АНТЕННОЕ УКРЫТИЕ Российский патент 2019 года по МПК H01Q1/42 

Устройство относится к радиотехнике СВЧ и предназначено для укрытия зеркальных антенных систем радиоэлектронных средств (РЭС) от неблагоприятного воздействия внешней среды.

Известны антенные укрытия различной формы, выполненные из радиопрозрачных элементов (модулей) различной конфигурации и предохраняющие антенные системы РЭС от воздействия неблагоприятных факторов (см., например, авт. свид. ЧССР №247237, МПК HO1Q 1/00 и №269376, МПК HO1Q 1/42; пат. Японии №57 - 23450, МПК HO1Q 1/42, заявки Японии №60 - 105301, МПК HO1Q 1/02, HO1Q 1/42, №60 - 191502, МПК HO1Q 3/08, HO1Q 1/12 и №60 - 239107, МПК HO1Q 1/27 и №3615645, МПК HO1Q 1/00; заявку Великобритании №2215137, МПК HO1Q 1/42).

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству (прототипом) является антенное укрытие, описанное в заявке ФРГ №3430657, МПК HO1Q 1/42 и выполненное из отдельных стандартных элементов (модулей) треугольной или сегментной формы, изготовленных из радиопрозрачного материала. Укрытие не содержит металлической арматуры и мало влияет на характеристики антенн.

Недостатком известного антенного укрытия является отсутствие элементов пространственной селекции излучаемых (принимаемых) сигналов антенной, расположенной в укрытии. Что обусловливает недостаточную защищенность антенны от самонаводящегося на излучение оружия, а так же помехоустойчивость и электромагнитную совместимость.

Задача, на решении которой направлено заявляемое изобретение, заключается в изменении конструкции антенного укрытия для приобретения им свойства пространственной селекции электромагнитных излучений в вертикальной плоскости.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в снижении уровня бокового и заднего излучения (приема) апертурных антенн в вертикальной плоскости, расположенных в укрытии, приводящем к улучшению характеристик живучести, помехоустойчивости и электромагнитной совместимости системы «антенна - укрытие».

Технический результат достигается тем, что в известное антенное укрытие, состоящее из основания и стандартных элементов (модулей) треугольной или сегментной конфигурации, изготовленных из радиопрозрачного материала и закрепленных между собой в виде полусферы, согласно изобретению в полусферу параллельно основанию установлены два диска из радиопоглощающего материала, один из которых установлен на уровне нижней кромки апертуры укрываемой зеркальной антенны, а второй - на уровне верхней кромки апертуры укрываемой зеркальной антенны, причем края дисков закруглены, нижнего - вниз, а верхнего - вверх, при этом радиус и высота закруглений не превышает пяти длин волн, а удаление скруглений от соответствующих кромок апертуры антенны составляет не менее чем пятнадцать длин волн.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в известное антенное укрытие параллельно основанию установлены два диска из радиопоглощающего материала, один из которых установлен на уровне нижней кромки апертуры укрываемой зеркальной антенны, а второй - на уровне верхней кромки апертуры укрываемой зеркальной антенны, причем края дисков закруглены, нижнего - вниз, а верхнего - вверх, при этом радиус и высота закруглений не превышает пяти длин волн, а удаление скруглений от соответствующих кромок апертуры антенны составляет не менее чем пятнадцать длин волн.

Предлагаемое изобретение обеспечивает достижение положительного эффекта за счет введения в известное укрытие двух радиопоглощающих дисков, при соответствующем выборе размеров которых, обеспечивается экранирование и одновременное поглощение части энергии, которая учувствует в формировании ближних и дальних боковых лепестков диаграммы направленности антенны, в результате чего улучшается пространственная селекция сигналов и уменьшается уровень боковых лепестков, уменьшается радиозаметность укрываемого изделия и повышается его помехозащищенность.

Конструкция и принцип действия предлагаемого антенного укрытия поясняются фиг. 1-3.

На фиг. 1, 2 изображена конструкция предлагаемого укрытия, причем отличие фиг. 1 от фиг. 2 заключается в том, что в первом случае показан раскрыв зеркальной антенны, а во втором - ее вид сбоку. Фиг. 3, дает представление об основных размерах укрытия и принципе его действия.

На фиг. 4 приведены результаты моделирования на ЭВМ диаграммы направленности антенны под укрытием с дисками и без них.

