Щелевая антенна с поглощающим покрытием, содержащим наноструктурированные проводящие нити из полуметаллов

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в радиолокации, авиации и радиосвязи для уменьшения радиолокационной заметности летательных аппаратов. Предложено устройство, которое представляет собой щелевую антенну, выполненную из отрезка прямоугольного волновода с расположенными в ряд щелями в широкой стенке волновода, на поверхности которой расположена прямоугольная пластина, выполненная из неселективного поглощающего покрытия, представляющего собой полимерную основу, содержащую наноструктурированные проводящие нити из полуметаллов, причем длина и ширина пластины превосходят соответствующие размеры широкой стенки волновода антенны на величину не менее (1/16)λ, где λ - рабочая длина волны щелевой антенны, а толщина пластины не превышает величину (1/8)λ, при этом пластина содержит отверстия, положение и форма которых соответствуют щелям антенны с соблюдением их общего геометрического подобия, с размерами, превосходящими размеры щелей антенны так, чтобы обеспечить выступ краев отверстий пластины за края щелей на величину не более (1/100)λ, и установлена так, чтобы отверстия в пластине и щели в антенне располагались соосно друг напротив друга. Изобретение обеспечивает снижение эффективной площади рассеяния щелевой антенны при сохранении ее излучательных и приемных свойств. 4 ил., 1 табл.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в радиолокации, авиации и радиосвязи. Щелевые антенны отличаются сравнительной простотой конструкции; в них могут отсутствовать выступающие части, что в ряде случаев является их существенным преимуществом (например, при установке на летательных аппаратах). В диапазоне сантиметровых и миллиметровых длин волн применяются многощелевые волноводные и плоские антенны.

Уровень техники

Щелевые антенны являются преимущественно объектами плоской формы и характеризуются высоким значением эффективной площади рассеяния (ЭПР). Поэтому их применение в радиолокаторах летательных аппаратов (ЛА) приводит к существенному увеличению их радиолокационной заметности.

Одним из способов уменьшения ЭПР является снижение коэффициента отражения электромагнитной энергии. Последнее может быть достигнуто применением радиопоглощающих покрытий (РПП), уменьшающих обратное отражение, не ухудшая при этом излучательных характеристик антенн [Лагарьков М.А. и др. Фундаментальные и прикладные проблемы стелс-технологий / Вестник Российской академии наук, 2003, Т. 73, N.9, с. 779-787].

Из уровня техники [Марковский В., Перов К. Советские авиационные ракеты «воздух-земля». - М.: Экспринт, 2006. - 50 с., с. 43-46] известны щелевые антенны, в которых уменьшение ЭПР достигается поворотом антенны на определенный угол относительно направления ее главного лепестка диаграммы направленности, что на некоторое время делает ЛА «слепым».

В настоящее время не существуют щелевые антенны, в которых уменьшение ЭПР достигалось бы за счет применения поглощающих покрытий, так как не известны поглощающие материалы, которые не нарушали бы работу щелевых антенн [Справочник по радиолокации. В 2-х книгах. Т.2 / под ред. Скольник М.И. - М.: Техносфера, 2015. - 1352 с., с. 712].

Из уровня техники известны РПП [Лагарьков М.А. и др. Фундаментальные и прикладные проблемы стелс-технологий / Вестник Российской академии наук, 2003, Т. 73, N.9, с. 779-787; Иванова В.И. и др. Разработка широкополосного радиопоглощающего покрытия с высокими эксплуатационными свойствами / Журнал радиоэлектроники, 2016, N.7, с. 1684-1719].

Так, РПП [Иванова В.И. и др. Разработка широкополосного радиопоглощающего покрытия с высокими эксплуатационными свойствами / Журнал радиоэлектроники, 2016, N.7, с. 1684-1719] известно РПП, представляющее собой многослойный композиционный материал на основе полимерного связующего, наполненного мелкодисперсными порошками модифицированного железа (иногда - с добавлением ферритовых порошков).

