Способ уменьшения частотной зависимости ослабления при прохождении электромагнитной волны через диэлектрическую оболочку одновременно для параллельной и перпендикулярной поляризаций и устройство для его реализации (векторный антенный обтекатель)
Изобретение относится к радиотехнике. Предлагаемый векторный антенный обтекатель (в дальнейшем ВАО) предназначен для защиты линейно-поляризованной антенны, в частности щелевой ФАР. Техническим результатом является улучшение радиотехнических характеристик антенных обтекателей путем создания оптимальных условий прохождения электромагнитной волны через антенный обтекатель, в результате чего обеспечивается высокий коэффициент прохождения в широком диапазоне частот. Способ уменьшения частотной зависимости ослабления при прохождении электромагнитной волны через диэлектрическую оболочку одновременно для параллельной и перпендикулярной поляризаций достигается путем формирования из диэлектрической оболочки пространственной фигуры, имеющей в одной плоскости в поперечном сечении зигзагообразную форму с шагом, примерно равным половине длины волны, соответствующей середине диапазона, при этом оболочка ориентируется в пространстве таким образом, что вектор Е электромагнитной волны параллелен плоскости, в которой поперечное сечение оболочки имеет зигзагообразную форму.
ВАО обладает векторными свойствами и выполняет функции поляризационного фильтра, эффективно подавляющего ортогональную поляризацию. Слой, обеспечивающий прочность обтекателя и имеющий наиболее высокое значение диэлектрической проницаемости, выполнен в виде оболочки с поверхностной нестабильностью, имеющей в поперечном сечении зигзагообразную форму с шагом, примерно равным половине длины волны, соответствующей середине диапазона, при этом с внешней стороны данный слой закрыт тонкостенной защитной оболочкой, обеспечивающей эрозионную защиту обтекателя, а с внутренней стороны закрыт тонкостенной технологической оболочкой, исключающими возможность попадания частиц тела обтекателя во внутреннее пространство. Пространство между внешней и внутренней оболочками заполнено диэлектриком с низкой диэлектрической проницаемостью и высокими прочностными характеристиками, например сотовой структурой. ВАО сориентирован в пространстве относительно антенны таким образом, что вектор Е электромагнитной волны параллелен плоскости, в которой поперечное сечение оболочки имеет зигзагообразную форму. ВАО может быть использован в качестве самолетного антенного обтекателя для защиты линейно-поляризованной антенны. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.
Способ уменьшения частотной зависимости ослабления при прохождении электромагнитной волны через диэлектрическую оболочку одновременно для параллельной и перпендикулярной поляризаций и устройство для его реализации (Векторный антенный обтекатель)
Изобретение относится к области радиотехники и предназначено для использования в производстве самолетных антенных обтекателей.
Известен способ обеспечения прохождения электромагнитной волны через диэлектрическую оболочку с минимальными потерями, реализованный в антенном обтекателе [1] путем выбора толщины оболочки, кратной половине длины волны в диэлектрике оболочки (так называемая радиопрозрачная оболочка).
Недостатком данного способа является узкая полоса частот, поскольку сам эффект радиопрозрачности связан с электрической толщиной оболочки и при незначительном изменении толщины радиопрозрачность теряется.
Известен способ обеспечения прохождения электромагнитной волны через диэлектрическую оболочку с минимальными потерями, реализованный в антенном обтекателе [2], содержащем стенку из слоя диэлектрика с ε2, который размещен между двумя слоями диэлектрика с ε1. Причем толщины слоев имеют строго определенные значения, а диэлектрические проницаемости слоев связаны соотношением ε2≥1,6ε1.
По сравнению с антенным обтекателем [1] улучшение характеристик антенного обтекателя [2] достигается в том числе и за счет того, что электромагнитная волна проходит сначала слой с низким значением диэлектрической проницаемости, затем слой с высоким значением диэлектрической проницаемости и вновь слой с низким значением диэлектрической проницаемости.
Недостатком данного антенного обтекателя является зависимость радиотехнических характеристик от электрических толщин слоев, следствием чего является узкополосность.
Известен антенный обтекатель [3], содержащий многослойную стенку. Для улучшения радиотехнических и прочностных характеристик средний слой из высокопрочного стеклопластика выполнен в виде трех подслоев. Сам материал подслоев, заполняющий зазоры, синтактный пенопласт, клеевые прослойки тщательно подбираются таким образом, что диэлектрическая проницаемость ингредиентов практически должна совпадать. Выравниванием диэлектрических проницаемостей достигается снижение переотражений в подслоях. Преимуществом данного антенного обтекателя по сравнению с аналогами [1], [2] является снижение перепадов значений диэлектрической проницаемости слоев, что снижает переотражения в слоях.
