АНТЕННОЕ УКРЫТИЕ Российский патент 1997 года по МПК H01Q1/42 

Устройство относится к радиотехнике СВЧ и предназначено для укрытия антенных систем радиоэлектронных средств (РЭС) от неблагоприятного воздействия внешней среды, а также повышения скрытности и помехозащищенности РЭС.

Известны антенные укрытия различной формы, предохраняющие антенные системы РЭС от воздействия неблагоприятных факторов [1-8]
Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству (прототипом) является антенное укрытие, описанное в заявке Японии 2-301201, кл. H 01 Q 1/42.

Недостатком данного антенного укрытия является отсутствие экранирования от внешних помех и от собственного бокового излучения под большими углами места, а также полное отсутствие экранирования с боковых и заднего направлений в азимутальной плоскости.

Целью данного изобретения является введение пространственной селекции сигналов для антенн РЭС с механическим сканированием диаграммы направленности в азимутальной плоскости и уменьшение уровня бокового излучения системы "антенна-укрытие", то есть, создание бегущего "радиопрозрачного окна" в верхней секции антенного укрытия с апертурой равной апертуре укрываемой антенны в том направлении, куда в данный момент времени направлен главный луч диаграммы направленности антенны.

Поставленная цель достигается выполнением всей нижней секции и верхней части верхней секции укрытия из радиопоглощающего материала, а также введением в остальную часть верхней секции перфорированного металлического слоя с отверстиями уголковой формы, внутри каждого из которых установлены встречно включенные pin-диоды, все диоды соединены в столбцы, каждый из которых через соответствующий электронный коммутатор связан с источником смещения диодов.

Отличие предлагаемого антенного укрытия от известного заключается во введении новых элементов радиопоглощающего материала на нижней секции и верхней части верхней секции выше верхней кромки апертуры укрываемой антенны, а также перфорированного металлического слоя с отверстиями уголковой формы, включающими в себя pin-диоды. Скоммутированные по определенному правилу.

Указанное отличие обеспечивает достижение положительного эффекта - возможность пространственной селекции сигналов и уменьшение уровня боковых лепестков, что улучшает электромагнитную обстановку (совместимость) нескольких РЭС, расположенных на определенной территории, уменьшает радиозаметность укрываемого изделия и повышает его помехозащищенность, а также способствует повышению механической прочности укрытия.

Конструкция и принцип действия предлагаемого антенного укрытия поясняются пятью рисунками графического материала.

На фиг. 1 изображена конструкция предлагаемого антенного укрытия, вместе с укрываемой зеркальной антенной. На фиг. 2 показан возможный вариант части перфорированного металлического слоя с коммутирующим устройством. Рисунки, изображенные на фиг. 3, дают возможные конфигурации отверстий в перфорированном металлическом слое. На фиг. 4 приведена структурная схема электронного коммутатора, а на фиг. 5 даны эпюры, иллюстрирующие его работу.

Антенное укрытие содержит (фиг. 1) две секции: нижнюю 1 и верхнюю 2. Секция 1 имеет форму полого цилиндра высотой, равной высоте нижней кромки апертуры антенны укрываемой РЭС и выполняется из радиопоглощающего материала. Секция 2 укрытия по форме близка к сферической, причем часть 3 секции 2 укрытия выше верхней кромки апертуры антенны укрываемой РЭС выполняется из радиопоглощающего материала аналогично секции 1. В оставшуюся часть 4 секции 2, которая выполнена из диэлектрика, внутри вводится перфорированный металлический слой (фиг. 1, 2) 5 с отверстиями (щелями) уголковой или иной формы 6 (фиг. 2, 3), внутри каждого из которых установлены 2m пар встречно включенных pin-диодов 7, все диоды соединены в столбцы 8, каждый из которых через соответствующий электронный коммутатор 9 связан с источником смещения диодов 10, причем расстояния между столбцами равны 0,15λ, а расстояния между отверстиями в каждом столбце 0,1λ, где m число пар pin-диодов в каждой стороне отверстия уголковой формы, l длина электромагнитной волны.

В состав электронного коммутатора 9 одного вертикального ряда входят, кроме источника питания 10, последовательно соединенные (фиг. 4) электронный преобразователь 11, устройство сравнения 12, реле времени 13. Электронный преобразователь 11 каждого ряда расположен на уровне верхней кромки антенны укрываемой РЭС и включает в себя согласованное нагрузочное сопротивление и детекторную головку, присоединенную к некоторой части нагрузочного сопротивления (делителю).

В целом секция 2 выполняется таким образом, чтобы центр симметрии секции находился на высоте нижней кромки апертуры антенны укрываемой РЭС.

