Широкополосная система "антенна-обтекатель"



Широкополосная система антенна-обтекатель
Широкополосная система антенна-обтекатель
Широкополосная система антенна-обтекатель
Широкополосная система антенна-обтекатель
Широкополосная система антенна-обтекатель
Широкополосная система антенна-обтекатель
Широкополосная система антенна-обтекатель
Широкополосная система антенна-обтекатель
Широкополосная система антенна-обтекатель
Широкополосная система антенна-обтекатель
Широкополосная система антенна-обтекатель
Широкополосная система антенна-обтекатель
Широкополосная система антенна-обтекатель
Широкополосная система антенна-обтекатель
Широкополосная система антенна-обтекатель
Широкополосная система антенна-обтекатель
Широкополосная система антенна-обтекатель
Широкополосная система антенна-обтекатель
Широкополосная система антенна-обтекатель
Широкополосная система антенна-обтекатель
Широкополосная система антенна-обтекатель
Широкополосная система антенна-обтекатель
Широкополосная система антенна-обтекатель
Широкополосная система антенна-обтекатель
Широкополосная система антенна-обтекатель
Широкополосная система антенна-обтекатель
Широкополосная система антенна-обтекатель
Широкополосная система антенна-обтекатель
Широкополосная система антенна-обтекатель
Широкополосная система антенна-обтекатель
Широкополосная система антенна-обтекатель
Широкополосная система антенна-обтекатель
Широкополосная система антенна-обтекатель
Широкополосная система антенна-обтекатель
Широкополосная система антенна-обтекатель
Широкополосная система антенна-обтекатель
Широкополосная система антенна-обтекатель

 


Владельцы патента RU 2513718:

Открытое акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" (RU)

Изобретение относится к антенно-фидерным устройствам преимущественно к широкополосным системам «антенна-обтекатель». Технический результат - повышение коэффициента прохождения электромагнитной волны и снижение пеленгационных ошибок в системе «антенна-обтекатель» в широкой полосе частот. Для этого широкополосная система «антенна-обтекатель» содержит пеленгующую линейно-поляризованную антенну, механизм поворота антенны на цель и обтекатель в виде колпака с выпуклой формой образующей и однослойной стенкой, снабженный узлом жесткого крепления к летательному аппарату, при этом плоскость поляризации антенны совпадает с плоскостью пеленгации, а в радиопрозрачной зоне либо образующая внешней поверхности колпака выполнена в виде логарифмической спирали, полюс которой совпадает с центром вращения антенны, а внутренняя образующая колпака выбрана конгруентной внешней либо внешняя и внутренняя образующие колпака выполнены неконгруентными, в виде логарифмических спиралей с полюсами, совпадающими с центром вращения антенны. 35 ил., 3 табл.

 

Изобретение относится к антенно-фидерным устройствам, преимущественно к широкополосным системам «антенна-обтекатель».

Известна система «антенна-обтекатель», включающая приемно-передающую линейно-поляризованную антенну, направленную на цель, и обтекатель различной формы со стенкой из диэлектрического материала, снабженный узлом крепления к летательному аппарату: Пригода Б.А., Кокунько B.C. Антенны летательных аппаратов. М., Военное издательство министерства обороны, 1979, издание 2-е переработанное и дополненное. Стр. 106.

Широкополосность пеленгующего канала системы «антенна-обтекатель» определяется широкополосностью антенны и обтекателя. Для обтекателя, в котором структура стенки состоит из одного или нескольких слоев материалов, а геометрическая толщина подбирается эквивалентной полуволновой электрической толщине на средней по диапазону резонансной частоте, за счет резонансного согласования стенки со свободным пространством можно получить минимальный уровень отражения падающей волны и максимальную величину прошедшего поля. Это условие, соответственно, является необходимым для получения максимального коэффициента прохождения и минимального искажения фазы прошедшего через обтекатель поля падающей волны: Каплун В.А. Обтекатели антенн СВЧ. М., Советское радио, 1974 г., 238 с.

Система «антенна-обтекатель» с обтекателем, имеющим резонансную стенку, изготовленным по данному техническому решению, вносит минимально возможные искажения в поле падающей волны на резонансной частоте, но пропорционально увеличению рабочей полосы падает коэффициент прохождения и значительно возрастают величины искажений, вносимых обтекателем в поле падающей волны.

Для реализации широкополосной системы «антенна- обтекатель» стенки обтекателя изготавливаются многослойными: Широкополосный керамический обтекатель для антенны и способ его изготовления. Патент №81 0858. Франция. Н01Q 1/42. 29 avril 1981, № de publication 2 483 689.

Система «антенна-обтекатель» с обтекателем, имеющим многослойную стенку, изготовленным но данному техническому решению, более широкополосная, чем система с обтекателем имеющем резонансную стенку, но незначительно.

Известна широкополосная система «антенна-обтекатель» для маяков с обтекателем, имеющим плоскую тонкую стенку, тоньше четверти длины волны: Обтекатели антенн. Перевод с английского под редакцией А.И.Шиунтова. Издательство «Советское радио» М., 1950, стр. 51-58.

Недостатком известного решения даже незначительное увеличение электрической толщины стенки обтекателя вносит в падающее поле значительные искажения.

Так как уменьшение толщины стенки ограничивается

теплофизическими требованиями к обтекателю, искажения, вносимые в падающее поле из-за конечной толщины стенки, оказываются значительными, что приводит к высоким ошибкам пеленга. Кроме того, из-за отличия электрической толщины стенки от полуволновой, недостатком применения такой структуры является низкий коэффициент прохождения обтекателя.

Недостатком этого технического решения является конструктивная невозможность реализации стенки обтекателя для коротких длин волн.

Также недостатком является то, что при аэродинамическом нагреве обтекатель с тонкой стенкой не защищает антенну от действия высоких температур, что приводит к отказу радиотехнических систем.