На фиг. 1, 2 представлено антенное укрытие, где обозначено: 1 - стандартные радиопрозрачные элементы (модули) треугольной или сегментной конфигурации, соединенные между собой таким образом, что все вместе образуют сфероидальную форму укрытия, 2 - два диска из радиопоглощающего материала, расположенных по ширине внутри и вне укрытия, причем нижний диск установлен на уровне нижней кромки апертуры укрываемой антенны, а верхний диск - на уровне верхней кромки апертуры укрываемой антенны, 3 - зеркальная антенна, 4 - основание укрытия, 5 - скругления дисков, радиус и высота которых не превышает пяти длин волн.

Принцип действия укрытия заключается в следующем.

В отличие от укрытия - прототипа, которое практически беспрепятственно пропускает электромагнитную энергию, излучаемую (принимаемую) зеркальной антенной, во всех направлениях и служит, в основном, для защиты антенны от воздействия метеофакторов (дождь, снег, гололед, туман и т.д.), в предлагаемом укрытии наряду с сохранением его защитных свойств, обеспечиваемым радиопрозрачными элементами 1 (фиг. 1, 2), введенными радиопоглощающими дисками 2 при соответствующем выборе их размеров и расположении обеспечиваются экранирование и одновременное поглощение части энергии, которая участвует в формировании ближних и дальних боковых лепестков диаграммы направленности антенны 3 в угломестной плоскости. То есть диски 2 экранируют и поглощают ту часть энергии основного лепестка диаграммы направленности облучателя, которая затекает за края зеркала, поскольку в большинстве зеркальных антенн для формирования требуемого амплитудного распределения в раскрыве края зеркала облучаются на уровне 0,1÷0,2 от максимальной энергии облучателя. Кроме того, диски 2 поглощают энергию боковых лепестков облучателя в вертикальной плоскости, а также энергию, создаваемую токами, затекающими за кромку зеркала, если в последнем не приняты специальные меры, устраняющие это затекание.

Для эффективного экранирования и поглощения энергии нежелательных излучений расстояние между зеркалом 3 и дисками 2 должно выбираться из условия: h-L<<λ, где λ - длина волны, h - расстояние между радиопоглощающими дисками, L - вертикальный размер раскрыва зеркала (см. фиг. 3).

Введение в укрытие радиопоглощающих дисков 2 (фиг. 1, 2) производит затенение излучающего раскрыва антенны 3, который участвует в образовании, как основного, так и боковых лепестков диаграммы направленности [Г.З. Азенберг, В.Г. Ямпольский, О.Н. Терешин Антенны УКВ. - М.: Связь, 1977, т. II.]. Затенение происходит по закону tgθ, где θ - угол падения луча по отношению к нормали раскрыва. Действительно, размер затененной части раскрыва АВ (фиг. 3) определяется соотношением:

где R - внешний радиус радиопоглощающего диска, z - глубина зеркала в вертикальной плоскости, которая находится из выражения Здесь ƒ - фокусное расстояние образующей зеркала. При этом в силу известной зависимости тангенса от угла степень затенения существенно по разному сказывается в области основного и боковых лепестков. Теоретически затенение приводит к расширению основного лепестка и снижению его уровня, что естественно нежелательно. Но аналогичным образом это сказывается и на боковых лепестках, что в данном случае необходимо. Анализ показывает, что для антенны с размерами раскрыва в вертикальной плоскости L≥10λ для всех направлений передней полусферы в пределах формирования основного лепестка (θ≤10°) затенение слабо сказывается на формировании этого лепестка диаграммы направленности антенны и непосредственно примыкающих к нему боковых лепестков. Для области же ближних (θ≥10°) и особенно дальних боковых лепестков (θ≈30°÷90°) имеет место существенное снижение их уровня, как за счет затенения, так и за счет поглощения затекающей энергии основного и боковых лепестков облучателя. Для приближенной количественной оценки этого снижения в вертикальной плоскости в пределах θ = ±90° может быть использован апертурный метод расчета диаграммы направленности ƒ_c(θ) системы «зеркальная антенна - укрытие», рассчитываемый с помощью известного выражения [Г.З. Азенберг, В.Г. Ямпольский, О.Н. Терешин Антенны УКВ. - М.: Связь, 1977, т. II. - 288 с.]:

где А(х) - амплитудное распределение поля в раскрыве, выражаемое через характеристику направленности облучателя, - коэффициент фазы.

