Стенка широкополосного обтекателя Российский патент 2021 года по МПК H01Q1/42 

Изобретение относится к антенно-фидерным устройствам преимущественно к широкополосным системам «антенна-обтекатель», предназначенным для работы в совмещенных диапазонах.

Известна широкополосная система «антенна-обтекатель» для работы в совмещенных не кратных диапазонах, содержащих диэлектрический корпус в форме колпака, снабженного узлом крепления к летательному аппарату с симметричной трехслойной стенкой из термостойкого диэлектрика (Каплун В.А. Обтекатели антенн СВЧ/В.А. Каплун.- М.: Советское радио, 1974 г. -238 с.) В представленном решении значение электрической толщины фазовой длины многослойной конструкции стенки обтекателя выбирается соответствующим средней длине волны между длиной волны на средней частоте верхнего и длиной волны на частоте нижнего диапазона.

Структура стенки обтекателя состоит из слоев материалов с известными значениями диэлектрической проницаемости. 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 искажения фазы прошедшего через обтекатель поля падающей волны.

Обтекатель с резонансной полуволновой стенкой вносит минимально возможные искажения в поле падающей волны на резонансной частоте, но пропорционально увеличению рабочей полосы значительно возрастает величина искажений, носимых обтекателем в поле падающей волны.

Многослойные стенки обтекателей позволяют существенно расширить полосу пропускания обтекателя по радиопрозрачности.

Технология изготовления многослойных стенок из термостойких материалов очень трудоемка из-за высоких требований, предъявляемых к точности изготовления слоев и сложности процесса их соединения в единую конструкцию. В виду возрастания трудоемкости изготовления, по сравнению с монолитными, многослойные стенки применяют тогда, когда определенные требования не выполняются при использовании полуволновой монолитной или электрически тонкой стенок.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является изобретение по патенту РФ на полезную модель №162208 «Многослойный радиопрозрачный обтекатель» опубликовано 27.05.2016. Обтекатель содержит наружную и внутреннюю обшивки из композиционного материала, между которыми установлен вспененный заполнитель, при этом вспененный заполнитель состоит из верхнего, прикрепленного к наружной обшивке, и нижнего слоя, прикрепленного к внутренней обшивке, между верхним слоем и нижним слоем вспененного заполнителя выполнен компенсирующий зазор δ, заполненный армированной дискретными элементами клеевой прослойкой.

Недостатком является то, что слои стенки выполняются в виде элементов оболочек из различных материалов, которые собираются совместно, или формуются совместно, но из различных по составу материалов. Слои изготовлены из материалов различных по плотности и различных по другим теплофизическим и механическим параметрам, что делает их плохо совместимыми при тепловых и механических нагрузках.

Задачей изобретения является создание многослойной стенки широкополосного обтекателя на основе многокомпонентного композиционного материала близкого по структуре для всех слоев.

Решение задачи выполняется тем, что предложена стенка широкополосного обтекателя, содержащая наружную и внутреннюю обшивки, верхний, компенсирующий и нижний слои выполненные из различных материалов, отличающаяся тем, что верхний, компенсирующий и нижний слои выполнены из композиционного материала, полученного путем смешения фосфатного неорганического связующего ФОСКОН 351 с порошком оксида алюминия, нанесением полученной композиции на кварцевую ткань, а в компенсирующий слой дополнительно введена добавка диоксида циркония, замещающая окись алюминия.

Установлено, что применение трехслойной стенки типа B-Sandwich позволяет получить самую широкую полосу пропускания обтекателя, для которой диэлектрическая проницаемость внутреннего слоя () больше диэлектрической проницаемости внешних слоев () для симметричной стенки: .

Для реализации многослойной стенки авторы использовали композиционный термостойкий материал на основе кварцевой ткани и неорганического фосфатного связующего, состав которой представлен в таблице 1.

