РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ АНТЕННЫЙ ОТРАЖАТЕЛЬ Российский патент 2006 года по МПК H01Q15/16 

Изобретение относится к антенным устройствам.

Радиолокационный антенный отражатель представляет собой двухзеркальную антенную систему, используемую в режиме переизлучения падающей плоской волны /1/. Основной задачей, которую он должен решать, является обеспечение большей, чем у равновеликой плоской отражающей пластины, эффективной площади рассеяния /2/.

Известная антенна, которая может быть отражателем, состоит из зеркала в виде параболического цилиндра и линейного облучателя и применяется в том случае, когда необходимо получить диаграмму обратного отражения (ДОО), достаточно узкую в одной плоскости и широкую в другой, перпендикулярной первой. Наиболее близким по своему техническому решению является радиолокационный антенный отражатель (фиг.1), содержащий цилиндрическое зеркало 1 и дополнительный отражатель 2 в виде линейной решетки из большого числа синфазных вибраторов 3, оси которых расположены вдоль прямой на одинаковом расстоянии f от зеркала /3/. Совершенно очевидно, что для такой антенны, которая может быть одновременно отражателем, линейную решетку из вибраторов, в первую очередь, стремятся построить таким образом, чтобы главный лепесток диаграммы направленности имел требуемую ширину, а уровень боковых лепестков был минимальным. Соблюдение этих требований противоречит условиям, обеспечивающим увеличение эффективной площади рассеяния антенны как радиолокационного отражателя и является ее главным недостатком.

Цель изобретения - увеличение эффективной площади рассеяния.

Поставленная цель достигается при условии, когда в известной антенне с зеркалом в виде параболического цилиндра расстояние от оси линейной решетки до цилиндрического зеркала f, число вибраторов n, расположенных с шагом d в линейной решетке и длина волны λ будут связаны соотношением

λ/2π≤f<{2[(n-1)d]²}/λ,

где d>λ, π=3,1415926... .

Известно, что примером дополнительного отражателя может служить линейная решетка из большого числа синфазных вибраторов, оси которых расположены на одной прямой. При достаточно большой длине линейного отражателя можно считать, что в некоторой ограниченной области пространства отраженное от него поле имеет характер цилиндрических волн, пренебрегая при этом теми искажениями поля, которые неизбежно имеют место вблизи первого и последнего элемента (вибратора) дополнительного отражателя. На очень большом расстоянии от линейного отражателя отраженное поле имеет характер сферических волн. Отсюда следует, что область, где должно находиться цилиндрическое зеркало по отношению к линейному отражателю, определяется расстоянием, многим больше по сравнению с длиной волны, но меньшим, чем расстояние до волновой (дальней) зоны, где поле имеет характер сферических волн (фиг.2). Если длину линейного отражателя представить как (n-1)d, где n и d - соответственно число вибраторов и длина шага в решетке, а через f обозначить расстояние от оси линейного отражателя до зеркала (в плоскости, перпендикулярной образующей цилиндра), то все возможные значения f должны находиться в пределах

λ/2π≤f<{2[(n-1)d]²}/λ,

иначе зеркало окажется вне области цилиндрических волн. При отражении от параболического цилиндра фронт цилиндрической волны становится плоским, поэтому такой отражатель можно рассматривать как отражатель с прямоугольным раскрывом и синфазным распределением поля. При этом моностатическая эффективная площадь рассеяния (ЭПР) цилиндрического радиолокационного отражателя, облучаемого по нормали к раскрыву, определяется выражением σ_m= ΩS²/λ², где Ω - выраженный в стерадианах угол телесного цилиндрического сегмента с вершиной на оси линейной решетки и ограниченного краями зеркала, S=hd(n-1). Если плоская волна падает на цилиндрический раскрыв под некоторым углом θ, то значение моностатической ЭПР быстро падает, при этом выражение для цилиндрической антенны в приближенном виде можно записать как

σ(θ)=σ_m[F(θ)]²,

где F(θ) - нормированная диаграмма направленности антенны по мощности в режиме излучения (приема). Для того чтобы значение моностатической ЭПР отражателя с изменением угла θ быстро не уменьшалось, предлагается создать условия, которые обеспечили бы появление в плоскости, совпадающей с осью линейной решетки (азимутальная плоскость), большого числа дифракционных максимумов. Их формирование происходит, когда d>λ. При этом число дифракционных максимумов i, приходящихся на единицу азимутального угла, определяется шагом решетки и приближенно равно i≈(4d/λ)cos((рад^-1) /1/.

Отражатель работает следующим образом. На отражатель по нормали к его раскрыву падает плоская электромагнитная волна. Волна фокусируется цилиндрическим зеркалом 1. Цилиндрическая волна отражается нормально к вибраторам 3 линейной решетки 2, расположенной на заданном расстоянии от зеркала, возбуждает их и обратно переотражается к зеркалу в виде цилиндрической волны. Очевидно, что часть волны, рассеянной линейной решеткой после второго отражения от зеркала в виде плоской волны, вернется в направлении пришедшей волны. Так отражает синфазная апертура, приближенно равная площади цилиндрического раскрыва. При падении плоской электромагнитной волны на отражатель с направлений, отличных от нормального, линейная решетка вибраторов совместно с отражателем будет формировать сложную многолепестковую дифракционную картину в широком секторе углов наблюдения.

