СТРЕЛОВИДНЫЙ ПЕРЕОТРАЖАТЕЛЬ СИГНАЛА Российский патент 2018 года по МПК G01S7/38 

Изобретение относится к области радиолокационной техники и может быть использовано для увеличения эффективной площади рассеяния (ЭПР) объектов в широком диапазоне длин волн.

Известен легкий аэродинамически устойчивый отражатель, имитирующий характеристики возвращаемых космических аппаратов (А.П. Плохих, Д.С. Шабонов. Радиолокационные отражатели и их применение. «Зарубежная радиоэлектроника», №8, 1992. С. 80).

За счет стреловидной формы отражатель имеет высокий баллистический коэффициент, обеспечивающий глубокое проникновение в атмосферу, а также возможность переотражать широкополосные сигналы (фиг. 1). Для обеспечения необходимых тепловых свойств отражатель может быть выполнен из пиролитического графита или металлической полосы, покрытой аблирующим материалом. Для переотражения широкополосных сигналов на поверхность отражателя нанесен рассеивающий слой в виде логопериодической антенны (ЛПА). Этим обеспечивается постоянство диаграммы ЭПР в широком диапазоне изменения частоты. Более подробное описание прототипа переотражателя изложено в материалах патента США №4471358 (Стреловидный переотражатель сигнала, МКИ G01S 7/38. Публикация от 11.09.1984 г. Т. 1046. №2).

Вместе с тем стреловидный переотражатель сигнала (СПС) обладает существенным недостатком: эффективность его переотражения ограничена диапазоном работы рассеивающего слоя ЛПА, при этом сам диапазон зависит от геометрических размеров ЛПА. При такой зависимости в низкочастотной области диапазона (при максимальной длине волны) размер переотражателя как минимум должен составлять половину рабочей длины волны ЛПА.

Для более эффективной имитации радиолокационных характеристик возвращаемых космических аппаратов требуется конструкция СПС, способная при малых волновых размерах эффективно переотражать в диапазоне длин волн, превышающих размеры СПС.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение максимально возможного сигнала, отраженного переотражателем в диапазоне длин волн, превышающих его размеры.

Техническим результатом, обеспечивающим решение поставленной задачи, является увеличение ЭПР СПС в диапазоне длин волн, превышающих его размер.

Указанная задача и получение заявленного технического результата достигаются за счет того, что в СПС (фиг. 1) в виде тонкой криволинейной поверхности 1, предназначенной для вращения вокруг строительной оси 2, проходящей от вершины стрелы к середине противоположной стороны, обеспечивающей необходимый баллистический коэффициент, рассеивающему слою 3 в виде ЛПА, отражающие свойства которой определяет логопериодическая функция, придают фрактальную форму в виде минимум одного треугольника Серпинского (фиг. 2), с максимальной высотой h_n, параллельной строительной оси СПС и определяемой исходя из соотношения

h_n≈0,26⋅δⁿ⋅λ_n,

где δ - логарифмический коэффициент масштаба; n - целое положительное число; λ_n - максимальная рабочая длина волны n-го поддиапазона фрактальной антенны.

Для решения поставленной задачи воспользуемся теорией и практикой применения малогабаритных антенн, способных работать в широкой полосе частот (А.В. Кашин, А.Ю. Седаков, Е.А. Шорохова. Антенны СВЧ с повышенной полосой пропускания. Антенны, 2010, №7).

Для оценки отражающих свойств ЛПА, которые определяются логопериодической функцией, рассмотрим принцип их работы. Такие антенны могут иметь разные формы (Неганов В.А., Табаков Д.П., Яровой Г.П. Современная теория и практическое применение антенн. М.: «Радиотехника», 2009. С. 478), но в большинстве своем работают по одинаковому принципу.

Наиболее типичная конструкция ЛПА, как и в прототипе, состоит из вибраторов разной длины. В ходе ее работы излучаемое (отраженное) поле в основном определяется резонансным и несколькими ближайшими к нему вибраторами, которые образуют активную область антенны. Максимум излучения (переотражения) направлен в сторону коротких вибраторов. Если частота меняется, то активная область перемещается вдоль оси антенны вперед или назад. При этом параметры антенны не меняются в пределах рабочего диапазона. Граница рабочего диапазона со стороны длинных волн определяется допустимыми максимальными габаритами антенны (длина плеча вибратора, резонирующего на самой длинной волне рабочего диапазона, L_max≈λ_max/4), а со стороны коротких волн - возможной точностью выполнения самого короткого вибратора (длина его плеча L_min≈λ_min/4). Практика показывает, что длина самого короткого вибратора должна быть равна примерно 0,1⋅λ_min. (В.Г. Глаголевский, Ю.А. Шишов. Антенны радиолокационных станций. Воениздат МО СССР. М.: 1977. С. 102).

