Обтекатель широкополосной антенной системы
DOME OF THE BROADBAND ANTENNA SYSTEM

min
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), в плоскости апертуры антенны.
min
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).
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.
min,
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* λгде 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.
min
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 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.