ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ОБТЕКАТЕЛЬ Российский патент 2015 года по МПК H01Q1/42 

Изобретение относится к антенно-фидерным устройствам преимущественно к широкополосным антенным обтекателям.

Известен антенный обтекатель, содержащий стенку из диэлектрического материала в форме колпака, снабженного узлом крепления к летательному аппарату, с диэлектрической стенкой, соответствующей полуволновой электрической толщине на рабочей частоте: Каплун В.А. Обтекатели антенн СВЧ. М, Советское радио, 1974 г., 238 с. Структура стенки обтекателя состоит из одного или нескольких слоев материалов с известными частотно-независимыми значениями диэлектрической проницаемости в рабочей полосе частот. Геометрическая толщина стенки подбирается эквивалентной полуволновой электрической толщине на средней по диапазону, резонансной частоте.

Известно, что реализация на одной частоте полуволновой электрической толщины стенки за счет резонансного согласования стенки со свободным пространством позволяет получить минимальный уровень отражения падающей волны и максимальную величину прошедшего поля. Это соответственно является условием для получения минимального искажения фазы прошедшего через обтекатель поля падающей волны.

Обтекатель с резонансной стенкой, изготовленный по данному техническому решению, вносит минимально возможные искажения в поле падающей волны на резонансной частоте, но пропорционально увеличению рабочей полосы значительно возрастает величина искажений, вносимых обтекателем в поле падающей волны.

Известен широкополосный обтекатель для совмещенного диапазона с полуволновой стенкой для высокочастотного диапазона (94 ГГц) и, соответственно, «тонкой» по электрической толщине для диапазона 9,345 ГГц: патент USA №6028565. H01Q 1/42, 19 ноября 1996 г.

При использовании материалов с частотно-независимыми диэлектрическими свойствами реализация полуволновой электрической толщины стенки обтекателя невозможна для широкой частотной полосы. Поэтому в широкополосном антенном обтекателе, работающем в совмещенных диапазонах, применяется структура стенки с «тонкой» электрической толщиной, менее 0,1 длины волны, за счет снижения геометрической толщины для низкочастотного диапазона, которая является полуволновой по электрической толщине для высокочастотной области. Даже незначительное увеличение электрической толщины стенки вносит обтекателем в падающее поле значительные искажения.

Так как уменьшение толщины стенки ограничивается теплофизическими требованиями к обтекателю, искажения, вносимые в падающее поле из-за конечной толщины стенки, оказываются значительными, что приводит к высоким ошибкам пеленга. Кроме того, из-за отличия электрической толщины стенки от полуволновой, недостатком применения такой структуры является низкий коэффициент прохождения обтекателя.

Наиболее близким техническим решением является антенный обтекатель по патенту RU №2054763. H01Q 1/42, 12.04.1993, содержащий однослойную стенку из диэлектрического материала в форме колпака, снабженного узлом крепления к летательному аппарату, для уменьшения искажений вносимых обтекателем в падающее поле в широкой полосе частот, в качестве диэлектрического материала использован диэлектрический материал с тангенсом диэлектрических потерь, лежащим в пределах 0,02<tg(δ)<0,01, а толщина однослойной стенки выбрана из условия , где d - толщина однослойной стенки, λ - длина волны в свободном пространстве, ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрического материала однослойной стенки.

Недостатком прототипа является то, что при выбранной геометрической толщине с диэлектрической проницаемостью материала ε=ε′·(1+i·tg(δ_ε)) и магнитной проницаемостью материала µ=µ′·(1+i·tg(δ_µ)), стенка настроена по электрической толщине только на одну из частот рабочего диапазона, которая является полуволновой. При увеличении широкополосности, пропорционально увеличению рабочей частотной полосы, растет по диапазону неравномерность электрической толщины стенки относительно «настроенной» на среднюю частоту, которая приводит к увеличению искажений, вносимых обтекателем в поле падающей волны.

Кроме того, для увеличения широкополосности обтекателя предлагается увеличить тангенс угла диэлектрических потерь. Но применение в конструкции стенки обтекателя материала с увеличенным тангенсом угла диэлектрических потерь маскирует частотную неоднородность искажения поля падающей волны. Собственные характеристики антенной системы под обтекателем, со стенкой из материала с более высоким тангенсом угла диэлектрических потерь будут иметь более расплывчатые и хуже настроенные, менее чувствительные пеленгационные характеристики, в частности, более низкий уровень глубины нуля разностного канала пеленгатора.

Также недостатком прототипа является то, что при росте тангенса угла диэлектрических потерь возрастают прямые тепловые потери сигнала падающей волны в стенке обтекателя. Это приводит к уменьшению коэффициента прохождения и, как следствие, снижению дальности обнаружения цели.

Задачей изобретения является снижение искажений, вносимых обтекателем в поле падающей волны в широком диапазоне частот.