При удачном выборе геометрических параметров структуры изменение характеристик ЛПА в пределах одного частотного периода оказывается небольшим, а точнее их повторение в пределах многих периодов обеспечивает незначительные вариации входного импеданса и диаграммы направленности в широкой полосе частот ƒ_в/ƒ_н≥10 (А.В. Кашин, А.Ю. Седаков, Е.А. Шорохова. Антенны СВЧ с повышенной полосой пропускания. Вып. Устройства СВЧ и антенные системы. Кн. 2. Моделирование, проектирование и технологии СВЧ-устройств и ФАР. М.: «Радиотехника», 2014. С. 142).

В качестве конструкций, способных эффективно переотражать сигнал в более широкой, чем ЛПА полосе частот, обращают на себя внимание сверхширокополосные (частотнонезависимые) антенны, обладающие коэффициентом перекрытия (отношением максимальной рабочей длины волны к минимальной) до нескольких десятков - фрактальные антенны. В настоящее время теория фрактальных антенн находится на этапе становления. Однако в результате многочисленных экспериментов установлено (А.В. Кашин, А.Ю. Седаков, Е.А. Шорохова. Антенны СВЧ с повышенной полосой пропускания. Вып. Устройства СВЧ и антенные системы. Кн. 2. Моделирование, проектирование и технологии СВЧ-устройств и ФАР. М.: «Радиотехника», 2014. С. 150), что такие антенны позволяют получить практически тот же коэффициент усиления, что и обычные антенны, но при меньших габаритных размерах.

Например, там же показаны относительные высоты нескольких итераций фрактала Коха для одной и той же резонансной частоты в сравнении с плечом обычного полуволнового диполя ЛПА. Следует отметить, что эффект миниатюризации антенны наиболее существенно проявляется лишь для нескольких первых итераций фрактала (обычно 5-6). В качестве примера проиллюстрирована антенна Коха, полученная путем 0…5 итераций в частотном интервале 0,1-2 ГГц. При этом высота антенны h составила 6 см, а полная длина кривой Коха, определяемая как L=h (4/3)⁵, равна 25,3 см.

Среди множества антенных конструкций фрактальный тип антенн является сравнительно новым и принципиально отличается от известных решений. На сегодняшний день существует несколько видов фрактальных антенн, каждый из которых обладает своими частотными свойствами. Следует отметить, что их можно изготавливать как по проволочной технологии, так и печатным способом на диэлектрической подложке.

Наиболее изученной на сегодня представляется треугольная антенна Серпинского (треугольник Серпинского), схема формирования которой представлена на фиг. 3а. Если сравнивать ее с вибраторной ЛПА, то можно ожидать, что поведение такой структуры будет подобно пяти симметричным вибраторам с треугольными плечами, работающими каждый на своей частоте. Частотная зависимость такой антенны представляется в виде соотношения

f_n≈0,26⋅δⁿ⋅с/h_n,

где с - скорость света в вакууме; h_n - максимальная высота антенны; δ - логарифмический коэффициент масштаба; n - целое число. Учитывая, что с=ƒ_n⋅λ_n, где λ_n - максимальная рабочая длина волны n-го поддиапазона фрактальной антенны, получаем соотношение для максимальной высоты антенны

h_n≈0,26⋅δⁿ⋅λ_n.

Например, коэффициент масштаба, равный 2, означает, что высоты треугольника Серпинского будут равны 88,9; 44,5; 22,3; 11,1; 5,5 мм (фиг. 3б).

Экспериментальные и расчетные результаты, полученные для данной фрактальной антенны, показывают, что при согласованном приеме и излучении диаграммы направленности практически одинаковы на пяти частотах 0,52; 1,74; 3,51; 6,95; 13,89 ГГц, соответствующих пяти масштабам.

Фрактальная антенна Серпинского обладает менее частым и компактным распределением частотных диапазонов (т.е. сеткой частот, на которых антенна может эффективно принимать и излучать электромагнитную энергию) благодаря наличию в их структуре меньшего числа элементов, резонирующих на длине волны и превышающих их собственную длину.

В роли пассивного радиолокационного отражателя антенна Серпинского также как и любая другая антенна, работающая на прием и излучение, в большей степени сохраняет присущие для нее качества. Причем, учитывая принцип взаимности, характеристики излучения антенны при согласованном приеме остаются справедливыми и для рассеянного ею поля, т.е. диаграммы ЭПР. При этом необходимо отметить, что фрактальные антенны являются многодиапазонными, но узкополосными в каждом поддиапазоне.

