Обтекатель широкополосной антенной системы Российский патент 2023 года по МПК H01Q1/42 

Изобретение относится к антенно-фидерным устройствам, преимущественно к системам антенна-обтекатель, при этом антенна имеет ряд широкополосных излучающих элементов, расположенных в определенном порядке, в том числе вблизи тонкой (нерезонансной) стенки обтекателя (≈ 0,5l_min), в плоскости апертуры антенны.

Известно, что при разработке и реализации сверхширокополосных систем антенна-обтекатель, в качестве антенной системы часто используется антенна, состоящая из ряда широкополосных излучающих элементов (например, спиральных антенн), расположенных в определенном порядке на общем основании, которые обладают широкой диаграммой направленности (далее - ДН), т.е. близкой по своим параметрам к ДН элементарного вибратора, и для них предъявляются требования по уровню амплитуды принимаемой электромагнитной волны каждым отдельным элементом антенны. Также известно, что для таких антенных систем в качестве обтекателя используется тонкостенная конструкция, изготовленная из радиопрозрачного материала, средняя толщина стенки которой существенно меньше самой короткой длины волны рабочего диапазона (h ≤ 0,1l_min).

Практика разработки обтекателя для такой антенной системы показала, что из-за значительной ширины диаграммы направленности элементов антенны, некоторые элементы расположены вблизи внутренней поверхности обтекателя таким образом, что при повороте антенны относительно обтекателя, расстояние, нормированное к минимальной длине волны рабочего диапазона, между элементом антенны и внутренней поверхностью обтекателя существенно изменяется, имеют амплитуду принимаемого сигнала, подверженную сильному влиянию волны, отраженной от стенки обтекателя. Амплитуда отраженной волны, особенно в коротковолновой части рабочего диапазона, может достигать значительной величины из-за невозможности обеспечить оптимальную толщину стенки обтекателя во всем рабочем диапазоне электромагнитных волн, учитывая согласование антенного элемента и стенки обтекателя с пространством. В результате фазового взаимодействия падающей и отраженной волн, принимаемых элементом антенны, может происходить значительное уменьшение амплитуды суммарной волны в его радиоканале. Таким образом, получаются провалы по коэффициенту прохождения относительно рабочего сверхширокополосного частотного диапазона и угла сканирования антенного устройства.

Известно, что проволочной решеткой (дифракционной структурой) индуктивного типа можно просветлить стенку обтекателя, т.е. обеспечить компенсацию отраженной электромагнитной волны от стенки обтекателя, а также изменить фазу отраженного сигнала от диэлектрической стенки (Каплун В.А., Кулиш В.Г. Дифракция электромагнитных волн на решетке цилиндрических полупроводящих стержней в плоском слое диэлектрика// Известие вузов. Радиофизика, 1984, Т. 27, № 5. С. 613-627. Каплун В.А., Кулиш В.Г. Эквивалентные схемы для расчета радиотехнических параметров решетки поглощающих нитей в диэлектрическом слое// Радиотехника, 1985, № 5, с.57-60). Откуда известно, что можно рассчитать оптимальные соотношения (размер ячейки и диаметр проводника) дифракционной структуры для известного по диэлектрическим характеристикам материала для определенного диапазона длин волн.

Также известно, что использование решетки индуктивного типа, состоящую из набора металлических проводов, расположенных в периодическом порядке, встроенной в стенку обтекателя, включающую тонкие по отношению к длине падающей электромагнитной волны диэлектрические слои, может улучшить радиотехнические характеристики обтекателя, в частности уменьшить коэффициент отражения (патент РФ № 2459323 опубликован 04.05.2011, «Стенка радиопрозрачного укрытия»,).

Основными недостатками вышеуказанной системы являются: использование ее в длинноволновой части частотного диапазона (дециметрового), чувствительная зависимость по амплитуде принимаемого сигнала от изменения расположения (расстояние между ними при сканировании антенного устройства в угловом направлении) при уменьшении длины волны в сантиметровом диапазоне, т.е. ограничение по широкополосности системы антенна-обтекатель, а также сложность изготовления для избирательного выполнения на отдельной части обтекателя.

