Радиопрозрачный обтекатель

Изобретение относится к антенной технике, в частности к радиопрозрачным обтекателям антенных устройств. Техническим результатом является улучшение радиотехнических характеристик обтекателя с однослойной конструкцией стенки в широком диапазоне значений угла падения радиоволн на стенку обтекателя, который достигается тем, что в радиопрозрачном обтекателе, выполненном с однослойной конструкцией стенки криволинейной формы из диэлектрического материала, оптимальная толщина d стенки обтекателя, предназначенного для работы в широком диапазоне значений угла падения ϑ в различных зонах обтекателя от минимального значения ϑ_мин до максимального значения ϑ_макс, рассчитывается по уравнению:

где n=1, 2, … - целое число, порядок полуволновой стенки; λ - длина радиоволны в свободном пространстве (воздухе); ε - диэлектрическая проницаемость материала; r_мин и r_макс - коэффициенты Френеля. 2 ил., 1 табл.

 

Область техники

Изобретение относится к радиопрозрачным обтекателям антенных устройств и может быть использовано в области преимущественно авиационной и ракетной техники, применительно к конструкциям антенных обтекателей с радиопрозрачными оболочками.

Уровень техники

Известен антенный обтекатель (патент РФ №2697516, класс H01Q 1/42, опубл. 2019), включающий однослойную конусообразную оболочку, изготовленную из стеклопластика с диэлектрической проницаемостью 3,2-4,2. Размер стенки базируется на среднем значении угла падения радиоволн на стенку обтекателя.

Недостатком данного решения является то обстоятельство, что для оптимизации стенки используется среднее значение угла падения ϑ_cp и соответствующая толщина стенки, которая недостаточно точно определяет оптимальную толщину стенки, обеспечивающую наилучшие радиотехнические характеристики обтекателя во всем рабочем диапазоне значений угла падения от минимального значения ϑ_мин до максимального значения ϑ_макс.

Известно (Обтекатели антенн. Под ред. А.Н. Шпунтова, М.: Советское радио, 1950. 264 с), что наилучшие условия прохождения радиоволн через стенку обтекателя, наилучшие радиотехнические характеристики системы «антенна-обтекатель» наблюдаются для полуволновых стенок в результате электродинамического согласования параметров падающей радиоволны и характеристик стенки обтекателя. Для таких стенок справедлива формула для электрической толщины стенки ϕ:

где d-толщина стенки; λ - длина радиоволны в свободном пространстве (воздухе); ε -диэлектрическая проницаемость материала.

Для полуволновых стенок в случае использования идеального диэлектрика в качестве материала обтекателя (тангенс угла диэлектрических потерь tg δ=0) потери и отражение электромагнитной энергии радиоволн равны 0, что обеспечивает наилучшие радиотехнические характеристики обтекателя. Для реальных материалов (тангенс угла диэлектрических потерь tg δ>0) потери и отражение электромагнитной энергии радиоволн несколько возрастают в связи с тепловыми потерями в материале стенки и невозможностью, в этом случае, полного подавления отражения.

Переменный угол падения радиоволн на стенку обтекателя в разных его зонах требует, согласно формуле (1), соответствующего изменения толщины стенки. Однако это крайне затруднительно на практике и даже невозможно в случае сканирующих антенных устройств, поскольку для случая сканирования одна и та же зона обтекателя подвергается облучению под разными углами.

В такой ситуации происходит рассогласование электродинамических характеристик обтекателя и параметров стенки в различных локальных зонах, что может приводить к ухудшению радиотехнических характеристик реальных систем «антенна-обтекатель».

В связи с неизбежностью ухудшения радиотехнических характеристик обтекателя, работающего в широком диапазоне углов падения, является актуальной разработка технических предложений, обеспечивающих минимальное ухудшение его радиотехнических характеристик.

Известны радиопрозрачные обтекатели с однослойной конструкцией стенки, предназначенные для работы при переменных углах падения радиоволн на стенку обтекателя (патент РФ 2647563, кл. H01Q 1/42, 2006; патент РФ №2653185 кл. H01Q 1/42, 2006; патент РФ №2697516, кл. H01Q 1/42, 2006).

Оптимизация структур и размеров стенки в известных решениях базируется на среднем значении угла падения радиоволн на стенку обтекателя ϑ_ср между минимальным ϑ_мин и максимальным ϑ_макс значениями. Недостатком известных решений является то обстоятельство, что для оптимизации стенки используется среднее значение угла падения ϑ_ср и соответствующая толщина стенки (по уравнению (1)), которая недостаточно точно определяет оптимальную толщину стенки, обеспечивающую наилучшие радиотехнические характеристики обтекателя во всем рабочем диапазоне значений угла падения от минимального значения ϑ_мин до максимального значения ϑ_макс.

Наиболее близким техническим решением является обтекатель антенн (В.А. Каплун. Обтекатели антенн СВЧ. М.: Советское радио, 1974. 240 с.), содержащий стенку в форме колпака из диэлектрического материала, снабженный узлом крепления к летательному аппарату, с диэлектрической стекой, соответствующей полуволновой электрической толщине на рабочей частоте. Структура стенки обтекателя состоит из одного или нескольких слоев материала с известными частотно- независимыми значениями диэлектрической проницаемости в рабочей полосе частот. Геометрическая толщина стенки подбирается эквивалентной полуволновой электрической толщине на средней по диапазону частоте. Толщина стенки из диэлектрического материала рассчитывается по уравнению

К недостаткам данного технического решения следует отнести невозможность прямого использования формулы (2) для расчета оптимальной толщины стенки, обеспечивающей наилучшие радиотехнические показатели для переменных углов падения. Использование в формуле (2) среднего значения угла падения ϑ не является в достаточной мере точным результатом.