Таблица 1

Состав многокомпонентного композиционного материала. Компоненты материала Плотность, с, г/см³ Рассчитанная объемная часть, % Диэлектрическая проницаемость при частоте 10¹⁰ Гц
при Т=20 ^оС Неорганическое фосфатное связующее
ФОСКОН 351 1550-1750 17-23 3,2-3,4 Окись алюминия (корунд) 4000 7-10 9-10 Кварцевая ткань 2650 66-74 4,0-4,2 Смола кремний –органическая КМ-9К (спиртовой раствор) 1600 1-2 3,8 - 4,0

Композиционный материал получали путем смешения фосфатного неорганического связующего ФОСКОН 351 с порошком оксида алюминия (корунд), нанесением полученной композиции на кварцевую ткань, аппретированную раствором кремнийорганической смолы КМ-9К, содержащим спирт, и отверждение при заданных температуре и давлении.

Полученный материал имеет плотность с=1500-1800 г/см³ и диэлектрическую проницаемость при частоте 10¹⁰ Гц при Т=20 ^оС порядка 3,2-3,4.

Без добавок этот материал составляет в трехслойной симметричной стенке внешние слои.

Внутренний слой состоит из этого же материала, только порошок оксида алюминия (корунда) был заменен порошком окиси циркония ZrO, имеющего диэлектрическую проницаемость .

Соотношение порошка окиси циркония в неорганическом связующем составляет от 40 до 70 %.

Изменение процентного содержания добавки ZrO в связующем от 40 до 70%, замещая окись алюминия, позволило управлять диэлектрической проницаемостью внутреннего слоя.

На Фиг. 1 представлена зависимость диэлектрической проницаемости внутреннего слоя от процентной добавки ZrO в связующем.

Для проверки широкополосности стенки обтекателя, работающего в двух совмещенных диапазонах, на нижнем со средней частотой 9 ГГц и верхнем со средней частотой 15 ГГц была рассчитана и изготовлена симметричная трехслойная радиотехническая конструкция, параметры которой представлены в таблице 2.

Таблица 2

Параметры слоев стенки широкополосного обтекателя Параметры слоя Первый внешний слой Второй внутренний слой Третий внешний слой Толщина, мм 4,8 1,4 4,8 Диэлектрическая проницаемость 3,2 5,5 3,2

Частотная зависимость коэффициента прохождения была измерена на установке в свободном пространстве на пластине, расположенной между двумя Н–секториальными рупорами с помощью векторного анализатора цепей.

Теоретическая и экспериментальные зависимости коэффициентов прохождения трехслойной пластины с параметрами, указанными в таблице 2, представлены на Фиг. 2.

Рассчитываемая частотная зависимость проводилась для материалов не имеющих диэлектрических потерь, а экспериментальная зависимость была получена для реальных материалов с диэлектрическими потерями равными тангенсу угла диэлектрических потерь поэтому экспериментальная зависимость проходит ниже теоретической.

Таким образом, достигнутый положительный эффект заключается в повышении широкополосности системы «антенна-обтекатель» за счет использования многослойной стенки обтекателя выполненного на основе однородного многокомпонентного материала и введения дополнительной добавки для увеличения диэлектрической проницаемости внутреннего слоя.

Изобретение относится к антенно-фидерным устройствам, преимущественно к широкополосным системам «антенна-обтекатель», предназначенным для работы в совмещенных диапазонах. Стенка широкополосного обтекателя содержит наружную и внутреннюю обшивки, верхний, компенсирующий и нижний слои, выполненные из различных материалов, при этом верхний, компенсирующий и нижний слои выполнены из композиционного материала, полученного путем смешения фосфатного неорганического связующего ФОСКОН 351 с порошком оксида алюминия, нанесения полученной композиции на кварцевую ткань, а в компенсирующий слой дополнительно введена добавка диоксида циркония, замещающая окись алюминия. Таким образом, достигнутый положительный эффект заключается в повышении широкополосности системы «антенна-обтекатель» за счет использования многослойной стенки обтекателя, выполненного на основе однородного многокомпонентного материала, и введения дополнительной добавки для увеличения диэлектрической проницаемости внутреннего слоя. 2 табл., 2 ил.

Стенка широкополосного обтекателя, содержащая наружную и внутреннюю обшивки, верхний, компенсирующий и нижний слои, выполненные из различных материалов, отличающаяся тем, что верхний, компенсирующий и нижний слои выполнены из композиционного материала, полученного путем смешения фосфатного неорганического связующего ФОСКОН 351 с порошком оксида алюминия, нанесения полученной композиции на кварцевую ткань, а в компенсирующий слой дополнительно введена добавка диоксида циркония, замещающая окись алюминия.