Наиболее близким к техническому решению является система «антенна-обтекатель», содержащая пеленгующую линейно-поляризованную антенну, механизм поворота антенны на цель и обтекатель в виде колпака с выпуклой формой образующей и однослойной стенкой, снабженный узлом жесткого крепления к летательному аппарату. USA №3314070. Сl. 343-708. Tapered radomes. April 11, 1967.

Недостаткам этого решения по прототипу характерно направление приемо-передающей линейно-поляризованной антенны на цель и положение обтекателя, закрепленного относительно летательного аппарата, при этом антенна может занимать любое положение относительно обтекателя, но положение антенны относительно поверхности обтекателя не регламентируется и выбирается неоптимальным, что является недостатком решения по прототипу и приводит к значительным потерям коэффициента прохождения в широкой полосе частот, так как в этом случае, даже имея широкополосную антенну и широкополосный обтекатель, реализовать широкополосную систему «антенна-обтекатель» в широком диапазоне рабочих углов пеленга не представляется возможным, а в конструкции обтекателя отсутствуют требования к электрической толщине стенки, связанные с обеспечением широкополосности всей системы, и используемый вид образующей для обтекателя с резонансной однослойной стенкой не может обеспечить высокие радиотехнические требования в широкой полосе частот.

Задачей изобретения является повышение коэффициента прохождения электромагнитной волны и снижение пеленгационных ошибок в системе «антенна-обтекатель» в широкой полосе частот.

Достигается задача тем, что предложена широкополосная система «антенна-обтекатель», содержащая пеленгующую линейно-поляризованную антенну, механизм поворота антенны на цель и обтекатель в виде колпака с выпуклой формой образующей и однослойной стенкой, снабженный узлом жесткого крепления к летательному аппарату, отличающаяся тем, что плоскость поляризации антенны совпадает с плоскостью пеленгации, угол касательной носовой части обтекателя равен: δ = ( 0,95 ÷ 1,05 ) a r c t g ( ε ) , где ε-диэлектрическая проницаемость материала стенки оболочки, а в радиопрозрачной зоне либо образующая внешней поверхности колпака выполнена в виде логарифмической спирали R в н е ш = C в н е ш e ε α , где Rвнеш - радиус спирали, α - угол поворота антенны в плоскости пеленга, Cвнеш - размерный коэффициент, с полюсом спирали, совпадающим с центром вращения антенны, а внутренняя образующая колпака выбрана конгруентной внешней либо внешняя и внутренняя образующие колпака выполнены неконгруентными, в виде логарифмических спиралей с полюсами, совпадающими с центром вращения антенны, причем при работе системы на прием внешняя поверхность колпака имеет вид , внутренняя поверхность колпака имеет вид , а при работе антенны на передачу внутренняя поверхность колпака имеет вид , внешняя поверхность колпака имеет вид , где Rвнут, Rвнеш - радиусы спиралей, Cвнут, Cвнеш - размерные коэффициенты.

Авторы установили, что выполняя условия построения широкополосной системы «антенна-обтекатель» таким образом, чтобы плоскость поляризации антенны совпадала с плоскостью пеленгации, угол касательной носовой части обтекателя был равен: δ = ( 0,95 ÷ 1,05 ) a r c t g ( ε ) , где ε - диэлектрическая проницаемость материала стенки оболочки, достигаются заявленные преимущества: повышение коэффициента прохождения электромагнитной волны и снижение пеленгационных ошибок в системе «антенна-обтекатель» в широкой полосе частот.

Из оптики известно, что при определенном угле падения, когда вектор электрического поля лежит в плоскости падения, образованной векторами нормали к поверхности плоского слоя и волновым вектором падающего поля, возможно полное прохождение волны: М. Борн, Э. Вольф. Основы оптики, Издательство «Наука» М., 1973, 73-82, И.Н. Мешков, Б.В. Чириков. Электромагнитное поле. Часть 1, Новосибирск, Издательство «Наука», Сибирское отделение, 1987, стр.198-200.

При реализации заявленной конструкции носовой части обтекателя и в указанном диапазоне углов оптимальным образом выполняются условия наилучшего прохождения плоской волны в широкой полосе частот и с минимальными искажениями для системы «антенна-обтекатель».

На фиг.1 представлен вид заявленной широкополосной системы «антенна-обтекатель»:

1 - пеленгующая линейно-поляризованная антенна,

2 - механизмы поворота антенны,

- вокруг оси ZA (угол θ),

- в плоскости ZО О XO (угол α),

3 - обтекатель в виде колпака,

4 - узел крепления обтекателя,

5 - корпус летательного аппарата.

На фиг.1 также обозначены:

- координаты системы координат антенны (ZA, YA, ZA),

- координаты системы координат обтекателя (ZО, YO, XO),

- волновой вектор падающей волны (k), совпадающий по направлению с осью ZA,

- вектор электрической составляющей падающего поля (E), перпендикулярный вектору k,

- угол касательной к носовой части обтекателя, равный по техническому решению углу Брюстера , где ε - диэлектричекая проницаемость материала обтекателя),

Устройство работает следующим образом. Пеленгующую антенну 1 ориентируют механизмами 2 в направлении цели, поворачивая ее вокруг оси ZA (по углу θ) и в плоскости XOZ (по углу α), устанавливая ее так, чтобы плоскость поляризации совпадала с плоскостью пеленгации. Плоскость XOZ проходит через три точки: нос обтекателя, цель и центр вращения антенны. При этом волновой вектор k совпадает по направлению с осью ZA, а вектор электрического поля Е лежит в плоскости ZО О XO, которая проходит через носовую часть обтекателя. Антенна излучает линейно-поляризованную волну в направлении вектора k, затем принимает отраженный сигнал и формирует управляющий сигнал рассогласования.

На фиг.2 представлены три формы обтекателя: с образующей в виде оживало, с образующей в виде конуса с неоптимальным углом носовой части и с образующей в виде конуса с оптимальным углом носовой части, рассчитанным по предлагаемому техническому решения для диэлектрической проницаемости ε=2,3.

Для сравнения радиотехнических характеристик системы «антенна-обтекатель» для различных форм образующих обтекателя были проведены расчеты в плоскости Е, когда электрический вектор лежит в плоскости поворота антенны.

