УПРАВЛЯЕМЫЙ ЧАСТОТНО-СЕЛЕКТИВНЫЙ ЭКРАН Российский патент 2023 года по МПК H01Q1/42 H01Q17/00 H01P1/22 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к управляемому частотно-селективному экрану, и может быть использовано для снижения радиолокационной заметности антенных систем.

Для снижения радиолокационной заметности антенных систем используют экраны из частотно-селективных поверхностей, которые в диапазоне частот работы антенных систем являются радиопрозрачными, а в остальных диапазонах частот либо отражают, либо поглощают электромагнитное излучение.

Известен способ уменьшения эффективной площади рассеивания апертурных антенн и фазированных антенных решеток радиолокационной станции, состоящий в том, что перед антенной устанавливают экран в виде проводящей поверхности в форме конуса с прорезанными щелям (Михайлов Г.Д., Сергеев В.И. Методы и средства уменьшения радиолокационной заметности антенных систем. Зарубежная радиоэлектроника, 1994, №4-5, с. 54-59). Этот экран пропускает электромагнитные волны с частотой и поляризацией собственной радиолокационной станции и отражает электромагнитные волны других частот и поляризаций. Недостатком данного способа и устройства его реализации является то, что эффективная площадь рассеивания антенны снижается только на частотах и поляризации, находящихся вне рабочего диапазона укрываемой антенны.

В ситуации, когда дифракционные лепестки диаграммы обратного рассеяния защищаемой антенны с высоким уровнем эффективной площади рассеивания образуются в рабочем диапазоне частот защищаемой антенны или вблизи этого диапазона и находятся в потенциальном направлении облучения противником, использование простых частотно-селективных экранов малоэффективно. Необходимо использовать управляемые экраны.

Управляемые экраны отличаются тем, что их радиопрозрачность целенаправленно изменяется, а именно в период времени излучения или приема укрываемой антенны управляемый экран радиопрозрачен в рабочем диапазоне частот антенны, а в остальное время управляемый экран непрозрачен в диапазоне частот снижения радиолокационной заметности.

Известен управляемый частотно-селективный экран для обеспечения экранирования в диапазоне собственных рабочих частот антенны, степень радиопрозрачности которого может переключаться воздействием светового потока (патент US 5278562 «Method and apparatus using photoresistive materials as switchable EMI barriers and shielding)), опубликован 11.01.1994). Согласно этому техническому решению, необходимо нанести на внутреннюю поверхность обтекателя антенны фоточувствительную пленку, поверхностное сопротивление которой зависит от уровня освещенности. Недостатком данного изобретения являются значительные технологические трудности по созданию пленки с требуемым диапазоном изменения поверхностного сопротивления и необходимыми эксплуатационными параметрами. В идеальном случае пленка должна переводиться из практически проводящего состояния (режим экранирования) в состояние с очень высоким сопротивлением (режим «отсутствия)) экрана). Недостатком реализации данного способа является то, что реальный диапазон изменения сопротивления должен составлять (по порядку величины) от 10 Ом до 10 кОм на квадрат поверхности, чего в настоящее время по технологическим причинам достичь не удается.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является изобретение, описанное в заявке WO 2007123504 А1 «Tunable frequency selective surface)), опубликована 01.11.2007). Данное изобретение представляет собой управляемую частотно-селективную поверхность, выполненную с использованием p-i-n диодов. Данная поверхность может быть использована при создании частотно-селективных экранов для уменьшения радиолокационной заметности антенных систем. Основной принцип заключается в том, что активные элементы обеспечивают электрический контакт и разъединение различных частей двумерной периодической решетки из металлических элементов, тем самым изменяя частотные характеристики прохождения поверхности. В конструкции предлагается использовать параллельные LC-схемы с диодами для создания управляемой полосы прохождения частотно-селективной поверхности. Недостатком данного способа является то, что паразитная емкость p-i-n диодов в «закрытом» состоянии и ненулевое сопротивление в «открытом» состоянии ухудшают характеристики управляемости частотно-селективной поверхности. Помимо этого, использование p-i-n диодов связано с необходимостью подведения к ним управляющего сигнала (электрического напряжения) через ленточные проводники или иные токопроводящие конструкции. Тем самым конструктивные решения, предложенные в вышеприведенном патенте, ухудшают радиопрозрачность частотно-селективной поверхности в «открытом» состоянии, когда она должна оказывать минимальное влияние на характеристики антенны. Кроме того, стоимость p-i-n диодов высока, что с учетом требуемой высокой плотности их размещения (до 10 шт. на квадратную длину волны) и значительной площади частотно-селективной поверхности (экрана) делает конструкцию очень дорогой.