Принцип действия укрытия заключается в следующем. В отличии от укрытия прототипа, которое практически беспрепятственно, за исключением нижней секции, пропускает ЭМЭ, излучаемую (принимаемую) зеркальной антенной, во всех направлениях и служит в основном для защиты антенны от неблагоприятных факторов внешней среды, в предлагаемом укрытии наряду с сохранением его защитных свойств обеспечивается пространственная селекция сигналов в угломестной и азимутальной плоскостях для антенны РЭС с механическим сканированием диаграммы направленности (ДН) в азимутальной плоскости и уменьшение уровня бокового излучения системы "антенна-укрытие".

Селекция сигналов и уменьшение уровня боковых лепестков в угломестной плоскости осуществляется благодаря выполнению секции 1 (фиг. 1) и части 3 секции 2 из радиопоглощающего материала, которые рассеивают энергию бокового излучения антенны вертикальной плоскости и энергию помеховых для РЭС сигналов, поступающих под большими и малыми углами места. Для предотвращения отражения падающей на укрытие энергии обратно в направлении излучающей антенны предусматривается небольшой наклон стенки внутрь укрытия на уровне апертуры антенны укрываемой РЭС. Это обеспечивается расположением центра симметрии сферической секции 2 на высоте нижней кромки антенны. Пространственная селекция сигналов в азимутальной плоскости осуществляется путем формирования в части 4 секции 2 "бегущего радиопрозрачного окна" апертура которого, совпадающая с плоским раскрывом укрываемой зеркальной антенны синхронно перемещается с главным лучом ее ДН. То есть, предлагаемое укрытие является радиопрозрачным только в том направлении, на которое направлен в данный момент времени главный лепесток ДН укрываемой антенны, а во всех других направлениях укрытие является непрозрачным и тем самым отсекается излучение и прием сигналов азимутальными боковыми лепестками антенны укрываемой РЭС. Схемотехническая реализация идеи "бегущего радиопрозрачного окна" в предлагаемом укрытии осуществляется путем конструктивных решений, обеспечивающих управляемую радиопрозрачность в ключевом режиме части 4 (фиг. 1) секции 2 укрытия. Причем радиопрозрачной эта часть укрытия становится только в том случае, когда уровень сигнала, излучаемого укрываемой антенной, превышает некоторый порог, определяемый уровнем ее боковых лепестков в азимутальной плоскости, то есть та часть энергии сигнала, которая формирует в дальней зоне главный лепесток, и обеспечивает себя прозрачность укрытия в направлении главного луча РЭС.

Конструктивно и схемотехнически управляемая радиопрозрачная часть 4 (фиг. 1, 2) укрытия реализуется с помощью pin-диодов 7, установленных в щелях 6 перфорированного металлического слоя 5, которые, как известно [9] успешно применяются в ключевом режиме. Для удобства управления состоянием pin-диодов 7 (фиг. 2) и меньшего искажения главного луча ДН они вместе со щелями 6 объединены в столбцы 8 и то или иное напряжение смещения от источника 10 поступает через электронный коммутатор 9 сразу на весь столбец.

В исходном положении, до включения передатчика РЭС (момент времени t₁ на фиг. 5) падающая на входы всех электронных преобразователей 11 мощность равна нулю. Соответственно сигнал на входе устройства сравнения каждого ряда меньше выбранного порогового напряжения и на выходе реле времени каждого ряда будет напряжение U₁, которое с учетом СВЧ эквивалентной схемы щели с pin-диодом [9] шунтирует (закрывает) щели 6 в перфорированном металлическом слое 5 и укрытие становится непрозрачным во всех направлениях в СВЧ-диапазоне.

После включения передатчика РЭС часть мощности зондирующего сигнала, излучаемого антенной РЭС, попадает на входы электронных преобразователей. Напряжение СВЧ импульсов на выходе преобразователя 11, пропорциональное подводимой импульсной (пиковой) мощности, детектируется (фиг. 5б) и подается на устройство сравнения 12 с пороговым напряжением. Как указывалось, пороговое напряжение выбирается такой величины, чтобы обеспечить срабатывание устройства сравнения 12 и его переключение в момент времени, соответствующий нахождению данного вертикального ряда переизлучающих щелевых элементов (ПЩЭ) на краю бегущего "радиопрозрачного окна", совпадающего с апертурой укрываемой РЭС. С выхода устройства сравнения 12 (фиг. 5в) сигнал поступает на вход реле времени 13, вырабатывающего одиночный импульс прямоугольной формы с длительностью, равной (фиг. 5г):
(1)
где L_г горизонтальный размер бегущего "радиопрозрачного окна", м;
R радиус антенного укрытия, м;
n количество оборотов антенной системы укрываемой РЭС в минуту, об/мин.