На фиг.3 представлены расчетные угловые зависимости пеленгационных ошибок для оболочки с формой образующей в виде оживала в полосе частот от 8 до 18 ГГц.

На фиг.4 представлены расчетные угловые зависимости крутизны пеленгационных ошибок для оболочки с формой образующей в виде оживала в полосе частот от 8 до 18 ГГц.

На фиг.5 представлены расчетные угловые зависимости коэффициента прохождения для оболочки с формой образующей в виде оживало в полосе частот от 8 до 18 ГГц.

Из рассмотрения результатов расчетов, представленных на фиг.3, 4, 5, видно, что система «антенна-обтекатель» с обтекателем с формой образующей в виде оживала имеет в полосе частот максимальную ошибку до 400 мин, а минимальный коэффициент прохождения - менее 25%.

На фиг.6 представлены расчетные угловые зависимости пеленгационных ошибок для оболочки с формой образующей в виде конуса с неоптимальным углом носовой части в полосе частот от 1 до 18 ГГц.

На фиг.7 представлены расчетные угловые зависимости крутизны пеленгационных ошибок для оболочки с формой образующей в виде конуса с неоптимальным углом носовой части в полосе частот от 1 до 18 ГГц.

На фиг.8 представлены расчетные угловые зависимости коэффициента прохождения для оболочки с формой образующей в виде конуса с неоптимальным углом носовой части в полосе частот от 1 до 18 ГГц.

Из рассмотрения результатов расчетов, представленных на фиг.6, 7, 8, видно, что система «антенна-обтекатель» с обтекателем с формой образующей в виде конуса с неоптимальным углом носовой части имеет в полосе частот максимальную ошибку до 400 мин, а минимальный коэффициент прохождения - менее 25%, а крутизну пеленгационных ошибок больше, чем для обтекателя с формой оживала.

На фиг.9 представлены расчетные угловые зависимости пеленгационных ошибок для оболочки с формой образующей в виде конуса с оптимальным углом носовой части, рассчитанным по предлагаемому техническому решению, в полосе частот от 1 до 18 ГГц.

На фиг.10 представлены расчетные угловые зависимости коэффициента прохождения для оболочки с формой образующей в виде конуса с оптимальным углом носовой части, рассчитанным по предлагаемому техническому решению, в полосе частот от 1 до 18 ГГц.

Из рассмотрения результатов расчетов, представленных на фиг.9, 10, видно, что система «антенна-обтекатель» с обтекателем с формой образующей в виде конуса с оптимальным углом носовой части, рассчитанным по предлагаемому техническому решению, имеет в полосе частот максимальную ошибку до 180 мин, а минимальный коэффициент прохождения, более 65%.

На фиг.11 представлены расчетные угловые зависимости коэффициента прохождения для оболочки с формой образующей в виде конуса с оптимальным углом носовой части, рассчитанным по предлагаемому техническому решению для диэлектрической проницаемости стенки ε=2,3, в полосе частот от 1 до 18 ГГц, а также для оболочки с другими значениями диэлектрической проницаемости стенки ε=7 и ε=15.

Из рассмотрения результатов расчетов, представленных на фиг.11, видно, что система «антенна-обтекатель» с обтекателем с формой образующей в виде конуса с оптимальным углом носовой части, рассчитанным по предлагаемому техническому решению для ε=2,3, имеет в полосе частот минимальный коэффициент прохождения, значительно более высокий минимальный коэффициент прохождения, более 65% чем в иных случаях.

Рассмотрим падение плоской волны с вектором (k) на поверхность, характеризуемую нормалью n (Фиг.12). Запишем уравнение волнового вектора к поверхности k ¯ , совпадающего по направлению с лучом из точки начала координат (радиус-вектором) r(α), где α - угол поворота оболочки вокруг центра прокачки с координатами х=0, у=0, у x - координаты точки поверхности, γ - угол произвольного расположения касательной плоскости в системе координат X,Y.

Условием формирования оптимального контура является нахождение положения нормали относительно волнового вектора в каждой точке, при котором выполняется равенство угла между векторами k ¯ и n ¯ углу Брюстера (δ).

Так как при этом угле падения выполняются наилучшие условия прохождения для плоской линейно-поляризованной падающей волны, то найденный контур оболочки будет соответствовать оптимальным условиям прохождения с радиотехнической точки зрения.

Это условие выполняется при расположении касательной к лучу под углом γ, равному:

.

Видно, что единственной образующей для оптимальной поверхности вращения является функция вида логарифмической спирали, для которой, в каждой точке поверхности, выполняется условие равенства значения угла между касательной и лучом из центра координат. Значение этого угла γ связано с диэлектрическими свойствами материала стенки оболочки посредством угла Брюстера.

Функцию логарифмической спирали представим в соответствии с обозначениями на фиг.12 в виде:

,

Тогда:

После преобразований (2) получим:

На фиг.12 представлен вид заявленной широкополосной системы «антенна-обтекатель»:

1 - пеленгующая линейно-поляризованная антенна,

2 - механизмы поворота антенны,

- вокруг оси ZA (угол θ),

- в плоскости ZO О XO (угол α),

3 - обтекатель в виде колпака, с образующей в виде логарифмической спирали, рассчитанной по предлагаемому решению,

4 - узел крепления обтекателя,

5 - корпус летательного аппарата.

На фиг.12 также обозначены:

- координаты системы координат антенны (ZA, YA, XA),

- координаты системы координат обтекателя (ZО, YО, XО),

- волновой вектор падающей волны (k), совпадающий по направлению с осью ZA,

вектор электрической составляющей падающего поля (Е), перпендикулярный вектору k,

- угол между нормалью (n) к образующей обтекателя и направлением луча на цель, равный по техническому решению углу Брюстера , где ε - диэлектричекая проницаемость материала обтекателя).