Наиболее близкая модель антенного обтекателя представлена в патенте РФ № 2697516 («Антенный обтекатель (варианты)», МПК H01Q 1/42, опубликован 22.10.2018), в варианте обтекателя с электрически и физически тонкой стенкой, включающий однослойную конусообразную оболочку и эрозионностойкий носок, выполненные из термостойких пористых пластиков с диэлектрической проницаемостью 3,2- 4,2. Именно на этой модели проводились теоретические и экспериментальные работы.

Основным недостатком вышеуказанной модели является резкое уменьшение коэффициента прохождения на определенных углах механического сканирования антенны в плоскости прокачки в коротковолновой области частотного диапазона.

Задачей изобретения является улучшение радиотехнических характеристик (далее – РТХ), в частности коэффициента прохождения (далее - КП), широкополосной системы антенна-обтекатель в коротковолновом диапазоне длин волн при заданных углах сканирования антенного устройства.

Сущность данного изобретения заключается в том, что для изменения фазы отраженного сигнала и согласования системы антенна-обтекатель в коротковолновой части рабочего диапазона длин волн при сканировании антенного устройства в углах направления до 60°, на определенной высоте, по образующей стенке внутри обтекателя установлен пояс, расположенный на внутренней стенке обтекателя или выполненный заодно со стенкой обтекателя, шириной N* λ_min, где N расчетная величина, при этом N и высота расположения пояса зависят (рассчитываются) от контура образующей обтекателя и частотных точек, где происходит уменьшение коэффициента прохождения, перекрывающий область излучающих элементов антенны в определенном направлении, расположенных вблизи стенки обтекателя, и представляющий собой металлическую проволочную решетку с расчетным соотношением шага и толщины проволоки ее элементов, нормированных к длине волны в диапазоне минимальных длин волн, в рабочем диапазоне от 3 см до 10 см. Это позволяет улучшить согласование антенного устройства и обтекателя относительно свободного пространства в коротковолновой части рабочего диапазона, посредством использования компенсационной двух поляризованной решетки, получая сдвиг фазы отраженной электромагнитной волны и минимизации ее влияния, тем самым повышая коэффициент прохождения для коротковолновой части рабочего диапазона в определенном направлении сканирования антенной системы, при этом получив минимальные изменения радиотехнических характеристик в длинноволновой части рабочего диапазона.

В теоретической части, авторами, для двух ортогональных поляризаций (поляризация Е и поляризация Н) проведены расчеты значения фазы отраженной волны для плоской модели стенки обтекателя, толщина которой соответствовала толщине стенки предлагаемого обтекателя. В графическом виде на фиг. 1 показано изменение фазы отраженного сигнала без корректирующей решетки, а нам фиг. 2 приведены результаты изменения фазы отраженного сигнала с корректирующей решеткой. Расчетные данные подтверждают, что использование корректирующей решетки, позволило эффективно убрать скачек фазы отраженного сигнала на 180°. При этом, углы падения волны на модель стенки брались 55° – 70°, что соответствует носовым углам падения волны на обтекатель.

На фиг.3 показано схематичное изображение системы антенна-обтекатель и компенсационной решетки 5. Авторами проведены экспериментальные исследования, где использовалась базовая конструкция обтекателя 1 с антенным устройством 3 с широкополосными элементами 2 и 4, расположенными вблизи стенки обтекателя. Элемент антенны 2 расположен внутри обтекателя 1 таким образом, что при повороте антенны 3 в горизонтальной плоскости (плоскость XOZ) расстояние его от внутренней поверхности обтекателя 1 практически не изменяется при горизонтальном сканировании антенного устройства 3 (плоскость XOZ). При этом расстояние между элементом 4 и стенкой обтекателя 1 изменяется существенно. Исходное положение элементов ≈ 0,5l_min от стенки обтекателя 1.