Такие РПП не могут быть использованы для покрытия щелевых антенн, так как излучение щелей антенн носит магнито-дипольный характер, что при использовании ферромагнитных наполнителей будет приводить к шунтированию излучающих диполей. По этой причине антенна останется неработоспособной, даже если в РПП прорезать щели. Таким образом, для покрытия щелевых антенн необходимо применять РПП, не содержащее ферромагнитных включений.

Для уменьшения ЭПР предлагается использовать неселективное поглощающее покрытие (НПП), содержащее наноструктурированные проводящие нити из полуметаллов, как элемент конструкции, согласованный с геометрическими параметрами антенны [Сигов А.С.и др. Поглощение электромагнитного излучения металлическими наноструктурами / Нано- и микросистемная техника, 2008, N.11, с. 2-4; Шиляев А.А. и др. Протяженные металлические наноструктуры в диэлектрической матрице как универсальные поглотители электромагнитного излучения / Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения, 2009, Т.9, N.2, с. 12-16].

В качестве прототипа выбрана волноводно-щелевая антенна [Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны /учебник для студентов радиотехнических специальностей вузов, 2-е издание. - М.: Энергия, 1975. - 528 с., с. 358], представляющая собой решетку из многих излучающих щелей, питаемых общим волноводом.

Основным недостатком прототипа является повышенная ЭПР.

Раскрытие сущности изобретения

Технический результат предлагаемой конструкции состоит в существенном снижении ЭПР щелевой антенны при сохранении ее излучательных и приемных свойств.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве, которое представляет собой щелевую антенну, выполненную из отрезка прямоугольного волновода, в широкой стенке которого расположены в ряд отверстия (щели), служащие для излучения или приема электромагнитных волн, в соответствии с настоящим изобретением, поверхность широкой стенки волновода покрыта неселективным поглощающим покрытием (НПП), представляющим собой полимерную основу, содержащую наноструктурированные проводящие нити из полуметаллов [Сигов А.С. и др. Поглощение электромагнитного излучения металлическими наноструктурами / Нано- и микросистемная техника, 2008, N.11, с. 2-4; Шиляев А.А. и др. Протяженные металлические наноструктуры в диэлектрической матрице как универсальные поглотители электромагнитного излучения / Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения, 2009, Т. 9, N.2, с. 12-16].

Для покрытия щелевой антенны используется прямоугольная пластина из НПП, длина и ширина которой превосходят соответствующие размеры широкой стенки волновода антенны на величину не менее (1/16)λ, где λ - рабочая длина волны щелевой антенны. Выступ пластины за габариты антенны позволяет избежать переотражения, связанного с краевыми эффектами.

В пластине НПП предварительно вырезаны отверстия, положение и форма которых соответствуют щелям антенны с соблюдением их общего геометрического подобия. Размеры отверстий пластины НПП превосходят размеры щелей антенны так, чтобы обеспечить выступ краев отверстий пластины за края щелей на величину не более (1/100)λ. Толщина пластины НПП не превышает величину (1/8)λ.

Пластина НПП закрепляется на антенне таким образом, чтобы отверстия пластины располагались соосно напротив щелей антенны. Части антенны, не содержащие излучательных щелей (например, соединительный фланец антенны), также покрываются НПП.

Экспериментально показано, что в предлагаемом устройстве за счет нанесения НПП на плоскость щелевой антенны при выбранных параметрах покрытия не происходит ухудшения излучательных свойств антенны при одновременном снижении ее ЭПР.

Так как НПП не содержит ферромагнитных включений, то шунтирования излучающих магнитных диполей не происходит.

Наличие в НПП проводящих нитей из полуметаллов, которые являются сильными диамагнетиками, препятствует проникновению магнитного поля от излучающих щелей внутрь НПП, что приводит к существенному снижению поглощения излучения от антенны поглотителем.

Краткое описание чертежей

Изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами.

На фиг. 1 показана конструкция предлагаемого устройства, где: / - щелевая антенна;

2 - пластина НПП;

3 - соединительный фланец;

4 - пластина НПП дополнительная.