Если ввести нормированную переменную х' в виде то с учетом фиг. 3 выражение (2) преобразуется к расчетному соотношению следующего вида:

Поскольку в пределы интегрирования входят параметры (размеры) системы «антенна - укрытие», то выражение (3) позволяет помимо оценки диаграммы направленности решать и обратную задачу, связанную с обоснованным выбором параметров при заданном уровне боковых лепестков и ширине основного лепестка.

Необходимость учета различных факторов при формировании диаграммы направленности системы «антенна-укрытие» делает затруднительным удовлетворительное аналитическое описание направленных свойств этой системы в широком секторе углов θ=0°-180°. Поэтому для оценочных расчетов в секторе θ=0°-90° используем соотношение (3), разделив этот сектор на область основного, ближних и дальних боковых лепестков и, вводя в каждом случае некоторое эквивалентное амплитудное распределение, учитывающее поглощение нежелательных излучений облучателя и затекающих за кромку зеркала токов возрастающей скоростью спадания этого распределения к краям. Подбор скорости спадания производится исходя из экспериментальных данных, например, для зеркальных антенн с блендами, приведенных в [В.Г. Ямпольский, О.П. Фролов. Антенны и ЭМС, - М.: Радио связь, 1983. - 272 с.].

Тогда для указанного сектора описание направленных свойств можно представить в виде:

Здесь А(х'), A₁(x'), А₂(х') - амплитудные распределения с нарастающей скоростью убывания.

В качестве амплитудного распределения могут быть приняты распространенные аппроксимации вида:

где n>1, Δ<1. При этом значения параметров n и Δ для каждого из секторов (4) подбираются с учетом экспериментальных данных.

Результаты численного моделирования, проведенного в соответствии с (3) и (4), показывают, что предлагаемая конструкция антенного укрытия обеспечивает снижение уровня ближних боковых лепестков в среднем не менее чем на 10 дБ, а дальних боковых не менее чем на 20 дБ. При этом ширина основного лепестка увеличивается незначительно (см. фиг. 4), где сплошной линией изображена нормированная диаграмма направленности антенны под укрытием без дисков, а штриховой - антенны под укрытием при ширине диска перед раскрывом антенны 15λ.

По результатам моделирования можно также сделать вывод о том, что радиус диска должен обеспечивать его размер перед раскрывом не менее пятнадцать длин волн, то есть R≥z+15λ или

При этом должно выполняться неравенство R≥r₁, где r₁ - радиус основания сфероидальной части укрытия (фиг. 3), который выбирается из условия обеспечения возможности вращения зеркальной антенны в горизонтальной плоскости (при необходимости такого вращения) где L_Г - горизонтальный размер раскрыва антенны.

Скругления 5 выступающих краев радиопоглощающих дисков 2 (фиг. 1) обеспечивают лучшее согласование излучающего раскрыва с пространством, уменьшают уровень бокового излучения, а также частично компенсируют возможное расширение главного лепестка из-за затенения части раскрыва антенны, поскольку скругления несколько расширяют излучающую апертуру. При этом радиус r₂ скругления целесообразно выбирать в пределах пяти длин волн, то есть r₂≤5λ, а высота скругления не должна превышать его радиуса, то есть m≤r₂.

Толщина радиопоглощающего слоя d выбирается из условия обеспечения ослабления энергии падающей электромагнитной волны на (20÷40) дБ.

Что касается области углов, занимаемых задними лепестками, то в качестве оценки эффективности подавления нежелательного излучения (приема) в этом секторе может быть использован по аналогии с зеркальными антеннами коэффициент защитного действия. Он представляет собой нормированный уровень поля в заднем полупространстве (θ>90°).

Если используется аппроксимация вида (6), то коэффициент защитного действия К_з антенны без заявляемого укрытия в обозначениях фиг. 3, при n=2, может быть представлен в виде [В.Г. Ямпольский, О.П. Фролов Антенны и ЭМС, - М.: Радио связь, 1983. - 272 с.]:

Например, для большинства практически используемых антенн 1-Δ=0,316(-10 дБ), Ψ₀=60°-105°. Пример для длиннофокусной антенны (распространенный случай укрываемых антенн) Ψ₀=60°, λ=0,1 м, L=20λ, тогда (7) К_з составит - 31,7 дБ.

Излучение системы «антенна - предлагаемое укрытие» в заднем полупространстве будет определяться дифракцией поля облучателя и поля излучающего раскрыва в виде раствора дисков со скругленными краями.

Защитное действие относительно поля облучателя может быть определено равенством

где ƒ(Ψ) - диаграмма направленности облучателя.