Недостатком данного многослойного обтекателя также является узкополосность вследствие зависимости радиотехнических характеристик от электрических толщин слоев.
Целью настоящего изобретения является уменьшение частотной зависимости ослабления при прохождении электромагнитной волны через диэлектрическую оболочку одновременно для параллельной и перпендикулярной поляризаций.
Указанная цель способа достигается путем обеспечения последовательного прохождения электромагнитной волны из среды, оптически менее плотной, в более плотную, а затем из более плотной в менее плотную, отличающегося тем, что оптимизация достигается путем формирования из диэлектрической оболочки пространственной фигуры, имеющей в одной плоскости в поперечном сечении зигзагообразную форму с шагом, примерно равным половине длины волны, соответствующей середине диапазона, при этом оболочка ориентируется в пространстве таким образом, что вектор Е электромагнитной волны параллелен плоскости, в которой поперечное сечение оболочки имеет зигзагообразную форму. Эффективное волновое сопротивление оболочки при этом в направлении распространения электромагнитной волны последовательно изменяется от волнового сопротивления эфира (Zo=120 π Ом) до некоторого максимального значения Z max., а затем от Z max. до Zo. Параметр Z max. зависит от геометрических параметров оболочки и ее диэлектрической проницаемости.
Указанная цель устройства достигается тем, что векторный антенный обтекатель состоит из четырехслойной структуры. Слой, обеспечивающий прочность обтекателя и имеющий наиболее высокое значение диэлектрической проницаемости, выполнен в виде оболочки с поверхностной нестабильностью (в дальнейшем ОПН), имеющей в поперечном сечении зигзагообразную форму, причем с внешней стороны данный слой закрыт тонкостенной защитной оболочкой, обеспечивающей эрозионную защиту обтекателя, а с внутренней стороны закрыт тонкостенной технологической оболочкой, исключающей возможность попадания частиц тела обтекателя во внутреннее пространство, а пространство между внешней и внутренней оболочками заполнено диэлектриком с низкой диэлектрической проницаемостью и высокими прочностными характеристиками (например, сотовой структурой). Векторный антенный обтекатель сориентирован относительно антенны таким образом, что вектор Е электромагнитной волны параллелен плоскости, в которой поперечное сечение оболочки имеет зигзагообразную форму.
На фиг.1 представлено схемное изображение стенки ВАО, состоящей из оболочки с поверхностной нестабильностью, имеющей вид регулярной нестабильности («гармошка»). Zo, Z1, Z max. - волновые сопротивления гипотетических слоев, перпендикулярных направлению распространения.
Величина волновых сопротивлений (Z) гипотетических слоев пространства на пути распространения электромагнитной волны пропорциональна объему диэлектрика, попадающего в слой, в связи с чем Zo<Z1<Z max.
Таким образом, в отличие от прототипа с резкой границей раздела сред в данном случае имеет место постепенное нарастание волнового сопротивления и электромагнитная волна постепенно «втягивается» в диэлектрик. Затем также электромагнитная волна постепенно «втягивается» в диэлектрик. Затем также постепенно происходит выход электромагнитной волны из диэлектрика. Отсутствие резонансного характера процесса прохождения электромагнитной волны обеспечивает широкополосность процесса.
На фиг.2 представлено схемное изображение стенки ВАО. Стенка ВАО состоит из оболочки 1 с высокими прочностными характеристиками, поверхностная нестабильность которой имеет вид регулярной нестабильности («гармошка»). С внешней стороны «гармошка» закрыта тонкостенной защитной оболочкой 3. Пространство между оболочкой и «гармошкой» заполнено диэлектриком 2 с низкой диэлектрической проницаемостью (например сотовой структурой). Технологическая оболочка 4 закрывает ВАО изнутри и предохраняет антенну от возможного попадания частиц ВАО вследствие старения техники.
На фиг.3 представлено схемное изображение общего вида ВАО.
На фиг.4 изображены результаты экспериментальных исследований прохождения электромагнитной волны через оболочку с регулярной поверхностной нестабильностью, имеющей в поперечном сечении зигзагообразную форму. Получена зависимость ослаблений (К) от шага регулярной нестабильности (h, см) для f=9,5 ГГц и толщине оболочки b=30 мм для параллельной поляризации, толщина стенки оболочки 0,2 мм, материал оболочки - гетинакс.
