УПРАВЛЯЕМЫЙ ПОГЛОЩАЮЩИЙ ЭКРАН Российский патент 2023 года по МПК H01Q17/00 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к управляемому поглощающему 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 радиолокационных станций, 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 электромагнитное излучение других частот и поляризаций. Недостатком данного способа и устройства его реализации является то, что эффективной площади рассеивания антенны снижается только на частотах и поляризации, отличных от рабочих собственной радиолокационной станции.

Из патента RU 2469447 С2, опублик. 10.12.2012, Кл. H01Q 17/00, известен управляемый плазменный экран, который устанавливается под радиопрозрачным обтекателем перед полотном антенны. При электронной концентрации внутри экрана выше некоторой критической в определенной полосе частот экран становится отражающим и эффективной площади рассеивания укрываемой антенны может быть значительно снижена. Недостатком данного способа является то, что от отражающего плазменного экрана формируется зеркальный лепесток большой интенсивности, а кроме того возможно формирование уголковых отражателей между поверхностью такого экрана и конструктивными элементами в антенных отсеках (в том числе поверхностью стенки радиопрозрачного обтекателя). Недостатком реализации данного способа является высокое энергопотребление, что нежелательно при применении для бортовой радиолокационной станции.

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

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

Указанный технический результат достигается за счет управляемого поглощающего экрана для антенных систем представляющего собой радиопрозрачные диэлектрические стенки, образующие герметичную радиопрозрачную полость, с возможностью управления свойствами поглощения электромагнитных волн посредством заполнения герметичной радиопрозрачной полости поглощающей жидкостью. В качестве поглощающей жидкости могут быть использованы жидкие диэлектрики, в частности этиловый спирт, ацетон, метилэтилкетон, изопропанол, охлаждающая жидкость "Лена", трибутилфосфат. В конструкции управляемого поглощающего экрана может быть установлена мембранная перегородка или гофроструктура. На стенках управляемого поглощающего экрана могут быть установлены элементы частотно-селективной структуры.

Изобретение поясняется следующими изображениями:

Фиг. 1 - управляемый поглощающий экран в местном вертикальном разрезе;

Фиг. 2 - конструкция управляемого поглощающего экрана с перегородкой мембранного типа;

Фиг. 3 - конструкция управляемого поглощающего экрана с гофроструктурой;

Фиг. 4 - макет управляемого поглощающего экрана;

Фиг. 5 - зависимость комплексной диэлектрической проницаемости этилового спирта от частоты электромагнитного излучения;

Фиг. 6 - экспериментальные частотные зависимости коэффициента прохождения слоя спирта толщиной 10 мм в режиме «закрыто»;

Фиг. 7 - экспериментальные частотные зависимости коэффициента отражения слоя спирта толщиной 10 мм в режиме «закрыто»;

Фиг. 8 - экспериментальные частотные зависимости коэффициента прохождения в режиме «открыто» без спирта и с остатками спирта после цикла заполнения/слива;

Фиг. 9 - экспериментальные частотные зависимости коэффициента отражения в режиме «открыто» без спирта и с остатками спирта после цикла заполнения/слива;

Фиг. 10 - рассчитанные частотные зависимости коэффициента прохождения в режиме «закрыто» со слоем спирта различной толщины;

Фиг. 11 - рассчитанные частотные зависимости коэффициента отражения в режиме «закрыто» со слоем спирта различной толщины.

На представленных изображениях используются следующие обозначения:

1 - радиопрозрачные диэлектрические стенки;

2 - герметичная полость;

3 - поглощающая жидкость;

4 - заполнитель;

5 - мембранная перегородка;

6 - входной штуцер;

7 - выходной штуцер;

8 - гофроструктура,

9 - рама,

10 - заполняющая трубка.

Управляемый поглощающий экран состоит из радиопрозрачных диэлектрических стенок 1, формирующих герметичную полость 2, которая заполняется поглощающей жидкостью 3.

Управляемый поглощающий экран устанавливается перед антенной системой. Полость управляемого поглощающего экрана заполняют поглощающей жидкостью так, что формируется поглощающий объем, в котором поглощаются электромагнитные волны, благодаря чему обеспечивается снижение радиолокационной заметности в широком диапазоне частот, в том числе в рабочем диапазоне частот укрываемой управляющим поглощающим экраном антенны.

На фиг. 1 показаны два состояния управляемого поглощающего экрана «открыто» и «закрыто».

В положении «открыто» герметичная полость 2, образованная радиопрозрачными диэлектрическими стенками 1, не заполнена. В этом положении обеспечивается прохождение электромагнитных волн сквозь полость управляемого поглощающего экрана.