СПС с рассеивающим слоем в виде треугольной антенны Серпинского работает следующим образом. На переотражатель со стороны вершины падает плоская электромагнитная волна, которая на рассеивающем слое наводит поверхностный ток. В каждом поддиапазоне поверхностный ток концентрируется сообразно масштабу субструктуры треугольника Серпинского. Для частот верхнего поддиапазона (n=5) активная область является наименьшей. В этом случае значительная часть структуры треугольника Серпинского является как бы отключенной. Это происходит по следующей причине. Падающая электромагнитная волна от вершины СПС, а затем и треугольника Серпинского начинает распространятся в направлении торца, противоположного вершине. При встрече с кластером, сравнимым с длиной волны, происходит большей частью возбуждение и переизлучение волны в обратном направлении. При этом мощность падающей волны от части теряется и в итоге ток не достигает торцевой стороны СПС. Структура имеет много разрывов проводимости, которые усиливают переизлучение в обратном направлении и придают свои особенности процессу рассеяния.

Существо предлагаемого изобретения поясняется фиг. 4-11.

На фиг. 4а приведены различные варианты рассеивающего слоя для экспериментальных и теоретических исследований в виде: металлической (М), логопериодической (Л) и фрактальной (Ф) структуры толщиной 2 мм, высотой 450 мм и шириной основания 200 мм. На фиг. 4б приведены размеры рассеивающего слоя и схема получения диаграмм ЭПР.

На фиг. 5, 6 представлены диаграммы ЭПР рассеивающего слоя в виде: металлической (М-2, М-4), логопериодической (Л-2, Л-4) и фрактальной (Ф-2, Ф-4) структуры, экспериментально полученные соответственно для длины волны λ=2 см, 4 см, в условиях Эталонного радиолокационного измерительного комплекса ЦНИИ ВВКО Минобороны России («Эталонный радиолокационный измерительный комплекс открытого типа (ЭРИК)». Оружие и технологии России. Энциклопедия. XXI век. Противовоздушная и противоракетная оборона. Том IX. М.: "Оружие и технологии", 2004. С. 385).

На фиг. 7-10 представлены диаграммы ЭПР рассеивающего слоя в виде: металлической (М-10, М-17, М-23, М-90), логопериодической (Л-10, Л-17, Л-23, Л-90) и фрактальной (Ф-10, Ф-17, Ф-23, Ф-90) структуры, полученные соответственно для длины волны λ=10 см, 17 см, 23 см, 90 см, с помощью численного электродинамического математического моделирования, реализованного в компьютерной программе «CST» (Радиолокационные характеристики объектов. Методы исследования. Под ред. С.М. Нестерова. М.: Радиотехника, 2015. С. 126-136).

На фиг. 11 приведена волновая зависимость медианных значений ЭПР (σ_0,5) в секторе углов локации 0±90° рассеивающего слоя в виде: металлической (М), логопериодической (Л) и фрактальной (Ф) структуры.

Анализ диаграмм и волновой зависимости ЭПР показывают, что рассеивающий слой фрактальной формы в виде треугольника Серпинского в сравнении со слоем в виде ЛПА на поверхности СПС увеличивает значение ЭПР (σ_0,5) на 5…10 дБ в секторе углов локации 0±90° в дециметровом диапазоне длин волн (λ=17…90 см), превышающем размеры СПС до двух раз.

Техническим результатом, обеспечивающим решение указанной задачи, является увеличение ЭПР СПС в диапазоне длин волн, превышающих его размеры.

Задача изобретения решена: обеспечено получение максимально возможного сигнала, отраженного переотражателем в диапазоне длин волн, превышающих его размеры.

Реализация заявленного переотражателя 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 СПС целесообразно использовать для увеличения эффективной площади рассеяния объектов и создания ложных эхо-сигналов в дециметровом диапазоне длин волн.

Изобретение относится к области радиолокационной техники и может быть использовано для увеличения эффективной площади рассеяния объектов в широком диапазоне длин волн. Достигаемый технический результат – обеспечение максимально возможного сигнала, отраженного переотражателем в диапазоне длин волн, превышающих его размеры. Указанный результат достигается за счет нанесенного на поверхность стреловидного переотражателя рассеивающего слоя в виде логопериодической антенны, обеспечивается переотражение широкополосных сигналов. Придание рассеивающему слою фрактальной формы в виде минимум одного треугольника Серпинского с высотой, параллельной оси вращения стреловидного переотражателя, увеличивает его эффективную площадь рассеяния до десяти раз в диапазоне длин волн, превышающих его размер. 11 ил.

Стреловидный переотражатель сигнала в виде тонкой криволинейной поверхности, предназначенной для вращения вокруг строительной оси, проходящей от вершины стрелы к середине противоположной стороны, с нанесенным рассеивающим слоем в виде логопериодической антенны, отражающие свойства которой определяет логопериодическая функция, отличающийся тем, что рассеивающему слою придают фрактальную форму в виде минимум одного треугольника Серпинского, с максимальной высотой h_n, параллельной оси вращения стреловидного переотражателя сигнала и определяемой исходя из соотношения

где δ - логарифмический коэффициент масштаба; n - целое положительное число; λ_n - максимальная рабочая длина волны n-го поддиапазона фрактальной антенны.