Очевидно, что значение ЭПР каждого дифракционного максимума σ_I будет зависеть от значения ЭПР отдельного вибратора σ_n и их числа n в линейной решетке. Например, для полуволнового вибратора (0,5λ) значение его ЭПР в случае совпадающей с осью вибратора поляризацией падающей электромагнитной волны, примерно равно σ_n≈λ². Таким образом, значение ЭПР дифракционного максимума будет определяться выражением σ_i≈(nλ)² /1/. Выбор соотношения d/λ обеспечивает требуемое количество дифракционных максимумов в широком секторе углов азимутальной плоскости. Присутствие цилиндрического зеркала позволяет за счет многократных переотражений от него дополнительно увеличить значение ЭПР дифракционных максимумов примерно на порядок.

В случае нормального падения плоской электромагнитной волны на полуволновой вибратор его ДОО имеет ширину в азимутальной плоскости, не превышающую 0±30° (фиг.3), это в свою очередь приводит к снижению значений ЭПР дифракционных максимумов, образующихся при углах θ>30°. Для формирования дифракционных максимумов с постоянно высокими значениями ЭПР следует расширить ДОО отдельного вибраторов. Для этого предлагается каждый вибратор в линейной решетке выполнить из двух частей разной длины и разделить их расстоянием 0,01λ: первую часть выполнить равной половине длины волны, вторую - равной пяти четвертым длины волны и расположить по отношению к соседним вибраторам таким образом, чтобы со стороны части малой длины располагалась часть большей длины соседнего вибратора, а со стороны части большой длины располагалась часть меньшей длины соседнего вибратора и так далее по всей длине линейной решетки. Большая часть вибратора длиной, равной пяти четвертым длины волны, имеет лепестковую ДОО (фиг.3) /4/, поэтому комбинация из двух частей разной длины позволяет сформировать суммарную ДОО вибратора, более широкую (до 0±60°), чем ДОО полуволнового вибратора.

Существо предлагаемого технического решения поясняется фигурами 1-5, на которых представлен радиолокационный антенный отражатель и результаты его экспериментальных исследований в условиях Эталонного радиолокационного измерительного комплекса 2 ЦНИИ МО РФ /5/.

На фиг.1 приведен общий вид радиолокационного антенного отражателя.

На фиг.2 - геометрия образования цилиндрических волн.

На фиг.3 приведены нормированные ДОО вибраторов длиной 0,5λ и 1,25λ в свободном пространстве.

На фиг.4 приведены ДОО одинаковых по размерам радиолокационных антенных отражателей (размер зеркала 4λ×100λ) в секторе углов наблюдения 0±90°:

k - с отражателем в виде линейной решетки из одинаковых вибраторов длиной 0,25λ каждый, разделенных между собой промежутком 0,01λ (прототип);

q - с отражателем в виде линейной решетки с периодом d=2λ из одинаковых вибраторов длиной 0,5λ каждый.

На фиг.5 для соответствующих радиолокационных антенных отражателей (k) и (q) приведены гистограммы ЭПР (верхняя часть фиг.5) и функции распределения значений ЭПР (нижняя часть фиг.3) в секторе углов наблюдения 0±60°.

Анализ приведенных на фиг.4 и 5 результатов позволяет сделать вывод о том (Акт испытаний...), что предлагаемый радиолокационный антенный отражатель в сравнении с отражателем-прототипом позволяет увеличить медианные значения ЭПР (по уровню вероятности 0,5) в секторе локации 0±60° относительно нормали к раскрыву зеркала до 11,7 дБ.

Реализация заявляемого отражателя не представляет трудностей. Очевидно, что изобретение не ограничивается вышеизложенным примером его осуществления. Исходя из его схемы, могут быть предусмотрены и другие варианты, улучшающие его радиолокационные характеристики и не выходящие за рамки предмета изобретения.

Предлагаемый радиолокационный отражатель целесообразно использовать в качестве пассивного отражателя-маяка или имитатора отраженного от цели радиолокационного сигнала.

Источники информации

1. Кобак В.О. Радиолокационные отражатели. М.: "Сов. радио". 1975. С.211.

2. Радиолокационный антенный отражатель по А.С. СССР № 1646017, МПК: H 01 Q 15/16, 1991.

3. Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны ультракоротких волн. М.: "Связь". Ч.1. 1977. С.371-376. (Прототип).

4. Ruck G.T., Barrick D.E., Stuart W.D., Krichbaum C.K. Radar cross section handbook. V.1-2, N.Y. London, "Plenum Press", 1970, p.298.

5. Сумин А.С. и др. Контрольная для "невидимок". АВИА-панорама. №6. 1997. С.30.

Изобретение относится к антенным устройствам и может быть использовано в качестве пассивного отражателя-маяка или имитатора отраженного от цели радиолокационного сигнала. Техническим результатом является увеличение эффективной площади рассеяния. Сущность изобретения состоит в том, в радиолокационном антенном отражателе, состоящем из цилиндрического зеркала и дополнительного отражателя в виде линейной решетки из большого числа синфазных вибраторов, оси которых расположены на одной прямой, на одинаковом расстоянии от зеркала, представлены соотношения для выбора расстояния от оси линейной решетки до цилиндрического зеркала и размеров вибраторов линейной решетки по отношению к длине волны. Кроме того, возможно выполнение вибраторов из двух частей разной длины, оговорено расположение этих частей. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Радиолокационный антенный отражатель, содержащий цилиндрическое зеркало и дополнительный отражатель в виде линейной решетки из большого числа синфазных вибраторов, оси которых расположены на одной прямой на одинаковом расстоянии от зеркала, отличающийся тем, что расстояние от оси линейной решетки до цилиндрического зеркала f, число вибраторов n, расположенных с шагом d в линейной решетке, и длина волны λ связаны соотношением

λ/2π≤f<{2[n-1)d]²}/λ,

где d>λ; π=3,1415926...