Для заявляемого укрытия Ψ₁>Ψ₀ (фиг. 3), поэтому кромка дисков возбуждается боковыми лепестками облучателя. Для большинства практически используемых антенн Поэтому оценка, приведенная в соответствии с (8) для выбранных исходных данных, показывает, что защитное действие системы «антенна - предлагаемое укрытие» по сравнению с системой без такого укрытия относительно действия облучателя не менее чем на 20 дБ лучше.

Оценка защитного действия относительно фактора дифракции поля излучающего раскрыва на его кромке может быть получена с помощью приближенного соотношения:

Здесь в отличие от известного соотношения [В.Г. Ямпольский, О.П. Фролов Антенны и ЭМС, - М.: Радио связь, 1983. - 272 с.], учитывает поглощающее действие дисков где К_з определяется в соответствии с (7).

Расчеты с использованием соотношения (10) показывают, что предлагаемое укрытие улучшает защитное действие относительно рассматриваемого фактора не менее чем на 15 дБ.

В качестве обобщенной оценки защитного действия предлагаемого укрытия может, в определенной мере, служить сравнение диаграмм направленности антенны под укрытием с дисками и без них. Эти диаграммы, полученные с использованием приведенных соотношений в широком секторе углов вертикальной плоскости (0°-90°) для конкретных значений параметров, взятых для примера, показаны на фиг. 4. На фиг. 4 цифрой 6 обозначена диаграмма направленности антенны под укрытием без поглощающих излучение дисков (для прототипа), а цифрой 7 - с дисками (для заявляемого устройства. Как видно из фиг. 4, заявляемое устройство обеспечивает заметное снижение уровня боковых лепестков во всем секторе рассматриваемых углов при незначительном расширении основного лепестка.

Возможность технической реализации предлагаемого антенного укрытия сомнений не вызывает, поскольку в промышленности освоен выпуск радиопрозрачных укрытий из стандартных элементов треугольной или сегментной конфигурации и разработан также ряд радиопоглощающих материалов, которые в данном случае необходимо выполнить в виде дисков и разместить их в укрытии.

В целом использование предлагаемого антенного укрытия приводит к положительному эффекту, который заключается в ослаблении излучения и приема в пределах сектора, занимаемого ближними и дальними боковыми лепестками в вертикальной плоскости в среднем на 15 дБ, что позволяет улучшить характеристики помехозащищенности, электромагнитной совместимости и пространственной селекции сигналов радиоэлектронных средств.

Анализ известных технических решений в области построения радиопрозрачных укрытий для зеркальных антенн показывает, что заявляемое изобретение, благодаря существенным признакам, определившим путь достижения технического результата, не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники и соответствует требованию «изобретательского уровня».

Заявителем не обнаружен аналог и прототип, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемого изобретения, что позволяет считать его удовлетворяющим критерию «изобретательская новизна».

Антенное укрытие (АУ) относится к радиотехнике СВЧ и предназначено для укрытия зеркальных антенных систем радиоэлектронных средств от неблагоприятного воздействия внешней среды. АУ состоит из основания и стандартных элементов треугольной или сегментной конфигурации, изготовленных из радиопрозрачного материала и закрепленных между собой в виде полусферы. При этом в полусферу параллельно основанию установлены два диска из радиопоглощающего материала, один из которых установлен на уровне нижней кромки апертуры укрываемой зеркальной антенны, а второй - на уровне верхней кромки апертуры укрываемой зеркальной антенны, причем края дисков закруглены, нижнего - вниз, а верхнего - вверх, при этом радиус и высота закруглений не превышает пяти длин волн, а удаление скруглений от соответствующих кромок апертуры антенны составляет не менее чем пятнадцать длин волн. Технический результат - улучшение характеристик помехозащищенности, электромагнитной совместимости и пространственной селекции сигналов радиоэлектронных средств. 4 ил.

Антенное укрытие, состоящее из основания и стандартных элементов (модулей) треугольной или сегментной конфигурации, изготовленных из радиопрозрачного материала и закрепленных между собой в виде полусферы, отличающееся тем, что в полусферу параллельно основанию установлены два диска из радиопоглощающего материала, один из которых установлен на уровне нижней кромки апертуры укрываемой зеркальной антенны, а второй - на уровне верхней кромки апертуры укрываемой зеркальной антенны, причем края дисков закруглены, нижнего - вниз, а верхнего - вверх, при этом радиус и высота закруглений не превышает пяти длин волн, а удаление скруглений от соответствующих кромок апертуры антенны составляет не менее чем пятнадцать длин волн.