Техническим результатом предполагаемого изобретения является улучшение радиотехнических характеристик обтекателя с однослойной конструкцией стенки в широком диапазоне значений угла падения радиоволн на стенку обтекателя.

Технический результат предполагаемого изобретения достигается за счет того, что в радиопрозрачном обтекателе, выполненном с однослойной конструкцией стенки криволинейной формы из диэлектрического материала, оптимальная толщина d стенки обтекателя, предназначенного для работы в широком диапазоне значений угла падения ϑ в различных зонах обтекателя от минимального значения ϑ_мин до максимального значения ϑ_макс, рассчитывается по уравнению:

где n=1, 2 … - целое число, порядок полуволной стенки; λ - длина радиоволны в свободном пространстве (воздухе); ε - диэлектрическая проницаемость материала; r_мин и r_макс коэффициенты Френеля;

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изменение значений угла падения обусловлено как криволинейной формой обтекателя, так и конструкцией антенны, условиями сканирования.

Угол падения радиоволн на стенку обтекателя определяется как угол между направлением распространения радиоволны 1 (фиг. 1, 2), излучаемых антенной 2 (фиг. 1, 2), и нормалью 3 к поверхности обтекателя (фиг. 1, 2) в точке пересечения радиоволны со стенкой радиопрозрачного обтекателя 4 (фиг. 1, 2).

Значения угла падения в современных радиоэлектронных системах варьируются в довольно широких пределах. Особенно сложные условия прохождения радиоволн характерны для радиопрозрачных обтекателей летательной техники, поскольку к таким обтекателям, кроме радиотехнических, предъявляются также требования по аэродинамическому обтеканию. Так, например, для высокоскоростных самолетов используются остроконечные носовые обтекатели, с формой, близкой к конической, в которых угол при вершине в ряде случаев составляет 30 - 40°. Угол падения радиоволн на стенку в таких носовых обтекателях достигает 70 - 75°.

Одним из важнейших показателей обтекателя, характеризующих его совершенство, является такой показатель как потери электромагнитной энергии (ЭМЭ) при прохождении радиоволн через стенку обтекателя. Низкие значения потерь ЭМЭ способствуют повышению дальности радиолокации, надежности связи, наименьшему искажению диаграммы направленности антенн.

Отражение ЭМЭ также является весьма важной характеристикой обтекателя, поскольку низкие значения отражения обеспечивают пониженные потери ЭМЭ, снижение радиотехнической заметности радиоэлектронного антенного оборудования, уменьшение уровня внутренних переотражений радиоволн в системе «антенна - обтекатель», оказывающих негативное влияние на электрические параметры системы.

Авторами данного изобретения проведены расчетные эксперименты, которые позволили установить, что использование данного изобретения ведет к значительному улучшению радиотехнических характеристик обтекателя - таблица 1. Приведенные иллюстративные расчеты выполнены для следующих условий: частота радиоволны f=10 ГГц, диэлектрическая проницаемость материала обтекателя ε=4,5, тангенс угла диэлектрических потерь tg δ=0,015. Рассмотрен случай перпендикулярной ориентации плоскости поляризации радиоволн к плоскости падения.

Анализ приведенных данных показывает безусловные преимущества обтекателя, выполненного по изобретению, по сравнению с обтекателем, изготовленным по прототипу по таким характеристикам как потери ЭМЭ, отражение ЭМЭ, искажение фазового фронта радиоволн после прохождения через стенку обтекателя.

В подавляющем числе случаев радиопрозрачные обтекатели изготавливают в виде трехмерных оболочек. В этих случаях угол падения радиоволн на стенку обтекателя является переменным даже для наиболее простых систем, включающих неподвижные, не сканирующие антенны - фиг. 1.

Схема прохождения радиолучей через криволинейную стенку радиопрозрачного обтекателя:

1. радиоволна;

2. антенна;

3. нормаль к поверхности обтекателя;

4. фрагмент стенки радиопрозрачного обтекателя.

В случае использования сканирующих, поворотных антенн, антенн типа ФАР углы падения являются переменными и в случае плоских форм обтекателя при разных углах электронного сканирования - фиг. 2.

Схема прохождения через плоскую стенку обтекателя радиоволн, излучаемых антенной типа ФАР:

1. радиоволна;

2. антенна;

3. нормаль к поверхности обтекателя;

4. фрагмент стенки радиопрозрачного обтекателя.

Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает преимущество перед известными способами.

Радиопрозрачный обтекатель, выполненный с однослойной конструкцией стенки криволинейной формы из диэлектрического материала, отличающийся тем, что оптимальная толщина d стенки обтекателя, предназначенного для работы в широком диапазоне значений угла падения ϑ в различных зонах обтекателя от минимального значения ϑ_мин до максимального значения ϑ_макс, рассчитывается по уравнению:

где n=1, 2, … - целое число, порядок полуволновой стенки; λ - длина радиоволны в свободном пространстве (воздухе); ε - диэлектрическая проницаемость материала; r_мин и r_макс - коэффициенты Френеля;