При заполнении полости 2 управляемого поглощающего экрана поглощающей жидкостью 3 формируется поглощающий объем. Поглощающая жидкость 3, заполняющая герметичную полость 2 между радиопрозрачными диэлектрическими стенками 1, обеспечивает поглощение электромагнитных волн внутри полости 2 управляемого поглощающего экрана. Таким образом реализуется режим «закрыто», при котором обеспечивается поглощение электромагнитных волн внутри объема экрана и снижение радиолокационной заметности в широком диапазоне частот, в котором работают радиолокационные станции, примерно в диапазоне от 1 ГГц до 15 ГГц, в том числе в рабочем диапазоне укрываемой управляемым поглощающим экраном антенны.

Когда полость 2 управляемого поглощающего экрана освобождается от поглощающей жидкости 3 снова реализуется режим «открыто», при котором обеспечивается прохождение электромагнитных волн сквозь стенки управляемого поглощающего экрана.

В качестве поглощающей жидкости 3 используются жидкости с малыми значениями диэлектрической проницаемости и высокими значениями тангенса угла диэлектрических потерь в требуемом диапазоне частот и плавной зависимостью от частоты, т.е. жидкости с высокими диэлектрическими потерями. В качестве поглощающей жидкости 3 могут быть использованы жидкие диэлектрики, такие как этиловый спирт, ацетон, метилэтилкетон, изопропанол, охлаждающая жидкость "Лена", трибутилфосфат.

Толщина d поглощающей жидкости 3 определяется с учетом диэлектрических характеристик используемой жидкости, а именно значений диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, которые необходимы для поглощения электромагнитного излучения в требуемых частотных диапазонах и углах.

Стенки управляемого поглощающего экрана могут быть выполнены в виде диэлектрических обшивок, состоящих из стенок, внутри которых размещен заполнитель 5. Заполнитель может представлять собой стеклосотопласт, пенопласт и т.п. Стенки в виде диэлектрических обшивок могут быть предусмотрены в конструкции управляемого поглощающего экрана с перегородкой мембранного типа, с гофроструктурой (фиг. 2, 3).

В управляемом поглощающем экране может быть расположена перегородка из материала мембранного типа. Конструкция управляемого поглощающего экрана с перегородкой мембранного типа показана на фиг. 2. Перегородка мембранного типа является самонесущей и радиопрозрачной в режиме «открыто». Управление заполнением управляемого поглощающего экрана поглощающей жидкостью 3 осуществляется перегородкой мембранного типа 6, при этом поглощающая жидкость поступает через входной штуцер 7 и сливается через выходной штуцер 8. Мембранная перегородка 6 располагается между стенками и осуществляет выталкивание жидкости из полости управляемого поглощающего экрана.

Внутри управляемого поглощающего экрана дополнительно может быть установлена гофроструктура. Конструкция управляемого поглощающего экрана с герметичной полостью 2, внутри которой расположена гофроструктура 9 показана на фиг. 3. Управляемый поглощающий экрана с расположенной внутри полости 2 гофроструктурой 9 также заполняется поглощающей жидкостью 3. Гофроструктура равномерно заполняется поглощающей жидкостью и оказывает распределенное давление на стенки управляемого поглощающего экрана. Стенки управляемого поглощающего экрана являются самонесущими и выдерживают оказываемое давление, оставаясь радиопрозрачными в режиме «открыто». Варианты выполнения управляемого поглощающего экрана с гофроструктурой обеспечивают жесткость конструкции и равномерное распределение давления жидкости на стенки управляемого поглощающего экрана.

В конструкцию управляемого поглощающего экрана, а именно в его стенки, могут быть интегрированы проводящие элементы частотно-селективной структуры, которые могут обеспечить дополнительное снижение эффективной площади рассеивания антенны, в «открытом» состоянии без поглощающей жидкости, без существенного снижения технических характеристик антенны в рабочем диапазоне частот. Частотно-селективные элементы представляют собой металлические структуры, различной формы и конфигурации. Если изготовить конструкцию управляемого поглощающего экрана так, что в его обшивки интегрировать электропроводящие элементы частотно-селективных поверхностей, то можно дополнительно обеспечить снижение эффективной площади рассеивания антенны, в открытом состоянии без поглощающей жидкости, без существенного снижения технических характеристик антенны в рабочем диапазоне частот. Совместное применения управляемого поглощающего экрана и частотно-селективных поверхностей позволит сочетать достоинства этих средств маскировки, и получить дополнительную эффективность мероприятий по снижению радиолокационной заметности антенны.

Заполнение управляемого поглощающего экрана осуществляется с помощью системы управления заполнением экрана. Система управления заполнением экрана включает бачок с поглощающей жидкостью, заполняющую трубку, датчик заполнения полости управляемого поглощающего экрана поглощающей жидкостью, насос и другие детали и агрегаты, обеспечивающие наполнение и слив поглощающей жидкости в полость управляемого поглощающего экрана.