Техническая задача, на достижение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в снижении радиолокационной заметности антенных систем, а именно создании управляемого частотно-селективного экрана.

Технический результат достигаемый изобретением заключается в снижении радиолокационной заметности антенных систем.

Указанный технический результат достигается за счет управляемого частотно-селективного экрана, который устанавливается перед антенной, состоит из частотно-селективных поверхностей, образованных по меньшей мере двумя двумерными периодическими решетками проводящих элементов, расположенными на радиопрозрачных диэлектрических стенках с минимальным зазором между собой, при этом проводящие элементы представляют собой повторяющиеся двумерные периоды, рисунок одного периода двумерных периодических решеток имеет зоны с проводящим покрытием и зоны без проводящего покрытия, частотно-селективные поверхности выполнены с возможностью перемещения друг относительно друга в направлении одной или обеих осей двумерного периода на дистанцию, соответствующую половине или менее половины периода, в результате чего обеспечивается снижение радиолокационной заметности антенны.

Изобретение поясняется следующими изображениями:

Фиг. 1 - управляемый частотно-селективный экран, установленный перед антенной,

Фиг. 2 - конструкция управляемого частотно-селективного экрана,

Фиг. 3 - конфигурация проводящего покрытия одного периода двумерных периодических решеток в режиме «открыто»,

Фиг. 4 - конфигурация проводящего покрытия одного периода двумерных периодических решеток в режиме «закрыто» и их совмещение,

Фиг. 5 - частотная зависимость коэффициента прохождения управляемого частотно-селективного экрана в режиме «открыто»,

Фиг. 6 - частотная зависимость коэффициента прохождения управляемого частотно-селективного экрана в режиме «закрыто»,

Фиг. 7а - управляемый частотно-селективный экран с тремя двумерными периодическими решетками,

Фиг. 7б - конфигурация проводящего покрытия одного периода двумерных периодических решеток управляемый частотно-селективного экрана с тремя двумерными периодическими решетками в режиме «открыто»,

Фиг. 7в - конфигурация проводящего покрытия одного периода двумерных периодических решеток управляемый частотно-селективного экрана с тремя двумерными периодическими решетками в режиме «закрыто» и их совмещение,

Фиг. 8а - принципиальная схема системы создания разрежения управляемого частотно-селективного экрана,

Фиг. 8б - схематичный вид системы создания разрежения управляемого частотно-селективного экрана,

Фиг. 9а - система управления приводом управляемого частотно-селективного экрана,

Фиг. 9б - конструкция пневмопривода,

Фиг. 10 - экспериментальные значения коэффициента прохождения управляемого частотно-селективного экрана с тремя двумерными периодическими решетками в режиме «открыто» и «закрыто».

На представленных чертежах позициями обозначены:

1 - управляемый частотно-селективный экран,

2 - антенна,

3 - радиопрозрачный обтекатель,

4 - двумерные периодические решетки,

5 - радиопрозрачные диэлектрические основания,

6 - период двумерной периодической решетки проводящих элементов вдоль оси х,

7 - период двумерной периодической решетки проводящих элементов вдоль оси у,

8 - расстояние (зазор) между двумерными периодическими решетками,

9 - конфигурация проводящего покрытия одного периода первой двумерной периодической решетки,

10 - конфигурация проводящего покрытия одного периода второй двумерной периодической решетки,

11 - расстояние перемещения второй двумерной периодической решетки относительно первой,

12 - зона с проводящим покрытием двумерной периодической решетки,

13 - зона без проводящего покрытия двумерной периодической решетки,

14 - зона емкостной связи между проводящими покрытиями двумерных периодических решеток,

15 - частотная зависимость коэффициента прохождения управляемого частотно-селективного экрана в открытом состоянии при нормальном падении электромагнитной волны,

16 - частотная зависимость коэффициента прохождения управляемого частотно-селективного экрана в открытом состоянии при падении электромагнитной волны под углом 60 градусов при Е поляризации,

17 - частотная зависимость коэффициента прохождения управляемого частотно-селективного экрана в открытом состоянии при падении электромагнитной волны под углом 60 градусов при Н поляризации,

18 - диапазон рабочих частот антенны Δf_paб,

19 - частотная зависимость коэффициента прохождения управляемого частотно-селективного экрана в закрытом состоянии при нормальном падении электромагнитной волны,

