧ-измерений ЦФИ обладает высокопроизводительными векторными анализаторами электрических цепей ведущих мировых марок Rohde&Schwarz и Keysight (Agilent Technologies), а также современными отечественными синтезаторами частот миллиметрового диапазона и измерителями мощности известной марки АО «Микран». Одновременно в 2015–2016 годах было приобретено необходимое сервисное СВЧ-оборудование, а также профинансирован ряд работ с нашими партнёрами. Цель – создание автоматизированных рабочих мест и программного обеспечения к ним для измерения параметров выпускаемых ферритовых материалов.
Сейчас в АО «КБ-1» подготовлена база для модернизации серийных и создания новых фазовращателей, работающих в различных частотных диапазонах. Прорабатывается возможность серийного производства антенных блоков собственной разработки. В сборке макетов нам активно помогают предприятия холдинга. В частности, склейку и металлизацию ферритовых деталей, а также окончательную сборку макетов фазовращателей и антенных блоков на их основе производит ООО «ФазАР» (город Рязань). Ведутся переговоры о кооперации с АО АПЗ Арзамаса в работе по созданию волноводных корпусов для фазовращателей.
Новый антенный блок для перспективных ФАР Х-диапазона частот имеет расширенные функциональные возможности
После успешной защиты кандидатской диссертации Дмитрий Черникин пришёл на работу в АО «КБ-1», и его научные изыскания продолжились уже с учётом возможностей ЦФИ.
Одним из направлений этой научной работы является модернизация антенных элементов для ФАР Х-диапазона частот (трёхсантиметровый диапазон длин волн), содержащих ферритовые фазовращатели.
С использованием инновационных технологий изготовления как нормализованных (патент на изобретение № 256098), так и новых марок ферритов, значительно расширены функциональные возможности серийных антенных блоков без изменения их массогабаритных параметров и потребляемой энергии на управление процессом фазирования.
Впервые проводится опытная конструкторская работа по разработке перспективного многофункционального антенного блока, позволяющего реализовать все потенциальные возможности в части помехозащищённости многоэлементной пассивной ФАР с индивидуальным управлением каждым входящим в неё ферритовым СВЧ-устройством.
Для этого, помимо магнитных материалов – ферритов, в блоке используются парамагнитные материалы собственной разработки, внедрённые в серию (патент на изобретение № 2339105). Такие парамагнетики сегодня успешно конкурируют с ситаллами – керамиками на основе стекла, что позволяет существенно упростить конструкцию антенных блоков, снизить трудоёмкость изготовления и стоимость конечного изделия.
– В АО «КБ-1» ведутся работы по созданию нового антенного блока для перспективных ФАР с расширенными по сравнению с аналогами функциональными возможностями, – рассказывает Дмитрий Черникин. – По нашему мнению, этот антенный элемент будет, несомненно, востребован для модернизации уже существующих современных зенитно-ракетных комплексов.
В данном приборе уменьшено сечение стержня и количество деталей, из которых стержень собирается. Всё сделано по единой ферритовой технологии, где вместо ситаллов используются парамагнетики. Это потребовало и разработку новых СВЧ и НЧ ферритовых материалов. В результате длина фазозадающей секции уменьшена, а её функции остались прежними. На освободившееся место устанавливается поляризатор, обеспечивающий помехозащищённость станции. Таким образом, расширен функционал устройства и снижена его стоимость.
Замена ситалловых элементов корпуса на парамагнитный материал, сделанный по ферритовой технологии, также удешевляет производство изделия, поскольку технология изготовления ситаллов затратна.
Новый антенный блок уже прошёл первые экспериментальные исследования, которые продемонстрировали положительные результаты. Подготовлена опытная партия таких устройств для совместных экспериментов в ПАО «НПО «Алмаз».
– Я считаю, что объединение на одной производственной базе разработки устройств и разработки материалов для него – это веление времени, – считает Дмитрий Черникин. – Обычно цепочка «основной заказчик – разработчик устройства – производитель материалов» достаточно длинная, здесь же она значительно сокращена. Следовательно, сокращаются и сами сроки получения результата – конечного продукта.
В последний год возобновлено участие специалистов ЦФИ АО «КБ-1» в научных конференциях.
На суд научной общественности в 2016 году были представлены доклады на Всероссийской и Международной конференциях по проблематике использования ферритовых материалов в СВЧ-устройствах. По результатам выступлений на конференциях оргкомитеты рекомендовали доклады к публикациям в периодических научных изданиях. Соответствующие статьи выйдут уже в ближайшее время, что особенно приятно, поскольку в них отражена работа всего коллектива ЦФИ.
Феррит сочетает свойства магнитов и керамики, ему не страшны ни перепады температур, ни радиация. Работает он в любых климатических условиях.
Разные виды (марки) ферритов изготавливаются путём смешивания порошковых веществ – оксидов. Основа любого феррита – оксид железа, к которому в различных пропорциях добавляются оксиды других металлов и специальные добавки.
Процесс создания ферритового изделия начинается с химического анализа исходного сырья, смешивания и дробления смеси. Полученный состав помещается в печь, где проходит ферритизацию при температуре 1000 градусов. Полученный таким образом ферритовый порошок передаётся на гидростатическое или гидравлическое прессование, в зависимости от конфигурации заготовки.