После реле времени 13 сигнал подается непосредственно на встречно включенные пары pin-диодов 7, расположенных внутри щелей 6 (фиг. 2). Одни выводы pin-диодов (аноды или катоды в зависимости от способа подключения диодов) прикрепляются к перфорированному металлическому слою, а другие (соответственно катоды или аноды диодов) к реле времени. Таким образом, вырабатываемый реле времени 13 прямоугольный импульс с амплитудой U₂ (фиг. 5г) поступает на pin-диоды 7 и, с учетом СВЧ эквивалентной схемы щели с диодами [9] открывает щели 6 данного ряда 8 для прохождения через них энергии, излучаемой антенной РЭС, на период времени в течении которого, при вращении антенны РЭС, данный ряд щелей будет находиться в направлении главного луча ДН антенны. Полярность импульса, вырабатываемого реле времени 13, определяется способом подключения диодов, а длительность, как видно из (1), зависит в основном, при определенных размерах укрытия и антенны РЭС, от количества оборотов n антенны укрываемой РЭС. В остальное время на pin-диоды данного ряда подается, как отмечалось, напряжение U₁ другой полярности, которое с учетом СВЧ эквивалентной схемы щели с диодами [9] шунтирует (закрывает) щели 6 в перфорированном слое 5 для прохождения через них электромагнитной энергии и укрытие становится непрозрачным, так как щели будут нерезонансными для ЭМВ, падающей на стенку укрытия и уровень ЭМЭ, проходящей через укрытие, существенно снижается. Известно [10] что при укорочении щелей на фиксированной частоте излучаемая мощность падает (в децибелах) линейно, доходя до 10% при укорочении в 1,5 раза. В данном случае укорочение происходит в 2 раза, т.о. проходящая через укрытие электромагнитная энергия составляет доли процента от падающей на укрытие энергии. При необходимости дальнейшего уменьшения уровня проходящей мощности следует в каждую щель 6 вводить (при использовании отверстий уголковой формы) не одну, а 2, 3 и т.д. (в общем случае 2m) пары pin-диодов, что приведет к укорочению щелей. Здесь m число пар встречно включенных pin-диодов в одной ножке щели. Аналогичное строение имеют электронные коммутаторы остальных вертикальных рядов переизлучающих щелей.

Таким образом, при вращении антенны происходит перемещение главного луча в азимутальной плоскости, что приводит к открытию одного за другим столбцов в направлении вращения и соответственно к закрытию такого же количества столбцов с противоположной стороны раскрыва "бегущего окна" с апертурой равной апертуре укрываемой антенны в том направлении, куда в данный момент направлен главный луч ДН антенны.

Принцип действия укрытия, изложенный выше, рассматривался применительно к щелям уголковой формы (фиг. 2). Но данная форма переизлучающих элементов не является единственно возможной. На фиг. 3 приведены некоторые другие возможные варианты щелей, соответственно прямоугольная, овальная, гантелеобразная, крестообразная и трипольная. Недостатком щелей, представленных на фиг. 3а-в, является их линейная поляризация, то есть их использование становится неприемлемым при использовании электромагнитной волны (ЭМВ) с другой линейной или круговой поляризацией. Частота, резонансная для падающих ЭВМ, определяется в основном длиной щели, которая выбирается равной половине длины падающей волны. Форма и ширина щели влияют в основном на величину полосы пропускания. Крестообразное отверстие, изображенное на фиг. 3г, представляет собой два взаимно перпендикулярных щелевых излучателя. Достоинством такой конфигурации является то, что металлическая панель, перфорированная такими щелями может пропускать ЭВМ с любой поляризацией, как и трипольная щель, показанная на фиг. 3д.

К недостаткам щелей, изображенных на фиг. 3г и д, следует отнести невысокую плотность размещения щелей на металлической поверхности, что снижает коэффициент прохождения через нее электромагнитной волны.

При выборе вида перфорации слоя 5 секции 2 более предпочтительным представляется применение переизлучающего щелевого элемента уголковой формы. В этом случае слой 5 будет включать в себя множество щелей уголковой формы. Высокая плотность элементов достигается их размещением в ряды и выполнением их в искривленной (уголковой) форме (фиг. 2). Нет необходимости размещать щели на расстоянии λ_ф друг от друга, как в щелевых антеннах (здесь λ_ф расстояние между точками с одинаковой фазой составляющих вектора электромагнитного поля), т. к. на поверхность антенного укрытия падает синфазный фронт волны. Для достижения более высокого значения коэффициента прохождения через структуру требуется возможно большая плотность ПЩЭ, что и обеспечивает предлагаемая форма щелей. Другим достоинством такой структуры является то, что она пропускает ЭМВ с любой поляризацией.

