АНТЕННЫЙ ОБТЕКАТЕЛЬ ГОЛОВКИ САМОНАВЕДЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК H01Q1/42 

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для головок самонаведения (ГСН), работающих преимущественно в миллиметровых диапазонах волн (Ки, К, Ка и др.).

Известен антенный обтекатель ГСН с применением керамического материала марки Pyroceram 9606 [1].

Недостатком данного обтекателя является ограничение по прочности в его применении для миллиметровых диапазонов волн. Полуволновая стенка, электрическая толщина Φ которой равна π радиан, имеет физическую толщину в 8 миллиметровом диапазоне волн t = 1,85 мм, в 3 миллиметровом диапазоне волн - 0,7 мм при необходимой толщине 4 - 7 мм. При электрической толщине Φ = 3π-5π радиотехнические характеристики неудовлетворительны.

Известен антенный обтекатель, содержащий стенку, выполненную в виде слоя термостойкого диэлектрика с диэлектрической проницаемостью ε₁, которая может лежать в пределах от ε₁ = 2,5 до ε₁ = 3,8 (ε = 2,5 имеет кремнеземная керамика с пористостью около 30%, а ε = 3,8 имеет литая (без пор) кремнеземная керамика [2]). Ha практике чаще используется диэлектрик с ε = 3,17 - 3,4.

Керамики на основе кремнезема имеют преимущество перед другими материалами, так как по диэлектрическим характеристикам могут рассматриваться до температур t = 1000 - 1100^oC. В этих пределах изменение диэлектрической проницаемости ε около 3%, а tg δ < 0,01, где δ - угол потерь.

Недостатком кремнеземной керамики является низкая прочность для антенных обтекателей ГСН, работающих в миллиметровых диапазонах волн для полуволновой Φ = π радиан) и даже волновой (Φ = 2π радиан) стенок. Более толстые стенки с Φ = 3π радиан или Φ = 4π радиан имеют неудовлетворительные радиотехнические характеристики. В табл. 1 приведены основные радиотехнические характеристики этих стенок.

Целью предлагаемого изобретения является повышение прочности стенки за счет увеличения физической ее толщины при одновременном обеспечении требуемых радиотехнических характеристик обтекателя ГСН.

Указанная цель достигается за счет того, что в антенный обтекатель головки самонаведения, содержащий стенку, выполненную в виде слоя термостойкого диэлектрика с диэлектрической проницаемостью ε₁, дополнительно введены два слоя диэлектрика, один из которых имеет диэлектрическую проницаемость ε₁, а второй - диэлектрическую проницаемость ε₂ ≥ 1,6ε₁, при этом для слоев с диэлектрической проницаемостью ε₁, электрические толщины радиан, где n₁ = 1 или 3, а для слоя с диэлектрической проницаемостью ε₂ электрическая толщина Φ₂ = n₂π радиан, где n₂ = 1 - 7, причем этот слой расположен между слоями с диэлектрической проницаемостью ε₁.

Значения n₁ = 1 или 3 определяются требованиями теплостойкости обтекателя и зависят от физической толщины теплостойкого диэлектрика с диэлектрической проницаемостью ε₁, которая (толщина) определяется длиной волны ГСН. Значения n₂ определяют физическую толщину стенки, которая необходима для обеспечения прочности обтекателя. При синтезе параметров радиопрозрачной стенки чем короче длина волны, на которой работает ГСН, тем большее значение n₂ потребуется применить.

Значения n₂ > 7 ограничены сужением углов прозрачности θ₀ и возрастанием крутизны фазовой характеристики (ΔΨ) [см. табл.2].

Внешний слой стенки обтекателя, воспринимающий температуру аэродинамического нагрева, выполненный из кремнеземной керамики на основе SiO₂, защитит обтекатель от нагрева до температуры около 1000 - 1100^oC.

Средний слой, если применить глиноземистую керамику на основе Al₂O₃, обеспечивает сохранение радиотехнических характеристик обтекателя до температуры 300 - 400^oC, что достаточно по изменению ε₂ при защите от большего прогрева внешним слоем. Дополнительный слой обтекателя с ε₁ выполнен из кремнеземной керамики или из менее теплостойкого диэлектрика (например, стеклопластика) с обеспечением требуемой диэлектрической проницаемости ε₁ и электрической толщины слоя Φ₁.

В табл. 1 и 2 приведены соответственно основные радиотехнические характеристики стенок известного обтекателя (прототип) и стенок предлагаемого обтекателя.

Из данных табл. 1 видно, что монолитные стенки с ε₁ = 3,4, имеющие электрическую толщину Φ = 3π, 4-π и более, не могут рассматриваться по радиотехническим характеристикам при проектировании антенных обтекателей ГСН, работающих в миллиметровом диапазоне волн, так как КП < 0,7, отражения |R|² больше -6 дБ (т.е. больше 25%). Стенка с Φ = 2π может быть применена для обтекателей с пониженными радиотехническими требованиями.

Данные табл. 2 показывают, что обтекатель с предлагаемой конструкцией стенки, имеющей общую электрическую толщину Φ_o от 2π до 8π (средний слой с Φ₂ от π до 7π ) по своим радиотехническим характеристикам может быть применен для ГСН, работающих в миллиметровых диапазонах волн.