Устройство работает следующим образом. Пеленгующую антенну 1 ориентируют механизмами 2 в направлении цели, поворачивая ее вокруг оси ZA (по углу θ) и в плоскости XOZ (по углу α), устанавливая ее так, чтобы плоскость поляризации совпадала с плоскостью пеленгации. Плоскость XOZ проходит через три точки: нос обтекателя, цель и центр вращения антенны. При этом волновой вектор k совпадает по направлению с осью ZA, а вектор электрического поля E лежит в плоскости ZO О XO. Антенна излучает линейно-поляризованную волну в направлении вектора k, затем принимает отраженный сигнал и формирует управляющий сигнал рассогласования.

Возможный вид сечения обтекателя, по предлагаемому решению, рассчитанный по формуле (4) с параметрами a=4,6; ε=2,3, представлен на фиг.13.

Результаты расчетов оптимальных контуров по формуле (4) для различных величин диэлектрической проницаемости стенки ε=3,4; ε=5; ε=7

с равными по высоте оболочками представлены на Фиг.14, дополнительные параметры расчетов представлены в таблице 1.

Таблица 1
Расчет равных по высоте оболочек с разными ε стенки
Диэлектрическая проницаемость Коэфф. а Угол Брюстера Высота оболочки, Н, мм Максимальный диаметр, мм Угол поворота, соответствующий максимальному диаметру, αmах, град
ε=3,4 2,1346 61,52 700 133,5 29
ε=5 0,6227 65,91 700 111,59 24
ε=7 0,1719 69,29 700 95,12 21

Результаты расчетов оптимальных контуров по формуле (4) для различных величин диэлектрической проницаемости стенки ε=3,4; ε=5; ε=7 с равными максимальными диаметрами представлены на фиг.15, дополнительные параметры расчетов представлены в таблице 2.

Таблица 2
Расчет равных по максимальному диаметру оболочек с разными ε стенки
Диэлектрическая проницаемость Коэфф. а Угол Брюстера Высота оболочки, Н, мм Максимальный диаметр, мм Угол поворота, соответствующий максимальному диаметру. αmах, град
ε=3,4 1,52 61,52 498 95 29
ε=5 0,52 65,91 595 95 24
ε=7 0,17 69,29 700 95 21

Результаты расчетов оптимальных контуров по формуле (4) для различных величин диэлектрической проницаемости стенки ε=3,4; ε=5; ε=7 с реализацией углов поворота луча в диапазоне ±60 град представлены на фиг.16, дополнительные параметры расчетов представлены в таблице 3. Для иллюстрации на фиг.16 добавлены лучи с углом относительно оси X в ±30 град.

Таблица 3
Расчет оболочек с разными ε стенки при реализации углов поворота луча в диапазоне ±60 град
Диэлектрическая проницаемость Коэфф. а Угол Брюстера Высота оболочки, Н, мм Максимальный диаметр, мм Угол поворота, соответствующий максимальному диаметру, αmах, град
ε=3,4 2,30 61,52 755 144 29
ε=5 1.015 65,91 1141 182 24
ε=7 0,43 69,29 1751 238 21

Из представленных рисунков видно, что варьируя параметры формы образующей по формуле (4), можно получить любые габаритные размеры оболочки. В области больших углов возможно использовать плавные переходы к слабому конусу или к цилиндру, как это обычно делается при формировании формы оболочки обтекателя.

Возможный вид сечения оболочки кожуха (тип укрытие) из образующих вида логарифмической спирали для радара кругового обзора с диэлектрической проницаемостью материала стенки ε=4 представлен на фиг.6.

Из фиг.17 видно, что максимальная высота оболочки по оси Y составляет ±800 мм, а диаметр по оси X около 9000 мм. На фиг.17 для иллюстрации передвижения точки наблюдения по лучам изображена сфера диаметром 500 мм с центром в полюсе логарифмической спирали.

Для уменьшения высоты обтекателя возможны варианты построения формы образующей с использованием вариации коэффициента (а) в формуле (4) уменьшением длины радиуса-вектора (r) в зависимости от угла поворота луча (α) с сохранением условия равенства угла δ для каждой точки кривой. Возможный вид образующей при вариации коэффициента (а) представлен на фиг.18, форма контура 1 рассчитана по формуле (4) для ε=4 с постоянным коэффициентом а=5, форма контура 2 рассчитана по формуле (4) для ε=4 с изменяемым коэффициентом а от 5 до 1,2. Из фиг.18 видно, что для кривой 1 при коэффициенте a=5 максимальная высота оболочки составляет 2677 мм, а для кривой с переменными коэффициентами - 624 мм. Видно, что вариации коэффициентов в формуле (4) позволяют оптимизировать форму образующей оболочки.

Неоднородности по толщине стенки, возникающие при построении образующих, в дальнейшем будут приводить к скачку фазы и искажению при прохождении через них электромагнитного поля в области антенного прожекторного пучка, поэтому при формировании поверхностей лучше использовать непрерывные, гладкие поверхности.

Так на фиг.19 представлен возможный вид сечения оболочки кожуха с ε=2,3 материала стенки без изломов и неоднородностей из образующих вида логарифмической спирали для радара с линейно-поляризованной антенной с совпадающей поляризацией кругового обзора, обеспечивающего сканирование от -20 град по углу места.

На фиг.20, 21, 22 в виде угловых зависимостей представлены расчетные радиотехнические характеристики (РТХ) (пеленгационные ошибки фиг.20, крутизна фиг.21, и коэффициент прохождения фиг.22) для частот в диапазоне от 8 до 18 ГГц при сканировании в диапазоне углов ±40 град, с линейно-поляризованной антенной с совпадающей поляризацией и вектором электрического поля, лежащим в плоскости поворота антенны.

При рассмотрении широкополосности обтекателя по расчетным характеристикам, представленным на фиг.20, 21 и 22, видно, что, расчетные угловые зависимости слабо зависят от частоты, похожи по виду и незначительно различаются по величине.

Значительная величина максимальной ошибки на фиг.20 связана с наличием фазовых искажений в носовой части и, в практической работе, необходимо для снижения ошибок проведение профилирования стенки.