20 - частотная зависимость коэффициента прохождения управляемого частотно-селективного экрана в закрытом состоянии при падении электромагнитной волны под углом 60 градусов при Е поляризации,

21 - частотная зависимость коэффициента прохождения управляемого частотно-селективного экрана в закрытом состоянии при падении электромагнитной волны под углом 60 градусов при Н поляризации,

22 - герметизирующая манжета,

23 - конфигурация проводящего покрытия одного периода двумерной периодической решетки в двусторонней панели управляемого частотно-селективного экрана с тремя двумерными периодическими решетками,

24 - конфигурация проводящего покрытия одного периода двумерной периодической решетки в двусторонней панели управляемого частотно-селективного экрана с тремя двумерными периодическими решетками,

25 - конфигурация одного периода двумерной периодической решетки в односторонней панели управляемого частотно-селективного экрана с тремя двумерными периодическими решетками,

26 - входной штуцер,

27 - датчик давления,

28 - электроклапан переключения,

29 - эжектор,

30 - понижающий редуктор воздушного давления,

31 - наддув пневмоцилиндра,

32 - аккумулятор избыточного давления для питания пневмоцилиндров,

33 - электромагнитный клапан,

34 - пневмопривод,

35 - качалка управления экраном,

36 - коробка микровыключателей,

37 - пневмоцилиндр,

38 - направляющая.

Управляемый частотно-селективный экран 1 устанавливается перед укрываемой антенной 2, в частности внутри радиопрозрачного обтекателя 3 (фиг. 1). Управляемый частотно-селективный экран состоит частотно-селективных поверхностей, образованных двумерными периодическими решетками 4, установленными на радиопрозрачных диэлектрических основаниях 5 (фиг. 2). Двумерные периодические решетки примыкают друг к другу с минимальным зазором 8. Двумерные периодические решетки включают зоны проводящего покрытия и имеют определенную конфигурацию проводящего покрытия с периодом вдоль оси х - 6, вдоль оси у - 7. Конфигурация проводящего покрытия 9 в пределах одного периода первой двумерной периодической решетки и конфигурация проводящего покрытия 10 второй двумерной периодической решетки совпадают полностью или частично совпадают (фиг. 3) в открытом состоянии управляемого частотно селективного экрана. При этом его структура является радиопрозрачной в рабочем частотном диапазоне укрываемой антенны. Вторая двумерная периодическая решетка 4 имеет возможность перемещаться в направлении одной из осей х или у или одновременно двух осей на расстояние 11, равное половине периода двумерной периодической решетки 6 и 7 или менее. Конфигурация проводящего покрытия периода двумерных периодических решеток представляет собой зоны с проводящим покрытием - 12 (с металлизацией) и зоны без проводящего покрытия 13. Таким образом, при перемещении второй двумерной периодической решетки в закрытом состоянии управляемого экрана взаимная конфигурация соответствующих периодов решеток изменяется (фиг. 4). При этом между зонами с проводящим покрытием 12 первой двумерной периодической решетки и второй двумерной периодической решетки образуются сильные емкостные связи за счет их частичного перекрытия. Образование зоны емкостной связи 14 приводит к изменению частотной зависимости коэффициента прохождения управляемого частотно селективного экрана, его структура становится нерадиопрозрачной в рабочем частотном диапазоне антенны.

На фиг. 5 представлена частотная зависимость коэффициента прохождения управляемого частотно-селективного экрана в открытом состоянии. Частотная зависимость коэффициента прохождения по нормали (кривая 15) и при падении электромагнитных волн под углом до 60 градусов при Е-поляризации (кривая 16) и Н-поляризации (кривая 17) обеспечивает радиопрозрачные свойства управляемого частотно-селективного экрана в рабочем частотном диапазоне 18 антенны и делает возможным работу антенны в открытом состоянии управляемого частотно-селективного экрана. Из приведенных графиков частотных зависимостей видно, что в режиме «открыто» в рабочей полосе частот 18 антенны шириной Δf_paб управляемый частотно-селективный экран имеет коэффициент прохождения не ниже - 0,35 дБ, при углах падения электромагнитных волн на управляемый частотно-селективный меньше 60 градусов при Е- и Н-поляризации.