Крутизна фазовых характеристик для одинаковых электрических толщин у предлагаемых стенок меньше, чем у прототипа. Разность фазовых запаздываний стенки (- < 6^o ) для различнополяризованных волн, которая определяет поляризационные потери и стабильность характеристик ошибок пеленга в различных плоскостях у предлагаемых стенок мала, что повышает качество обтекателя.

В табл. 3 даны толщины стенок антенных обтекателей, где λ - длина волны ГСН.

Толщины полуволновых стенок для 8 мм и для 3 мм ГСН соответственно равны: из кремнезема (SiO₂) 2,7 мм и 1 мм, из глинозема (Al₂O₃) - 1,4 мм и 0,5 мм.

Анализ данных, приведенных в табл. 2 и 3, показывает возможность создания антенных обтекателей головок самонаведения, работающих в миллиметровых диапазонах волн.

Изменение радиотехнических характеристик стенок обтекателей определяется в первую очередь изменениями их электрических толщин Φ при различных углах падения электромагнитной волны θ₀ для различных положений диаграммы направленности антенны в обтекателе.

Введение в стенку обтекателя слоя диэлектрика с ε₂ существенно уменьшает изменения электрической толщины Φ₂ при изменении углов падения θ₀ в пределах 30 до 80^o.

В табл. 4 для этих углов падения приведены изменения ΔΦ для монолитной стенки из кремнеземной керамики обтекателя-прототипа в пределах значений его ε₁. В табл. 5 приведены изменения ΔΦ₂ для диэлектрика с ε₂, находящегося между слоями с ε₁ для различных соотношений ε₂/ε₁ в стенке предлагаемого обтекателя, где θ_2max - максимальный угол падения на слой диэлектрика с Φ₂; θ_2min - минимальный угол падения на слой диэлектрика с ε₂.

Данные табл. 4 показывают, что у стенок обтекателя прототипа при изменении углов падения θ₀ в пределах 30-80^o значительные изменения электрической толщины ΔΦ от 12% до 21% приводят к ухудшению радиотехнических характеристик при Φ₁ = 3π и Φ₁ = 4π (см. табл.1), т.е. стенка как радиотехническое устройство рассогласовывается, поэтому такие стенки уже не могут быть применимы для антенных обтекателей ГСН.

Малые же изменения электрической толщины ΔΦ₂ ≅ 3 - 5% в предлагаемом обтекателе, вследствие малых углов падения θ₂ и малых их изменений, позволяют увеличивать общую электрическую толщину Φ₀ до 8π радиан (из которых 7π приходится на диэлектрик с ε₂) без существенного рассогласования ее радиотехнических характеристик (см. табл.2).

Выбор электрической толщины слоя Φ₂ диэлектрика с ε₂ определяет обеспечение прочностных характеристик обтекателя.

Анализ данных табл. 5 показывает, что изменение электрической толщины ΔΦ₂ на 5% является той границей, при которой возникает необходимость вводить в обтекатель дополнительный диэлектрический слой с ε₂. При этом ΔΦ₂ меньше, чем ΔΦ у прототипа в 3 раза (ε₁ = 3,2).

Изменение ΔΦ₂ на ≅ 5% соответствует отношению ε₂/ε₁ = 1,6. При ε₂/ε₁ < 1,6ΔΦ₂ резко возрастает (до 15% при ε₂/ε₁ = 1,0), а при увеличении соотношения ε₂/ε₁ изменение электрической толщины ΔΦ₂ постоянно падает, обеспечивая стабильность радиотехнических характеристик стенок со слоями, у которых ε₂ ≥ 1,6ε₁, позволяя увеличивать физическую толщину стенки для увеличения прочности обтекателя.

Источники информации
1. Патент США N 5457471 от 10 октября 1995 г.

2. "Radome Engineering Handbook. Desing and Principles", Edit By J.D. Walton/New York 1970 - прототип.

Изобретение относится к радиотехнике, обтекатель предназначен для головок самонаведения (ГСН), работающих в миллиметровых диапазонах волн. Техническим результатом является повышение прочности стенки за счет увеличения физической ее толщины при одновременном обеспечении требуемых радиотехнических характеристик обтекателя ГСН. Предлагается конструкция антенного обтекателя, в котором к термостойкой стенке добавлены два слоя диэлектрика, один из которых имеет более высокую диэлектрическую проницаемость, толщину, требуемую по прочностным характеристикам, и располагаемый между другими слоями. Даны оптимальные соотношения электрических толщин слоев. 5 табл.

Антенный обтекатель головки самонаведения, содержащий стенку, выполненную в виде слоя термостойкого диэлектрика с диэлектрической проницаемостью ε₁, отличающийся тем, что в него дополнительно введены два слоя диэлектрика, один из которых имеет диэлектрическую проницаемость ε₁, а второй - ε₂ ≥ 1,6ε₁, при этом для слоев с диэлектрической проницаемостью ε₁ электрические толщины радиан, где n₁ = 1 или 3, а для слоя с диэлектрической проницаемостью ε₂ электрическая толщина Φ₂ = n₂π радиан, где n₂ = 1-7, причем этот слой расположен между слоями с диэлектрической проницаемостью ε₁.