На фиг.5, 6, 7 изображены осциллограммы изменения ослаблений в диапазоне частот (8÷12) ГГц для оптимально выбранной пространственной нестабильности h=1,5 см. Осциллограмма калибровки рабочего места - фиг.5. Осциллограмма зависимости ослаблений в диапазоне для параллельной поляризации - фиг.6. Осциллограмма зависимости ослаблений для перпендикулярной поляризации - фиг.7. Кривая зависимости ослаблений в диапазоне частот (8÷12) ГГц - 1, «Ноль» калибровки - 2.
Как видно из сопоставления фиг.5, 6, 7, наблюдается практически полное прохождение электромагнитной волны через ОПН параллельной поляризации (ослабление около 0,1 дБ) во всем наблюдаемом диапазоне частот (8÷12) ГГц. Вместе с тем для перпендикулярной поляризации наблюдается существенное ослабление (около 2,5 дБ) также практически во всем наблюдаемом диапазоне частот (8÷12) ГГц.
Таким образом, может быть рекомендован следующий алгоритм проектирования ВАО:
- выбирается материала ОПН. В настоящее время может быть рекомендован стеклопластик;
- толщина стенки ОПН выбирается исходя из сбалансированных требований минимизации потерь, минимизации веса ВАО с соблюдением заданных прочностных характеристик. В настоящее время может быть рекомендована толщина стенки ОПН - (4÷5) мм;
- толщина самой ОПН выбирается исходя из сбалансированных требований по условию согласования, минимизации веса ВАО с соблюдением заданных прочностных характеристик. В настоящее время может быть рекомендована толщина ОПН - (1÷1,5)λo (λо - длина волны в воздухе);
- шаг поверхностной нестабильности выбирается в диапазоне (0,4÷0,8)λо;
- в качестве заполняющего диэлектрика с низкой диэлектрической проницаемостью и высокими прочностными характеристиками может быть рекомендован стеклосотопласт;
- в качестве внешней тонкостенной защитной оболочки может быть рекомендован слой стеклопластика с лаковым покрытием;
- внутренняя технологическая оболочка может быть выполнена из нейлоновой ткани
Изложенный принцип построения ВАО не исключает введение в конструкцию дополнительных устройств, повышающих прочность конструкции (например, силовых поясов).
Источники информации
1. Патент США №5457471 от 10.10.1995 г.
2. Патент России №2168814 от 27.04.2000 г.
3. Патент России №2186444 от 06.08.2001 г. (прототип).
1. Способ уменьшения частотной зависимости ослабления при прохождении электромагнитной волны через диэлектрическую оболочку одновременно для параллельной и перпендикулярной поляризаций, заключающийся в обеспечении последовательного прохождения электромагнитной волны из среды оптически менее плотной в более плотную, а затем из более плотной в менее плотную, отличающийся тем, что оптимизация достигается путем формирования из диэлектрической оболочки пространственной фигуры, имеющей в одной плоскости в поперечном сечении зигзагообразную форму с шагом, примерно равным половине длины волны, соответствующей середине диапазона, при этом оболочка ориентируется в пространстве таким образом, что вектор Е электромагнитной волны параллелен плоскости, в которой поперечное сечение оболочки имеет зигзагообразную форму.
2. Векторный антенный обтекатель, состоящий из четырехслойной структуры, отличающийся тем, что слой, обеспечивающий прочность обтекателя и имеющий наиболее высокое значение диэлектрической проницаемости, выполнен в виде оболочки с поверхностной нестабильностью, имеющей в поперечном сечении зигзагообразную форму с шагом, примерно равным половине длины волны, соответствующей середине диапазона, причем с внешней стороны данный слой закрыт тонкостенной защитной оболочкой, обеспечивающей эрозионную защиту обтекателя, а с внутренней стороны - закрыт тонкостенной технологической оболочкой, исключающей возможность попадания частиц тела обтекателя во внутреннее пространство, а пространство между внешней и внутренней оболочками заполнено диэлектриком с низкой диэлектрической проницаемостью и высокими прочностными характеристиками, при этом векторный антенный обтекатель сориентирован относительно антенны таким образом, что вектор Е электромагнитной волны параллелен плоскости, в которой поперечное сечение оболочки имеет зигзагообразную форму.