Проведен расчетный поиск профиля толщины стенки. На фиг.23, 24, 25 в виде угловых зависимостей представлены расчетные РТХ профилированной оболочки для частот в диапазоне от 8 до 18 ГГц при сканировании в диапазоне углов ±40 град, с линейно-поляризованной антенной с совпадающей поляризацией и вектором электрического ноля, лежащим в плоскости поворота антенны. Из рисунков видно, что применение профилирования позволило значительно уменьшить максимальную величину пеленгационной ошибки и ее крутизны, а также сделать вывод о возможности применения профилирования для улучшения характеристик оболочки при предложенной в конструкции системы «антенна-обтекатель» форме образующей.

Для сравнения на фиг.26, 27, 28 в виде угловых зависимостей представлены расчетные РТХ оболочки с образующей в виде оживала, с проницаемостью стенки ε=2,3, для частот в диапазоне от 8 до 18 ГГц при сканировании в диапазоне углов ±47,5 град, с линейно-поляризованной антенной с совпадающей поляризацией и вектором электрического поля, лежащим в плоскости поворота антенны. Из рисунков видно, что при схожести геометрических размеров этой оболочки с оболочками, имеющими оптимальный контур, РТХ этой значительно хуже. Отмечается падение КП до 20%, рост максимальных ошибок до 400 мин, а крутизны - до 0,9 град/град.

На рисунке 29 представлены расчетные частотные зависимости коэффициента прохождения КП(α=0) для оболочки с образующей в виде логарифмической спирали оптимальной для ε=3,4 (r=3ехр(3,4)) для ε=3,4 толщиной стенки 6,25 мм, в диапазоне от 8 до 18 ГГц. Из рисунка видно, что минимальный КП>80% реализуется в полосе более 4 ГГц, а в полосе 9 ГГц реализуется КП>60%.

На рисунке 30 представлены расчетные частотные зависимости коэффициента прохождения КП(α=0) для оболочки с образующей в виде логарифмической спирали оптимальной для ε=2 (r=5ехр(2)) для е=2 толщиной стенки 7 мм, в диапазоне от 8 до 18 ГГц. Из рисунка видно, что минимальный КП>80% реализуется в полосе более 7 ГГц, а в полосе 11 ГГц реализуется КП>73%.

Расчеты (рисунки 29, 30) показывают, что при снижении диэлектрической проницаемости стенки оболочки широкополосность системы «антенна-обтекатель» возрастает. Это связано с тем, что в расчетах РТХ оптимальным контуром, построенным при использовании закона Брюстера, с точки зрения прохождения, является только внешняя граница оболочки, а для внутренней границы оболочки при выполнении закона Брюстера контур должен быть отличным от внешнего, так как при этом поиск угла Брюстера должен производиться для другого перехода проницаемостей от большей величины к меньшей. Именно это, при прочих равных условиях, ограничивает дальнейшее повышение широкополосности системы «антенна-обтекатель». На практике сопряжение неконгруентных внешней и внутренней поверхностей, найденных из условия равенства угла падения углу Брюстера, выполнить невозможно, так как для этих условий не находятся контуры, вложенные друг в друга по всей высоте. Одним из простых методов устранения этого противоречия является изготовление стенки из материалов с низкой диэлектрической проницаемостью, для которой внешний и внутренний контуры оболочки будут схожими, а при диэлектрической проницаемости, равной единице - совпадающими. В предлагаемой конструкции оболочки отсутствует зависимость выбора толщины стенки от ее диэлектрической проницаемости и снимается ограничение в выборе толщины стенки по контуру оболочки, в отличие от известных методов конструирования оболочки в виде тонкой или полуволновой толщины стенки, что позволяет выполнять ее из материалов с низкой диэлектрической проницаемостью. С ростом диэлектрической проницаемости стенки растет различие в формах внешней и внутренней границ из-за значительной разницы в величинах соответствующего им угла Брюстера.

На рисунке 31 представлены расчетные зависимости величины угла Брюстера от диэлектрической проницаемости пластины для ее внешней и внутренней плоскопараллельных границ. Из геометрической оптики следует, что при падении плоской волны на пластину (рисунок 32) под углом Брюстера, угол преломления, найденный по закону Снеллиуса, через первую (для оболочки внешнюю) границу равен расчетной величине угла Брюстера при падении преломленной волны на вторую (для оболочки внутреннюю) поверхность. Это условие выполняется только для плоских границ пластины. Другими словами, оптимальной формой для получения полного прохождения плоской волны является только пластина с плоскопараллельными границами, для которой выполняется угол Брюстера для внешней, при переходе от менее плотной среды в более плотную, и внутренней, при переходе от более плотной среды в менее плотную, поверхностей. При решении задачи прохождения плоской волны через неплоские поверхности, например с логарифмической формой образующей внешняя и внутренние поверхности должны рассчитываться для известной диэлектрической проницаемости стенки, как это видно из рисунка 31, для различных углов Брюстера и, следовательно, поверхности оптимальной оболочки широкополосной системы «антенна-обтекатель» должны быть неконгруентными. Это возможно реализовать в конструкции оболочки широкополосной пассивной системы «антенна-обтекатель», работающей только на прием. Согласно формуле 4 совпадение оптимальных контуров внутренней и внешней поверхностей возможно только при диэлектрической проницаемости стенки ε=1, а увеличение проницаемости приводит к различию форм внутренней и внешней поверхностей. Анализ зависимостей, представленных на рисунке 31, подтверждает вывод о сближении оптимальных форм внешней и внутренней границ при снижении диэлектрической проницаемости стенки и, как показали предыдущие расчеты, к повышению широкополосности системы «антенна-оболочка», сконструированных с помощью рассмотренных условий реализации оптимальной формы оболочки.

Рассчитанные для пассивной широкополосной системы «антенна-обтекатель» внешний и внутренний контуры, соответствующие логарифмическим спиралям ( r в н е ш н и й = 10 × е ε α ,  r внутренний = 28 × е ( 1 ε ) α ) для диэлектрической проницаемости ε=1,5 представлены на рисунке 33.