На фиг. 6 представлена частотная зависимость коэффициента прохождения управляемого частотно-селективного экрана в закрытом состоянии. За счет перемещения одной из двумерных периодических решеток в закрытом состоянии управляемого частотно-селективного экрана взаимная конфигурация соответствующих периодов решеток изменяется и образуются сильные емкостные связи между двумерными периодическими решетками. Это приводит к смещению в область более низких частот полосы прохождения структуры экрана. Коэффициент прохождения по нормали (кривая 19) при падении электромагнитных волн под углом до 60 градусов при Е-поляризации (кривая 20) и Н-поляризации (кривая 21) в рабочем частотном диапазоне 18 антенны шириной Δfpa6 становится низким (менее - 10 дБ при падении по нормали) обеспечивая снижение радиолокационной заметности антенны в рабочем диапазоне частот. При этом защитные свойства экрана в S (1,9-2,7 ГГц), С (3,4-7 ГГц) и Ku (10,7-14,8 ГГц) - диапазонах частот сохраняются.

Расчет частотных зависимостей коэффициента прохождения управляемого частотно-селективного экрана и подбор оптимальной конфигурации проводящего покрытия двумерных периодических решеток 4 в пределах одного периода 6 и 7 для определенной антенны проводился методом интегральных уравнений и метода эквивалентных длинных линий (В.В. Бодров, В.И. Сурков "Математическое моделирование устройств СВЧ и антенн". Москва, Издательство МЭИ. 1994 г. - 96 с. ) с использованием электродинамической модели многослойной периодической решетки, находящейся между слоями многослойного магнитодиэлектрика. В расчетах учитывалось, что между двумерными периодическими решетками может быть рассмотяние 8, а также параметры диэлектрического основания 5, на которые устанавливались двумерные периодические решетки.

На фиг. 7 представлена структура управляемого частотно-селективного экрана, состоящего из трех двумерных периодических решеток 4. Двумерные периодические решетки изготовлены фотолитографическим способом на тонких гибких печатных платах. Две двумерные периодические решетки с конфигурацией 23 и 24 проводящего покрытия установлены на единое диэлектрическое основание 5, формирующее двустороннюю панель управляемого частотно-селективного экрана. Двумерная периодическая решетка с конфигурацией 25 проводящего покрытия устанавливается на другое диэлектрическое основание, формируя одностороннюю панель управляемого частотно-селективного экрана. Сформированные частотно-селективные поверхности примыкают друг к другу с минимальным расстоянием 8. Диэлектрическое основание 5 представляет собой композиционный трехслойный материал из двух слоев стекловолокна и одного слоя стеклосотопласта и обладает приемлемыми радиотехническими характеристиками в рабочем диапазоне частот антенны. Диэлектрическое основание обеспечивает прочностные характеристики управляемого частотно-селективного экрана и возможность закрепления его перед антенной.

Перемещение двумерной периодической решетки с конфигурацией 25 в составе односторонней панели относительно двумерной периодической решетки с конфигурацией проводящего покрытия 24 в составе двусторонней панели обеспечивает смену состояния управляемого частотно-селективного экрана из состояния «открыто» в состояние «закрыто». В открытом состоянии управляемого частотно-селективного экрана конфигурации проводящего покрытия 25 и 24 совпадают (фиг. 7б). В закрытом состоянии происходит перемещение одной из панелей относительно другой, таким образом, что конфигурации проводящего покрытия 25 и 24 двумерных периодических решеток меняются и зоны проводящего покрытия перекрываются формируя емкостные связи между проводящими покрытиями (фиг. 7в). Перемещение происходит на расстояние 11, равное половине периода двумерных периодических решеток 25 и 24 по диагонали.

Экспериментальным путем установлено, что максимальное снижение коэффициента прохождения и максимальная эффективность в закрытом состоянии управляемого частотно-селективного экрана достигается при минимальном расстоянии 8 между двумерными периодическими решетками.

Для обеспечения минимального расстояния 8 и максимального прижатия диэлектрических оснований 5 друг к другу формируется замкнутый объем, который обеспечивается за счет обжатия диэлектрических оснований 5 герметизирующей манжетой 22 по контуру диэлектрических оснований 5 (фиг. 7а). После обжатия диэлектрических оснований 5 из образованного замкнутого объема откачивался воздух, создавая разрежение воздуха не менее 0,03 кгс/см². Откачка воздуха производится системой создания разрежения (фиг. 8), состоящей из входного штуцера 26, датчика 27 давления для контроля давления, электроклапана переключения 28, получающего команды на переключение режима от бортового компьютера, эжектора 29 и понижающего редуктора 30 воздушного давления. Подключение системы происходит в самолетную систему кондиционирования воздуха. Требуемое разрежение воздуха 0,03 кгс/см² обеспечивается системой на всем профиле полета. Перед перемещением панели между открытым и закрытым положениями производится снятие разрежения соединением замкнутого объема управляемого частотно-селективного экрана с атмосферой посредством электроклапан переключателя 28.