Результаты экспериментального измерения КП электромагнитной волны через данный обтекатель, в котором элементы 2 и 4 расположены в соответствие с фиг. 3, при сканировании антенного устройства (повороте обтекателя) в горизонтальной плоскости для случаев: поляризация Е (электрический вектор электромагнитного поля лежит в плоскости поворота обтекателя) и поляризация Н (электрический вектор электромагнитного поля перпендикулярен плоскости поворота обтекателя) приведены на фиг. 4.

Из фиг. 4 видно, что при повороте обтекателя относительно антенны на ±30° в горизонтальной плоскости, уровень сигнала с элемента 2 слабо меняется, в то время как сигнал с элемента 4 претерпевает существенные изменения.

Для экспериментальной коррекции уровня сигнала на элементе 4 было определено место поверхности обтекателя, наиболее влияющее на уровень принимаемого сигнала. В качестве корректора для выбранной модели обтекателя был применен пояс из металлической решетки, параметры которой были определены расчетным путем и скорректированы экспериментально. В данной модели решетка выполнена из медных элементов (проволоки) диаметром 0,25 мм с шагом 5 мм.

На фиг. 5 приведены результаты экспериментального исследования обтекателя с описанной выше конструкцией стенки.

Из приведенных результатов видно существенное увеличение КП, измеренного на элементе антенны 4, что подтверждает предполагаемый способ улучшения РТХ в подобной конструкции системы антенна-обтекатель.

Таким образом, применив конструкцию стенки обтекателя с корректирующей решеткой на определенную часть его поверхности, можно увеличить КП широкополосной системы антенна-обтекатель, увеличивая сигнал на широкополосном элементе антенной системы в коротковолновой части диапазона, где проявляется его уменьшение за счет влияния отраженного сигнала от стенки обтекателя при угловом сканировании антенной системы и тем самым получить заметное улучшение радиотехнических характеристик системы антенна-обтекатель в целом.

Изобретение относится к антенной технике, в частности к обтекателям систем антенна-обтекатель, где антенна имеет ряд широкополосных излучающих элементов, расположенных вблизи тонкой нерезонансной стенки обтекателя, в плоскости апертуры антенны. Технический результат - улучшение радиотехнических характеристик, в частности коэффициента прохождения, широкополосной системы антенна-обтекатель в коротковолновом диапазоне длин волн при заданных углах сканирования антенного устройства. Результат достигается тем, что на определенной высоте по образующей стенке внутри обтекателя установлен пояс, расположенный на внутренней стенке обтекателя или выполненный заодно со стенкой обтекателя, шириной , где N расчетная величина, при этом N и высота расположения пояса зависят и рассчитываются от контура образующей обтекателя и частотных точек, где происходит уменьшение коэффициента прохождения, перекрывающий область излучающих элементов антенны в определенном направлении, расположенных вблизи стенки обтекателя, и представляющий собой металлическую проволочную решетку с расчетным соотношением шага и толщины проволоки ее элементов, нормированных к длине волны в диапазоне минимальных длин волн, в рабочем диапазоне от 3 см до 10 см. 5 ил.

Обтекатель широкополосной антенной системы, выполненный в виде однослойной конусообразной оболочки с носком из термостойких пористых стеклопластиков с диэлектрической проницаемостью 3,2-4,2, стенка оболочки которого в его носовой части на расстоянии не менее одной трети высоты от носка равнотолщинная и составляет не более , где - длина волны для верхней частоты трехсантиметрового рабочего диапазона, _, с учетом диэлектрической проницаемости материала оболочки при среднем угле падения волны на поверхность обтекателя 70°, отличающийся тем, что на определенной высоте по образующей стенке внутри обтекателя установлен пояс, расположенный на внутренней стенке обтекателя или выполненный заодно со стенкой обтекателя, шириной _, где N расчетная величина, при этом N и высота расположения пояса зависят и рассчитываются от контура образующей обтекателя и частотных точек, где происходит уменьшение коэффициента прохождения, перекрывающий область излучающих элементов антенны в определенном направлении, расположенных вблизи стенки обтекателя, и представляющий собой металлическую проволочную решетку с расчетным соотношением шага и толщины проволоки ее элементов, нормированных к длине волны в диапазоне минимальных длин волн, в рабочем диапазоне от 3 см до 10 см.