Управляемый поглощающий экран может иметь любую форму и конструкцию и не ограничен приведенным примером осуществления.

Конструкция стенок управляемого поглощающего экрана определяется исходя из условий обеспечения жесткости конструкции, герметичности заполняемого объема, обеспечения радиопрозрачности в состоянии «открыто» без поглощающей жидкости. Подбор оптимальной конфигурации структуры стенки следует производить путем расчета частотных зависимостей коэффициента прохождения и отражения в режиме «открыто», а толщину слоя поглощающей жидкости d путем расчета коэффициента прохождения и отражения в режиме «закрыто». Например, для расчета может быть использован метод интегральных уравнений и метод эквивалентных длинных линий (В.В. Бодров, В.И. Сурков "Математическое моделирование устройств СВЧ и антенн". Москва, Издательство МЭИ. 1994 г. - 96 с.).

Пример осуществления изобретения

В качестве макета управляемого поглощающего экрана был собран герметичный резервуар из двух радиопрозрачных диэлектрических листов, закрепленных на раме (фиг. 4). Радиопрозрачные диэлектрические листы являются стенками 1 управляемого поглощающего экрана. На фиг. 4 также показаны рама 9, на которой закреплены стенки 1 управляемого поглощающего экрана (радиопрозрачные диэлектрические листы), входной штуцер 6 и заполняющая трубка 10. В состоянии «открыто» управляемый поглощающий экран является прозрачным для электромагнитных волн.

Макет управляемого поглощающего экрана заполнялся этиловым спиртом. Этиловый спирт является поглощающей жидкостью с малым значением диэлектрической проницаемости и высоким тангенсом диэлектрических потерь в диапазоне от 1 ГГц до 15 ГГц, в котором работают радиолокационные станции. Параметры (закон изменения импеданса) спирта этилового спирта, выбранного в качестве поглощающей жидкости, являются оптимальными с точки зрения использования его как поглотителя электромагнитных волн.

В состоянии «закрыто» полость макета управляемого поглощающего экрана была заполнена этиловым спиртом до толщины 10 мм.

На фиг. 5 показана зависимость комплексной диэлектрической проницаемости этилового спирта от частоты электромагнитного излучения. Используя такую зависимость можно смоделировать толщину поглощающей жидкости для требуемого диапазона частот электромагнитного излучения и получить характеристики отражения и прохождения электромагнитного излучения через стенки управляемого поглощающего экрана.

На фиг. 6, 7 представлены результаты измерений коэффициента прохождения и коэффициента отражения макета управляемого поглощающего экрана в режиме «закрыто». На приведенных графиках видно, что при заполненной поглощающей жидкостью полости управляемого поглощающего экрана коэффициент прохождения электромагнитных волн не превышает - 10 дБ, при этом коэффициент отражения электромагнитных волн не выше - 4 дБ. Таким образом, суммируя отраженные и поглощенные электромагнитные волны, до 80% мощности электромагнитной волны поглощается с помощью управляемого поглощающего экрана.

Результаты измерений коэффициента прохождения и коэффициента отражения макета управляемого поглощающего экрана в режиме «открыто» без спирта и с остатками спирта (спиртовой пленкой) на внутренней поверхности стенок приведены на фиг. 7, 8. Измерения с остатками спирта на внутренней поверхности макета управляемого поглощающего экрана проводились после заполнения герметичного объема спиртом и последующего слива спирта. Внутри конструкции при этом оставалась спиртовая пленка, которая снижала коэффициент прохождения на минус 0,2 дБ. Таким образом, существует необходимость удаления остатков поглощающей жидкости после цикла заполнения/слива, чтобы избежать ухудшения радиотехнических характеристик в состоянии «открыто».

На фиг. 9, 10 показаны расчетные значения коэффициента прохождения и коэффициента отражения, полученные при расчете падения электромагнитной волны на плоскую стенку макета управляемого поглощающего экрана, заполненного спиртом различной толщины от 5 до 10 мм с шагом 1 мм. Расчетным путем возможно оценить минимальное значение спиртового слоя для обеспечения требуемого уровня поглощения в требуемых частотных диапазонах и угловых секторах. Для этого также необходимо использовать зависимость комплексной диэлектрической проницаемости этилового спирта от частоты электромагнитного излучения (фиг. 5). Используя такую зависимость можно моделировать слой поглощающей жидкости некоторой толщины для требуемого диапазона частот электромагнитного излучения и характеристики отражения и прохождения электромагнитного излучения через стенки управляемого поглощающего экрана.