Достигается задача тем, что предложен широкополосный обтекатель, содержащий однослойную стенку из материала в форме колпака, снабженного узлом крепления к летательному аппарату, отличающийся тем, что стенка выполнена из диамагнитного материала µ≤1, с диэлектрической проницаемостью $$\epsilon =\frac{1}{\mu }$$ , с диэлектрическими tg(δ_ε)<0,0100 и магнитными tg(δ_µ)<0,0100 потерями, где диэлектрическая проницаемость определяется как ε=ε′·(1+i·tg(δ_ε)), а магнитная проницаемость определяется как µ=µ′·(1+i·tg(δ_µ)).

Выполнение обтекателя с однослойной стенкой из материала, для которого реализованы условия по предлагаемому техническому решению со стенкой из диамагнитного материала µ≤1, с диэлектрической проницаемостью $$\epsilon =\frac{1}{\mu }$$ , с диэлектрическими tg(δ_ε)<0,0100 и магнитными tg(δ_µ)<0,0100 потерями, позволяет повысить коэффициент прохождения в полосе частот и за счет улучшения согласования стенки со свободным пространством снизить искажения, вносимые стенкой в фазу поля падающей волны в широкой полосе частот.

Авторы установили, что в заявляемой конструкции широкополосного обтекателя для предложенного соотношения между диэлектрической и магнитной проницаемостями материала стенки обтекателя достигается наибольший коэффициент прохождения и минимизация искажений, вносимых обтекателем в поле падающей волны в широкой полосе частот.

Для доказательства преимущества предлагаемого технического решения проведены расчетные эксперименты, результаты которых представлены ниже.

Сформулируем эту задачу как определение условий, при которых для определенной величины угла падения волны с параллельной и перпендикулярной поляризациями происходит полное прохождение падающей волны.

На фиг. 1 для угла падения плоской волны α₁ коэффициенты отражения для параллельной и перпендикулярной поляризаций падающей волны равны нулю. Свойства внешнего пространства соответствуют ε₁=1 µ₁=1 и ε₃=1 µ₃=1. Свойства плоского слоя (пластины) ε₂=ε₂′·(1+i·tg(δ_ε)); µ₂=µ₂′·(1+i·tg(δ_µ)) с углом падения α₁.

Поиск свойств материала стенки для широкополосного обтекателя и антенны произвольной поляризации можно сформулировать исходя из равенства величины угла падения, при котором отражение равно нулю для обеих поляризаций. Из [Марков Г.Т. Электродинамика и распространение радиоволн. М., Советское радио., 1979, стр. 224-241] следует равенство формул 6.57 и 6.58:

из (1) следует для нахождения µ при известном значении ε:

или для нахождения ε при известном значении µ:

Это верно для угла, равного

угла, совпадающего с углом Брюстера, для левой части (1) для совпадающей поляризации с плоскостью падения,

Или угла, равного

для правой части (1) для перпендикулярной поляризации вектора электрического поля относительно плоскости паления.

Решениями кубических уравнений ((2) или (3)) являются три действительных корня: два симметричных относительно нуля, равных по модулю, и один корень по модулю меньше единицы.

Переписав уравнения (2) и (3) с выделением общей части в виде

определим условие для нахождения первого корня как

а условием нахождения двух следующих корней из (6) будет .Из (7) выбирая материал стенки при условии и , показатель преломления , а величина угла полного преломления в соответствии с (4) и (5) равна α₁₁=α₁₂=90°.

В отличие от целого класса диамагнетиков, для которых µ≤1, возможно выполнение (7) и при других условиях, например, ε<1,0 и , но это условие мы не рассматириваем, так как оно выполняется только для плазмы или футуристических метаматериалов.

При условии ε=µ волновое сопротивление среды становится равным ω=1 (Канецеленбаум Б.З. Высокочастотная электродинамика. М., «Наука», 1966, стр. 26), а уравнение (1) имеет второе тривиальное решение, и величина угла полного преломления в соответствии с (4) и (5) при этом будет равна α₁₁=α₁₂=0°, что соответствует нормальному падению. Такое решение уравнения (1) является тривиальным и с физической точки зрения, еще и потому, что выполняется только для нормального падения плоской электромагнитной волны на плоскопараллельную стенку и может являться критерием поиска широкополосной конструкции обтекателя только плоской формы.

При условии ε=µ величина угла полного преломления не равна нулю и не соответствует нормальному падению, но материалы с отрицательной магнитной и диэлектрической проницаемостью не обнаружены, поэтому далее не рассматриваются.

Для конструкции обтекателя более сложной криволинейной формы, чем плоская пластина, возможен поиск контура с использованием условия (10) при $$\epsilon =\frac{1}{\mu }$$ для величины угла падения, близкого к углу полного прохождения, равному 90°. Реализация криволинейной поверхности при этом скользящем угле падения волны невозможна, но так как средний угол падения на обтекатель достаточно близок к этой величине и обычно более 65°, то возможно конструирование криволинейной формы и для этого угла при выполнении условия (9), тем более, что при этом значительно повышается коэффициент прохождения и снижаются пеленгационные ошибки именно при наиболее критичных малых углах поворота обтекателя относительно антенны.