Из анализа вида внешнего и внутреннего контуров, представленных на рисунке 33, видно, что реализация оптимальной формы возможна только в носовой части оболочки в области малых углов поворота, там, где внутренний контур укладывается во внешний. Так как максимальные искажения поля и наибольшее падение коэффициента прохождения наблюдаются именно в этой области углов, то применение такой формы контуров значительно улучшит эти параметры в широкой полосе частот, при этом юбочная часть оболочки, ответственная за искажения поля при больших углах поворота, должна проектироваться обычными методами.

При работе широкополосной системы «антенна-обтекатель» на передачу, для любой диэлектрической проницаемости стенки оболочки можно всегда подобрать коэффициенты вида логарифмической спирали для внешнего и внутреннего контуров, которые вкладываются друг в друга. Для примера на рисунке 34 представлены рассчитанные для широкополосной системы «антенна-обтекатель», работающей на передачу, внешний и внутренний контуры, соответствующие логарифмическим спиралям ( r в н е ш н и й = 20 × е ( 1 / ε ) α ,  r внутренний = 5,5 × е ( ε ) α ) для диэлектрической проницаемости ε=1,5.

Из анализа вида внешнего и внутреннего контуров, представленных на рисунке 34, видно, что реализация оптимальной формы возможна по всей высоте оболочки и применение такой формы контуров значительно улучшит радиотехнические параметры системы «антенна-обтекатель» в широкой полосе частот и углов поворота антенны.

Следует заметить, что это важно для развития перспективного метода, способного обеспечить достаточно высокую вероятность обнаружения «невидимых» самолетов, так называемых бистатических радиолокационных станций, состоящих из разнесенных на большие расстояния друг от друга передатчика (наземного или космического базирования) и наземного приемного устройства. Дополнительным достоинством этого метода является то, что приемное устройство работает в пассивном режиме, то есть не излучает электромагнитную энергию, в связи с чем его координаты практически не могут быть определены бортовыми средствами бомбардировщиков, летящих в направлении объектов удара.

На основе принципа построения оболочки с неконгруентными границами между слоями возможно построение многослойной структуры, для которой выполняется условие угла Брюстера для каждой границы, например, для трехслойной конструкции это четыре неконгруентные границы. На рисунке 35 представлены контуры границ трехслойной стенки с параметрами ε1=1,5, ε2=2, ε3=1,5, для которой подобраны размерные коэффициенты А1=8, А2=9, А3=19, А4=21 логарифмической спирали. Видно, что толщина стенки переменная и меняется по высоте оболочки в зависимости от выбранных форм границ. Толщины слоев оболочки определяются выбранными формами неконгруентных границ и с учетом того, что при рассмотрении падения плоской волны на границы слоев под углом Брюстера отсутствует понятие зависимости оптимальной толщины от частоты, то появляется понятие оптимальности формы оболочки по критерию максимальной широкополосности.

Широкополосная система «антенна-обтекатель», выполненная по предлагаемому техническому решению, по сравнению с известными устройствами, в широкой полосе частот вносит минимальные искажения в падающей волне и обладает наибольшим коэффициентом прохождения и минимальными пеленгационными ошибками.

Источники информации

1. Пригода Б.А., Кокунько B.C. Антенны летательных аппаратов. М., Военное издательство министерства обороны, 1979, издание 2-е переработанное и дополненное. Стр.106.

2. Каплун В.А. Обтекатели антенн СВЧ. М., Советское радио, 1974 г., 238 с.

3. Широкополосный керамический обтекатель для антенны и способ его изготовления. Патент №81 0858. Франция. Н01Q 1/42. 29 avril 1981, № de publication 2 483 689.

4. Обтекатели антенн. Перевод с английского под редакцией А.И.Шпунтова. Издательство «Советское радио», М., 1950, стр.51-58.

5. USA №3314070. С. 343-708. Tapered radomes. April 11, 1967(прототип).

Широкополосная система «антенна-обтекатель», содержащая пеленгующую линейно-поляризованную антенну, механизм поворота антенны на цель и обтекатель в виде колпака с выпуклой формой образующей и однослойной стенкой, снабженный узлом жесткого крепления к летательному аппарату, отличающаяся тем, что плоскость поляризации антенны совпадает с плоскостью пеленгации, угол касательной носовой части обтекателя равен: , где ε - диэлектрическая проницаемость материала стенки оболочки, а в радиопрозрачной зоне либо образующая внешней поверхности колпака выполнена в виде логарифмической спирали , где Rвнеш - радиус спирали, α - угол поворота антенны в плоскости пеленга, Cвнеш - размерный коэффициент, с полюсом спирали, совпадающим с центром вращения антенны, а внутренняя образующая колпака выбрана конгруентной внешней либо внешняя и внутренняя образующие колпака выполнены неконгруентными, в виде логарифмических спиралей с полюсами, совпадающими с центром вращения антенны, причем при работе системы на прием: внешняя поверхность колпака имеет вид , внутренняя поверхность колпака имеет вид , а при работе антенны на передачу: внутренняя поверхность колпака имеет вид , внешняя поверхность колпака имеет вид , где Rвнут, Rвнеш - радиусы спиралей, Cвнут, Cвнеш - размерные коэффициенты.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области судостроения, а именно к обтекателям гидроакустических станций. Технический результат - создание обтекателя антенн гидроакустических станций из композиционных материалов, обладающего повышенной прочностью и эксплуатационной надежностью с улучшенными акустическими свойствами.

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в радиотехнических устройствах подводных судов. Технический результат - уменьшение громоздкости без увеличения задержки излучения и приема электромагнитных сигналов.

Изобретение относится к авиационной и ракетно-космической технике, а именно к головным отсекам (ГО) летательных аппаратов (ЛА). ГО ЛА содержит переднюю панель в виде клина с плоскими иллюминаторами, осесимметричную с переменным сечением боковую обечайку со стыковочным шпангоутом, складную телескопическую аэродинамическую иглу.