Перемещение панелей экрана друг относительно друга осуществляется с помощью пневмопривода 34 с системой управления, представленной на фиг. 9. Система управления приводом состоит из двух трасс наддува пневмоцилиндров 31, аккумулятора 32 избыточного давления для питания пневмоцилиндров 37, четырех электромагнитных клапанов 33, пневмопривода 34, состоящего из качалки 35 управления экраном, соединенной с управляемым частотно-селективным экраном в узле направляющей 38, двух пневмоцилиндров 37 и коробки микровыключателей 36 для контроля конечных положений.

Взаимное позиционирование панелей в режиме «открыто» и «закрыто» обеспечивается двумя парами направляющих 33, разнесенных на оси под 45° к сторонам двумерных периодических решеток. Нижняя пара направляющих имеет контактные площадки, ограничивающие перемещение сдвигаемой панели вдоль оси, что обеспечивает позиционирование и снижает требования к точности приводной кинематики.

Измеренные значения коэффициента прохождения представленного управляемого частотно-селективного экрана (конструкция в соответствии с фиг. 7) в состоянии «открыто» и «закрыто» по нормали изображены на фиг. 10. Прижим панелей экрана соответствует разрежению 0.03 кгс/см². Видно, что в полосе частот работы укрываемой антенны 18 в открытом состоянии обеспечивается коэффициент прохождения не менее - 1дБ. Вне рабочего частотного диапазона антенны управляемый частотно-селективный экран обладает низким коэффициентом прохождения, менее - 10 дБ в S (1,9-2,7 ГГц), С (3,4-7 ГГц) и Ku (10,7-14,8 ГГц) диапазонах частот, обеспечивая снижение радиолокационной заметности антенн. В закрытом состоянии коэффициент прохождения не более - 10 дБ как в рабочем диапазоне антенны, так и вне его. Что подтверждает работоспособность и переключение экрана и эффективность с точки зрения обеспечения радиолокационной незаметности укрываемой антенны.

Особенно эффективным может быть использование данного изобретения для снижения радиолокационной заметности антенн в тех случаях, когда дифракционные лепестки диаграммы обратного рассеяния защищаемой антенны (боковые лепестки с высоким уровнем эффективной поверхности рассеяния (ЭПР), формируемые периодической структурой излучателей в антенной решетке) находятся в вероятных направлениях облучения противником на частотах, лежащих вблизи рабочего частотного диапазона укрываемой антенны.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к управляемому частотно-селективному экрану. Управляемый частотно-селективный экран состоит из по меньшей мере двух частотно-селективных поверхностей, каждая из которых образована по меньшей мере одной двумерной периодической решеткой, расположенной на радиопрозрачном диэлектрическом основании, при этом частотно-селективные поверхности примыкают друг к другу стороной, на которой расположена двумерная периодическая решетка, при этом двумерная периодическая решетка имеет проводящее покрытие и конфигурацию проводящего покрытия, повторяющуюся в пределах одного периода, при этом частотно-селективные поверхности выполнены с возможностью перемещения относительно друг друга в направлении одной или обеих осей периода на расстояние, равное половине или менее половины периода. Техническим результатом при реализации заявленного решения является снижение радиолокационной заметности антенных систем. 2 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Управляемый частотно-селективный экран, состоящий из по меньшей мере двух частотно-селективных поверхностей, каждая из которых образована по меньшей мере одной двумерной периодической решеткой, расположенной на радиопрозрачном диэлектрическом основании, при этом частотно-селективные поверхности примыкают друг к другу стороной, на которой расположена двумерная периодическая решетка, при этом двумерная периодическая решетка имеет проводящее покрытие и конфигурацию проводящего покрытия, повторяющуюся в пределах одного периода, при этом частотно-селективные поверхности выполнены с возможностью перемещения относительно друг друга в направлении одной или обеих осей периода на расстояние, равное половине или менее половины периода.

2. Управляемый частотно-селективный экран по п. 1, в котором примыкающие друг к другу частотно-селективные поверхности расположены на таком минимальном расстоянии, что разряжение воздуха в созданном между ними объеме не менее 0,03 кгс/см².

3. Управляемый частотно-селективный экран по п. 1, в котором частотно-селективная поверхность образована двумя двумерными периодическими решетками, расположенными с двух сторон радиопрозрачного диэлектрического основания.