Расчеты проводились с использованием матричного метода, описанного в [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: «Наука», 1973, 720 с.], предполагая, что материал стенки имеет диэлектрическую ε=|ε′|·(1+i·tg(δ_ε)) и магнитную µ=|µ′|·(1+i·tg(δ_µ)) проницаемости.

На фиг. 2 представлены расчетные частотные зависимости коэффициента прохождения обтекателя со стенкой толщиной h=10 мм для двух вариантов диамагнитного материала с параметрами ε=1,5, µ=1 и ε=1,5, µ=0,66 в плоскости Е, в полосе частот до 20 ГГц.

Из рассмотрения фиг. 2 видно, что для конструкции обтекателя, выполненного по предлагаемому решению, минимальный коэффициент прохождения во всей полосе частот составляет не менее 90%, а для обычной стенки падает до 42%.

На фиг. 3 представлены расчетные частотные зависимости коэффициента прохождения обтекателя со стенкой толщиной h=10 мм для двух вариантов диамагнитного материала с параметрами ε=1,5, µ=1 и ε=1,5, µ=0,66 в плоскости Н, в полосе частот до 20 ГГц.

Из рассмотрения фиг. 3 видно, что для конструкции обтекателя, выполненного по предлагаемому решению, минимальный коэффициент прохождения во всей полосе частот составляет не менее 90%, а для обычной стенки падает до 42%.

Из сравнения фиг. 2 и 3 видно, что для конструкции обтекателя, выполненного по предлагаемому решению, минимальный коэффициент прохождения во всей полосе частот и при любой поляризации падающей волны составляет не менее 90%, а для обычной стенки падает до 42%.

На фиг. 4 и 5 представлены расчетные частотные зависимости коэффициента прохождения обтекателя со стенкой толщиной h=10 мм для двух вариантов диамагнитного материала с параметрами ε=1,5, µ=1 и ε=1,5, µ=0,66, в полосе частот до 20 ГГц, в плоскости Е и Н соответственно.

Из рассмотрения фиг. 4 и 5 видно, что для конструкции обтекателя, выполненного по предлагаемому решению, минимальный коэффициент прохождения во всей полосе частот составляет не менее 99%, а для обычной стенки падает до 80%.

Из сравнения фиг. 2 и 3 с фиг. 4 и 5 видно, что снижение величины диэлектрической проницаемости материала стенки приводит к повышению минимального коэффициента прохождения в полосе частот, но наилучшие значения частотной зависимости коэффициента прохождения наблюдаются для предлагаемого технического решения.

Широкополосный обтекатель, выполненный по предлагаемому техническому решению, по сравнению с известными конструкциями обтекателей, в широкой полосе частот вносит минимальные искажения в поле падающей волны и обладает лучшими радиотехническими характеристиками.

Источники информации

1. Каплун В.А. Обтекатели антенн СВЧ. М, Советское радио, 1974 г., 238 с.

2. Патент USA №6028565. W-band and X-band radome wall. H01Q 1/42, 19 ноября 1996 г.

3. Патент RU №2054763. Антенный обтекатель. H01Q 1/42, 12.04.1993.

4. Марков Г.Т. Электродинамика и распространение радиоволн. М., Советское радио, 1979, стр. 224-241.

5. Канецеленбаум Б.З. Высокочастотная электродинамика. М., «Наука», 1966, стр. 26.

6. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М., «Наука», 1973, 720 с.

,Изобретение относится к антенно-фидерным устройствам преимущественно к широкополосным антенным обтекателям. Техническим результатом является повышение коэффициента прохождения и снижение искажений, вносимых обтекателем в поле падающей волны в широкой полосе частот. Для этого широкополосный обтекатель, содержащий однослойную стенку из материала в форме колпака, снабженного узлом крепления к летательному аппарату, характеризуется тем, что стенка выполнена из диамагнитного материала µ≤1, с диэлектрической проницаемостью $$\epsilon =\frac{1}{\mu }$$ , с диэлектрическими tg(δ_ε)<0,0100 и магнитными tg(δ_µ)<0,0100 потерями, где диэлектрическая проницаемость определяется как ε=ε′·(1+i·tg(δ_ε)), а магнитная проницаемость определяется как µ=µ′·(1+i·tg(δ_µ)). 5 ил.

Широкополосный обтекатель, содержащий однослойную стенку из материала в форме колпака, снабженного узлом крепления к летательному аппарату, отличающийся тем, что стенка выполнена из диамагнитного материала µ≤1, с диэлектрической проницаемостью , с диэлектрическими tg(δ_ε)<0,0100 и магнитными tg(δ_µ)<0,0100 потерями, где диэлектрическая проницаемость определяется как ε=ε′·(1+i·tg(δ_ε)), а магнитная проницаемость определяется как µ=µ′·(1+i·tg(δ_µ)).