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к защите антенн от воздействия внешних факторов окружающей среды. Техническим результатом является расширение диапазона частот проходящих радиоволн от 3 до 30 ГГц через многослойное радиопрозрачное укрытие для антенн с одновременным упрощением его конструкции.

Изобретение относится к области авиационной и ракетной техники и может использоваться преимущественно в конструкциях высокоскоростных ракет различных классов. Технический результат - увеличение длительности эксплуатационного режима за счет сохранения прочности соединения металл-керамика при силовых и тепловых воздействиях на обтекатель.

Изобретение относится к конструктивным элементам фюзеляжа летательного аппарата. Обтекатель антенны, установленный на самолете, содержит радиопрозрачную переднюю и металлическую заднюю части, обшивку, подкрепленную силовым набором.

Изобретение относится к области создания конструкций антенных обтекателей высокоскоростных ракет с оболочками из жаростойких керамических материалов. Технический результат - обеспечение работоспособности антенного обтекателя для условий одновременного удовлетворения воздействию превалирующих нагрузок: тепловой - при менее значительной силовой и силовой - при менее значительной тепловой, а также при любом соотношении нагрузок на промежуточных траекториях.
Изобретение относится к области авиационной и ракетной техники и преимущественно может быть использовано при изготовлении антенных обтекателей скоростных ракет из керамики.
Изобретение относится к области авиационной и ракетной техники и может быть использовано при изготовлении антенных обтекателей скоростных ракет из пористой керамики.

Изобретение относится к области создания конструкций антенных обтекателей высокоскоростных ракет с оболочками из жаростойких керамических материалов. .

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенным системам. Технический результат - упрощение конструкции антенной системы и ослабление климатико-механических требований к составным частям антенной системы. Антенная система с частичной металлизацией радиопрозрачного защитного кожуха содержит зеркало, малошумящий усилитель с преобразователем частоты и устройство наведения на объект излучений, при этом в ее состав введен защитный радиопрозрачный кожух, соответствующий конфигурации для зеркала антенны и установленный на вращающейся по кругу платформе, при этом половина или часть кожуха металлизирована и представляет собой зеркало антенны, а малошумящий усилитель с преобразователем частоты установлен на кронштейне, обеспечивающем его перемещение в горизонтальной и вертикальной плоскости, для ослабления ветровых нагрузок защитный кожух укрепляется растяжками, а также дополнительно введен компрессор с регулируемым температурным режимом для поддержания внутри кожуха соответствующего температурного режима. 1 ил.

Изобретение относится к области авиационно-ракетной техники, преимущественно к конструкциям носовых радиопрозрачных обтекателей, являющихся укрытием от аэродинамического воздействия антенных устройств головок самонаведения (АУ ГСН). Технический результат - снижение теплового воздействия на АУ ГСН и наружную керамическую оболочку антенного обтекателя в условиях нестационарного высокотемпературного воздействия. Для этого антенный обтекатель содержит керамическую оболочку, металлический стыковой шпангоут и расположенный во внутренней полости соосно с ними куполообразный радиопрозрачный теплозащитный экран, соединенный с оболочкой термостойким адгезивом по всей поверхности прилегания к оболочке. Экран изготовлен из термостойкого стеклопластика на основе кремнийорганического, полиимидного или фенолформальдегидного связующих и кварцевых стеклотканей сатинного и объемного плетения. На наружную и внутреннюю поверхности экрана нанесено теплостойкое покрытие кремнийорганической или фторопластовой эмалью. Во внутренней полости экрана установлено металлическое кольцо, соединенное с экраном термостойким адгезивом, а со шпангоутом - через экран крепежными элементами, выполненными в виде шпилек или винтов. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области авиационно-ракетной техники, преимущественно к конструкциям носовых радиопрозрачных обтекателей, являющихся укрытием от аэродинамического воздействия антенных устройств головок самонаведения (АУ ГСН). Технический результат - снижение теплового воздействия на АУ ГСН и снижение температуры прогрева шпангоута в условиях нестационарного аэродинамического нагрева с обеспечением высоких радиотехнических характеристик в широком диапазоне частот. Для этого антенный обтекатель содержит керамическую оболочку, металлический стыковой шпангоут, куполообразный радиопрозрачный теплозащитный экран и теплоизоляционное кольцо. Экран выполнен трехслойным с внешними слоями из термостойкого стеклопластика на основе хромалюмофосфатного, полиимидного, кремнийорганического или фенолформальдегидного связующих и внутренним слоем, выполненным из теплостойкого материала на основе стеклянного или кремнеземного волокон. На наружную поверхность экрана нанесено теплостойкое покрытие. Теплоизоляционное кольцо жестко присоединено к экрану или выполнено за одно целое с ним из материала внешних слоев экрана, и соединено с оболочкой и шпангоутом термостойким адгезивом. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области создания конструкций носовых антенных обтекателей ракет с оболочками, изготавливаемыми из жаростойких неорганических (керамических) материалов. Технический результат - повышение герметичности и устойчивости антенного обтекателя к воздействию динамических нагрузок в условиях длительного теплосилового воздействия. Для этого антенный обтекатель содержит керамическую оболочку, металлический стыковой шпангоут и расположенное между ними теплоизоляционное кольцо, соединенное с оболочкой и шпангоутом термостойким адгезивом. Кольцо выполнено из термостойкого стеклопластика на основе алюмохромфосфатного, полиимидного, кремнийорганического и фенолформальдегидного связующих. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области авиационной и ракетной техники и может быть использовано при креплении антенных обтекателей скоростных ракет различных классов. Технический результат изобретения заключается в повышении надежности узла крепления обтекателя с корпусом летательного аппарата за счет более точного базирования (центрирования) антенного обтекателя на шпангоуте. Узел крепления обтекателя с корпусом летательного аппарата содержит металлический шпангоут, соединенный с керамическим обтекателем слоем эластичного термостойкого клея. По окружности шпангоут имеет кольцевую проточку, заполненную эластичным термостойким клеем, по центру которой выполнены крестообразные сквозные пазы под углом 45° к продольной оси шпангоута. По краям и в центре пересечения пазов имеются сквозные отверстия. В части шпангоута, обращенной в сторону обтекателя, выполнены компенсаторы теплового расширения в виде осевых сквозных дополнительных пазов с отверстиями с образованием цанговых лепестков, непосредственно контактирующих своей наружной поверхностью с внутренней поверхностью обтекателя. Крестообразные пазы и компенсаторы теплового расширения размещены поочередно и равномерно. 1 ил.