Форма щелей ("уголок") выбирается так, чтобы угол между смежными ножками составлял 90^o или меньше. Каждая ножка функционально соответствует диполю, его размеры такие, чтобы обеспечивалась требуемая резонансная частота. Угол между ножками определяет поляризационные характеристики укрытия. Вообще, по мере приближения ножек к перпендикулярной ориентации поляризационные эффекты становятся менее заметными. Экспериментально установлено, что оптимальными являются следующие размеры перфорации (фиг. 2): длина ножек a=0,5λ; ширина щели b=(0,3÷0,05)λ;; угол между ножками Φ = 90^°;; расстояние между щелями в столбце c=0,1λ;; расстояние между столбцами d=0,15λ.. Здесь λ длина волны, падающей на укрытие.

Очевидно, что имеется принципиальная возможность, меняя опорное напряжение на устройстве сравнения и длительность импульсов выдержки времени на реле времени, менять в определенных границах горизонтальные размеры апертуры бегущего "радиопрозрачного окна", управляя в какой-то степени такими характеристиками системы "антенна-укрытие", как ширина ДН и уровень боковых лепестков.

Возможность технической реализации предлагаемого антенного укрытия сомнений не вызывает. В качестве преобразователей можно использовать разработанные и выпускаемые промышленностью преобразователи СВЧ-мощности, активно используемые в измерительных приборах различных типов [11, 12] Реле времени строится на основе обычного мультивибратора, например, на базе прецизионного триггера Шмитта. Для перекрытия щелей используются серийно выпускаемые управляющие pin-диоды, например, приведенные в [9]
В целом использование предлагаемого антенного укрытия приводит к положительному эффекту, который заключается в ослаблении излучения в пределах сектора, занимаемого боковыми лепестками, что позволяет улучшить характеристики помехозащищенности, ЭМС, пространственной селекции сигналов РЭС при сохранении высокой механической прочности укрытия.

Источники информации
1. Патент Канады N 1262571, кл. H 01 Q 1/42.

2. Заявка ФРГ N 3615645, кл. H 01 Q 1/00.

3. Заявка ФРГ N 3430657, кл H 01 Q 1/42.

4. Заявка Великобритании N 2215137, кл. H 01 Q 1/42.

5. Заявка Японии N 60-105301, кл. H 01 Q 1/02.

6. Заявка Японии N 60-136505, кл. H 01 Q 1/42.

7. А.С. ЧССР NN 246479, 247237, 252058, 269376, кл. H 01 Q 1/42.

8. А.С. ЧССР N 262706, кл. H 01 Q 3/44.

9. В. Т. Царенко, В.В. Имшенецкий, М.М. Борисов. Автоматические устройства СВЧ.-К. "Техника", 1983.

10. Я. Н. Фельд, А.С. Бененсон. Антенно-фидерные устройства. В 2-х частях. Издание ВВИА, 1959, с.316.

11. М.И.Билько, А.К.Томашеский. Измерение мощности на СВЧ. -М. "Радио и связь", 1986.

12. Справочник по радиоизмерительным приборам в 3-х т. Т.2: Измерение частоты, времени и мощности. Измерительные генераторы. /Под ред. В.С. Насонова. -М. Сов. радио, 1978.

Антенное укрытие (АУ) относится к радиотехнике СВЧ и предназначено для защиты зеркальных антенных систем РЭС от неблагоприятного воздействия внешней среды. АУ выполненное из двух секций, нижняя секция 1, имеющая форму полого цилиндра, и часть 3 верхней секции 2 укрытия, по форме близкой к сферической, выше верхней кромки апертуры укрываемой антенны выполнена из радиопоглощающего материала, а оставшаяся часть 4 верхней секции 2 выполнена из диэлектрика, на внутренней стороне которого размещен металлический слой 5 с отверстиями уголковой формы, внутри которых установлены встречно включенные p-i-n-диоды. Использование предлагаемого АУ наряду с защитой антенны от внешних неблагоприятных факторов обеспечивает улучшение характеристики помехозащищенности, электромагнитной совместимости и пространственной селекции сигналов РЭС. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Антенное укрытие, состоящее из нижней секции, имеющей форму цилиндра и покрытой радиопоглощающим материалом, и верхней секции, имеющей форму, близкую к сферической, отличающееся тем, что верхняя часть верхней секции укрытия выполнена из радиопоглощающего материала, а остальная ее часть из диэлектрика, на внутренней стороне которого размещен перфорированный металлический слой с отверстиями уголковой формы, внутри каждого из которых установлены 2m пар встречно включенных рin-диодов, все диоды соединены в столбцы, каждый из которых через соответствующий электронный коммутатор связан с источником смещения, причем расстояния между столбцами равны 0,15λ, а расстояния между отверстиями в каждом столбце 0,1l, где m число нар рin-диодов в каждой стороне отверстия уголковой формы, а l длина электромагнитной волны. 2. Укрытие по п. 1, отличающееся тем, что электронный коммутатор состоит из последовательно соединенных электронного СВЧ-преобразователя, устройства сравнения и реле времени.