Для обеспечения заполнения и слива полости управляемого поглощающего экрана поглощающей жидкостью, а также осушения стенок управляемого поглощающего экрана от жидкостной пленки, применяется система управления заполнения экраном. Система управления заполнением экрана включает бачок с поглощающей жидкостью, заполняющую трубку, датчик заполнения полости управляемого поглощающего экрана поглощающей жидкостью, насос и другие детали и агрегаты, обеспечивающие наполнение и слив поглощающей жидкости, такие как привод, такие как электромагнитные клапана, трубопроводы, манометры, фильтры, обратные клапана и т.п.

При подаче команды на заполнение полости управляемого поглощающего экрана поглощающей жидкостью, происходит перекачка поглощающей жидкости из бачка в полость управляемого поглощающего экрана, при достижении полного заполнения полости по сигналу от датчика заполнения, входной штуцер закрывается, при этом экран остается заполнен.

При поступлении команды на слив поглощающей жидкости выходной штуцер открывается и происходит перекачка поглощающей жидкости из полости управляемого поглощающего экрана в бачок. По завершению перекачки включается продувка полости управляемого поглощающего экрана воздухом для полного осушения и устранения капель и пленки поглощающей жидкости с внутренних стенок управляемого поглощающего экрана.

Управление поглощающим экраном может быть реализовано при помощи сжатого воздуха (или азота). В этом случае система управления заполнения экраном может состоять из бачка, разделенного непроницаемой мембраной на две полости для поглощающей жидкости и воздуха, баллона (или нескольких баллонов) для хранения сжатого воздуха, редукторов, понижающих давление воздуха для осуществления наддува воздушной полости мембранного бачка, набора электромагнитных кранов, при помощи которых осуществляется заполнение или удаление поглощающей жидкостью, заправочные агрегаты (штуцеры, манометры, фильтры, обратные клапана) отдельно для зарядки воздухом и отдельно для заправки поглощающей жидкости, сигнализаторы давления. Для закрытия экрана дается электрический сигнал на электромагнитный кран, кран открывается, воздух от баллона через редуктор проходит в воздушную полость мембранного бачка, выдавливая поглощающую жидкость. При полном заполнении датчик давления останавливает процесс подачи жидкости. Для открытия экрана подается сигнал на другой электромагнитный кран. Воздух из баллонов подается в полость управляемого поглощающего экрана, выдавливая поглощающую жидкость обратно в мембранный бачок. При полном освобождении экрана от поглощающей жидкости второй датчик давления дает сигнал на электромагнитный кран, который отсекает жидкость от экрана. По завершению перекачки включается продувка полости управляемого поглощающего экрана с помощью системы продувки для освобождения полости управляемого поглощающего экрана от остатков поглощающей жидкости, которые, могут выводиться через дренаж в атмосферу.

Система управления может быть рассчитана на многократное срабатывание.

Управляемый поглощающий экран укрывает, в частности, самолетные антенны обеспечивая поглощение электромагнитных волн, таким образом, снижая радиолокационную заметность самолета.

Особенно эффективным может быть использование управляемого поглощающего экрана для снижения радиолокационной заметности антенн в тех случаях, когда дифракционные лепестки диаграммы обратного рассеяния укрываемой антенны с высоким уровнем эффективной поверхности рассеяния находятся в вероятных направлениях облучения противником на частотах, лежащих или находящихся вблизи рабочего диапазона частот антенны.

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

Использование: для снижения радиолокационной заметности антенных систем. Сущность изобретения заключается в том, что управляемый поглощающий экран антенной системы включает радиопрозрачные диэлектрические стенки, образующие герметичную радиопрозрачную полость, с возможностью управления его свойствами поглощения электромагнитных волн посредством заполнения герметичной радиопрозрачной полости поглощающей жидкостью, при этом в полости экрана установлена мембранная перегородка или гофроструктура, а на его стенках установлены элементы частотно-селективной структуры. Технический результат: обеспечение возможности снижения радиолокационной заметности антенных систем. 2 з.п. ф-лы, 11 ил., 1 пр.

1. Управляемый поглощающий экран антенной системы, включающий радиопрозрачные диэлектрические стенки, образующие герметичную радиопрозрачную полость, с возможностью управления его свойствами поглощения электромагнитных волн посредством заполнения герметичной радиопрозрачной полости поглощающей жидкостью, при этом в полости экрана установлена мембранная перегородка или гофроструктура, а на его стенках установлены элементы частотно-селективной структуры.

2. Управляемый поглощающий экран по п. 1, в котором в качестве поглощающей жидкости используются жидкие диэлектрики, в частности этиловый спирт, ацетон, метилэтилкетон, изопропанол, охлаждающая жидкость "Лена", трибутилфосфат.

3. Управляемый поглощающий экран по п. 1, в котором в качестве поглощающей жидкости используется этиловый спирт.