Изобретение относится к способу изготовления термостойкого элемента корпуса сверхзвукового летательного аппарата (ЛА) и касается переднего радиопрозрачного обтекателя корпуса. При изготовлении клиновидного радиопрозрачного переднего обтекателя корпуса ЛА применяют объемную многослойную пряжу оболочки обтекателя из термостойкой нити с пропиткой термоактивным связующим, формуют оболочки на оправке и отверждают связующее, затем механически обрабатывают поверхности оболочки, стыкуемые с корпусом. При этом предварительно изготавливают части обтекателя, в том числе верхнюю и нижнюю части оболочки, соединительную дугу, с формированием передней кромки обтекателя и стыковочных полок на ее верхней и нижней поверхностях для верхней и нижней частей оболочки и элементы их механического крепления. При изготовлении соединительной дуги продольные нити слоев пряжи укладывают по радиусу изгиба передней кромки обтекателя. После изготовления производят механическую обработку стыкуемых поверхностей частей обтекателя, наносят на них высокотемпературный клей и осуществляют механическую сборку и склеивание частей обтекателя. Достигается обеспечение возможности изготовления термостойкого клиновидного переднего обтекателя ЛА с необходимой продолжительностью работы и радиотехническими характеристиками. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

,Изобретение относится к антенно-фидерным устройствам преимущественно к широкополосным антенным обтекателям. Техническим результатом является повышение коэффициента прохождения и снижение искажений, вносимых обтекателем в поле падающей волны в широкой полосе частот. Для этого широкополосный обтекатель, содержащий однослойную стенку из материала в форме колпака, снабженного узлом крепления к летательному аппарату, характеризуется тем, что стенка выполнена из диамагнитного материала µ≤1, с диэлектрической проницаемостью ε = 1 μ , с диэлектрическими tg(δε)<0,0100 и магнитными tg(δµ)<0,0100 потерями, где диэлектрическая проницаемость определяется как ε=ε′·(1+i·tg(δε)), а магнитная проницаемость определяется как µ=µ′·(1+i·tg(δµ)). 5 ил.

Изобретение относится к области авиационной и ракетной техники, преимущественно к разработке и производству радиопрозрачных обтекателей летательных аппаратов. Технический результат - повышение прочности узла соединения керамической оболочки с металлическим шпангоутом при теплопрочностных нагрузках и улучшение технологии изготовления. Узел крепления керамической оболочки антенного обтекателя с металлическим шпангоутом содержит керамическую оболочку и металлический шпангоут, соединенный с керамической оболочкой по сопрягаемым поверхностям слоем эластичного термостойкого адгезива. В шпангоуте выполнены равномерно расположенные по окружности отверстия, плотность распределения которых в осевом направлении для области соединения оболочки со шпангоутом пропорциональна величине распорных усилий, передаваемых от шпангоута к оболочке, при этом радиусы описанных окружностей отверстий выбираются из условия: R≥5H, где R - радиус описанной окружности, Н - толщина адгезив. 3 ил.

Способ по изобретению заключается в создании прочных тонких, механических поддерживающих структур для электромагнитного калориметра. Такими структурами являются ячеистые структуры из пропитанной эпоксидным связующим ткани из углеродного волокна. Техническим результатом, достигаемым при использовании способа по изобретению, является возможность изготовления механической структуры из углеродного волокна с высокой прочностью и точностью по толщине тонких стенок 20 мкм и плоскостности. Технический результат обеспечивается тем, что в отсутствии внешнего давления и автоклавов, для формирования нужных поверхностей и толщины стенок используются внешние формообразующие пластины и бруски сложной формы из высоколегированной стали, собранные в единую конструкцию высокопрочными винтами. Требуемые толщины и точность ячеистой структуры достигаются созданием при изготовлении формообразующих пластин и брусков гарантированных зазоров, задающих толщины стенки готового изделия с точностью 20 мкм, и качеством обработанной поверхности. Для осуществления способа по изобретению используется устройство, которое включает в себя детали формирования высокоточной внутренней и внешней геометрии тонкостенных сотовых структур, а также комплект дополнительных деталей, необходимых для сборки и перемещения устройства, и датчики системы контроля температуры оснастки в процессе изготовления ячеистых структур. Точность размеров изготавливаемых сотовых структур обеспечивается, прежде всего, за счет прецизионного позиционирования этих деталей относительно друг друга во время сборки пресс-формы, а также высокоточной обработки деталей оснастки. Для успешного создания требуемого образца в дальнейшем необходимо выполнить ряд стандартных операций, не относящихся к использованию данного устройства, а именно производится обрезка технологических и конструктивных элементов по краям альвеолы. Результатом создания устройства является возможность изготовления опорных ячеистых структур с толщиной стенки 200 мкм, точностью изготовления каждой ячейки 20 мкм и плоскостностью от 10 мкм. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к области машиностроения, в частности, может быть использовано при изготовлении антенных обтекателей. Способ соединения керамического обтекателя с металлическим корпусом летательного аппарата предполагает выполнение в металлическом шпангоуте продольных сквозных пазов. Пазы выполняются равномерно по окружности, а шпангоут соединяют с керамическим обтекателем по сопрягаемым коническим поверхностям слоем эластичного клея и посредством уплотнительного кольца. При этом перед соединением шпангоут со стороны, противоположной сопрягаемой поверхности, обклеивают полиэтиленовой лентой с липким слоем шириной, превышающей длину продольных пазов на 5-10 мм. Технический результат - повышение прочности и герметичности.
Наверх