На фиг. 2 и фиг. 3 представлены сечения диаграмм направленности (ДН) излучения щелевой антенны в ближней и дальней зоне, соответственно, где: пунктирная линия - сечение ДН антенны без покрытия НПП; сплошная линия - сечение ДН антенны с покрытием НПП.

На фиг. 4 представлено сечение ДН излучения щелевой антенны без покрытия НПП, полученное расчетным способом.

Осуществление изобретения

Устройство приведено на фиг. 1 и представляет собой щелевую антенну 7, выполненную из отрезка прямоугольного волновода с щелями в широкой стенке волновода, расположенными в ряд, покрытую пластиной НПП 2 с предварительно вырезанными отверстиями, положение и форма которых соответствуют щелям антенны. Пластина НПП закреплена на антенне таким образом, что отверстия пластины располагаются соосно щелям антенны.

Габаритные размеры пластины НПП по длине и ширине увеличены на 2 мм по сравнению с размерами антенны, то есть на величину порядка (1/16)λ, при λ=3,2 см.

Отступ краев отверстий пластины НПП от краев щелей антенны не превышает 0,3 мм, то есть (1/100)λ.

Антенна содержит соединительный фланец 3 для присоединения к СВЧ генератору, на выступающих частях которого закреплены дополнительные пластины НПП 4.

Устройство работает следующим образом.

СВЧ энергия поступает через соединительный фланец в антенну и далее излучается в пространство без искажений, благодаря отсутствию шунтирования излучающих щелей (магнитных диполей) покрытием НПП, содержащим поглощающие элементы в виде протяженных наноструктурированных нитей из полуметаллов, не имея при этом в своем составе ферромагнитных включений.

Проводящие нити из полуметаллов, являясь сильными диамагнетиками, препятствуют проникновению магнитного поля от излучающих щелей внутрь НПП.

При проверке работы устройства измерялись ДН излучения в ближней и дальней зонах, по которым определялись параметры, характеризующие излучательные свойства антенны.

Снятие ДН проводилось методом измерения в ближней и дальней зонах. На фиг. 2 и фиг. 3 приведены сечения ДН антенны для центральной (рабочей) частоты 9,3 ГГц, полученные при измерениях в ближней и дальней зонах, соответственно (пунктирная линия соответствует сечению ДН антенны без покрытия НПП, сплошная - с покрытием НПП).

На фиг. 4 приведена ДН для антенны без покрытия, полученная расчетным способом в программе CSTMWS.

Из фиг. 2 и фиг. 3 видно, что форма сечений ДН практически одинакова для обоих случаев и хорошо совпадает с результатами расчетов.

В таблице 1 приведены значения основных параметров антенны с покрытием НПП и без него.

Измерение коэффициента отражения R при нормальном падении потока излучения на поверхность антенны, покрытую НПП, показало высокую эффективность поглощения. Измерения проводились на частотах от 8,5 ГГц до 12,5 ГГц. При этом величина R составила величину от -20 дБ до -23дБ.

Устройство, представляющее собой щелевую антенну, выполненную из отрезка прямоугольного волновода с щелями в широкой стенке волновода, расположенными в ряд, отличающееся наличием на поверхности широкой стенки волновода прямоугольной пластины, выполненной из неселективного поглощающего покрытия, представляющего собой полимерную основу, содержащую наноструктурированные проводящие нити из полуметаллов, причем длина и ширина пластины превосходят соответствующие размеры широкой стенки волновода антенны на величину не менее (1/16)λ, где λ - рабочая длина волны щелевой антенны, а толщина пластины не превышает величину (1/8)λ, при этом пластина содержит отверстия, положение и форма которых соответствуют щелям антенны с соблюдением их общего геометрического подобия, с размерами, превосходящими размеры щелей антенны так, чтобы обеспечить выступ краев отверстий пластины за края щелей на величину не более (1/100)λ, и установлена так, чтобы отверстия в пластине и щели в антенне располагались соосно друг напротив друга.