ШИРОКОПОЛОСНАЯ СИСТЕМА "АНТЕННА-ОБТЕКАТЕЛЬ"
BROADBAND SYSTEM "ANTENNA DOME"

Изобретение относится к антенно-фидерным устройствам, преимущественно к широкополосным системам «антенна-обтекатель».
Известна система «антенна-обтекатель», включающая приемопередающую линейно-поляризованную антенну, направленную на цель, и обтекатель различной формы со стенкой из диэлектрического материала, снабженный узлом крепления к летательному аппарату: Пригода Б.А., Кокунько B.C. Антенны летательных аппаратов. - М.: Военное издательство министерства обороны, 1979, изд. 2-е, перер. и доп., стр.106.
Широкополосность пеленгующего канала системы «антенна-обтекатель» определяется широкополосностью антенны и обтекателя. Для обтекателя, в котором структура стенки состоит из одного или нескольких слоев материалов, а геометрическая толщина подбирается эквивалентной полуволновой электрической толщине на средней по диапазону резонансной частоте, за счет резонансного согласования стенки со свободным пространством можно получить минимальный уровень отражения падающей волны и максимальную величину прошедшего поля. Это условие соответственно является необходимым для получения максимального коэффициента прохождения и минимального искажения фазы прошедшего через обтекатель поля падающей волны: Каплун В.А. Обтекатели антенн СВЧ. - М.: Советское радио, 1974 г., 238 с.
Система «антенна-обтекатель» с обтекателем, имеющим резонансную стенку, изготовленным по данному техническому решению, вносит минимально возможные искажения в поле падающей волны на резонансной частоте, но пропорционально увеличению рабочей полосы падает коэффициент прохождения и значительно возрастают величины искажений, вносимых обтекателем в поле падающей волны.
Для реализации широкополосной системы «антенна-обтекатель» обтекатель изготавливается многослойным: Широкополосный керамический обтекатель для антенны и способ его изготовления. Патент №810858. Франция. H01Q 1/42. 29 avril 1981, N de publication 2483689.
Система «антенна-обтекатель» с обтекателем, имеющим многослойную стенку, изготовленным по данному техническому решению, более широкополосная, чем система с обтекателем, имеющим резонансную стенку, но незначительно.
Известна широкополосная система «антенна-обтекатель» для маяков с обтекателем, имеющим плоскую тонкую стенку, тоньше четверти длины волны: Обтекатели антенн. Пер. с англ. под ред. А.И.Шпунтова. - М.: Советское радио. 1950, с.51-58.
Недостатком известного решения является даже незначительное увеличение электрической толщины стенки обтекателя, что вносит в падающее поле значительные искажения.
Так как уменьшение толщины стенки ограничивается теплофизическими требованиями к обтекателю, искажения, вносимые в падающее поле из-за конечной толщины стенки, оказываются значительными, что приводит к высоким ошибкам пеленга. Кроме того, из-за отличия электрической толщины стенки от полуволновой недостатком применения такой структуры является низкий коэффициент прохождения обтекателя.
Недостатком этого технического решения является конструктивная невозможность реализации стенки обтекателя для коротких длин волн.
Также недостатком является то, что при аэродинамическом нагреве обтекатель с тонкой стенкой не защищает антенну от действия высоких температур, что приводит к отказу радиотехнических систем.
Наиболее близким к техническому решению является система «антенна-обтекатель», содержащая приемопередающую линейно-поляризованную антенну, механизм поворота антенны на цель и обтекатель, снабженный узлом жесткого крепления к летательному аппарату USA №3314070, C1. 343-708. Tapered radomes. April 11, 1967.
Недостатком этого решения по прототипу направление приемопередающей линейно-поляризованной антенны на цель и неподвижное положение обтекателя, закрепленного относительно летательного аппарата, при этом антенна может занимать любое положение относительно обтекателя, но взаимное положение антенны и обтекателя не регламентируются, что является недостатком этого решения по прототипу и приводит к значительным ошибкам пеленга, так как в этом случае, даже имея широкополосную антенну и широкополосный обтекатель, реализовать широкополосную систему «антенна-обтекатель» в широком диапазоне рабочих углов пеленга не представляется возможным.
Задачей изобретения является повышение коэффициента прохождения электромагнитной волны и снижение пеленгационных ошибок в системе «антенна-обтекатель» в широкой полосе частот.
Достигается задача тем, что предложена система «антенна-обтекатель», содержащая приемопередающую линейно-поляризованную антенну, механизм поворота антенны на цель и обтекатель, снабженный узлом крепления к летательному аппарату, отличающаяся тем, что антенна выполнена с возможностью вращения вокруг своей оси и установлена так, чтобы вектор электрического поля излучения антенны лежал в плоскости падения волны на обтекатель, а обтекатель выполнен с возможностью поворота в ортогональных плоскостях и установлен так, что нормаль к его поверхности располагается относительно волнового вектора падающей волны под углом Брюстера.
Авторы установили, что, выполняя оптимальные условия взаимного расположения приемопередающей линейно-поляризованной пеленгующей антенны и обтекателя так, что антенна выполнена с возможностью вращения вокруг своей оси и установлена так, чтобы вектор электрического поля излучения антенны лежал в плоскости падения волны на обтекатель, а обтекатель выполнен с возможностью поворота в ортогональных плоскостях и установлен так, что нормаль к его поверхности располагается относительно волнового вектора падающей волны под углом Брюстера, достигаются заявленные преимущества: повышение коэффициента прохождения электромагнитной волны и снижение пеленгационных ошибок в системе «антенна-обтекатель» в широкой полосе частот.
Из оптики известно, что при определенном угле падения и выполнении условий взаимного положения векторов, когда вектор электрического поля лежит в плоскости падения, образованной векторами нормали к поверхности плоского слоя и волновым вектором падающего поля, возможно полное прохождение волны: М.Борн, Э.Вольф. Основы оптики. М.: Наука. М, 1973, 73-82., И.Н.Мешков, Б.В.Чириков. Электромагнитное поле. Часть 1, Новосибирск, Издательство «Наука», Сибирское отделение, 1987, стр.198-200.
Нет сведений о применении такого оптического эффекта в широкополосных системах «антенна-обтекатель».
На фиг.1 представлен вид заявленной широкополосной системы «антенна-обтекатель»:
1 - приемопередающая линейно-поляризованная пеленгующая антенна, направленная на цель, составленная для наглядности из двух рупоров,
2 - механизмы привода поворота антенны:
A
- вокруг оси Z (угол θ),
- в плоскости XOZ (угол α),
- в плоскости YOZ (угол β),
3 - обтекатель, выполненный в виде пластины,
4 - механизмы привода поворота обтекателя:
- в плоскости XOZ (угол η),
- в плоскости YOZ (угол Δ),
5 - плоскость падения волны на поверхность обтекателя.
На фиг.1 также обозначены:
- координаты обобщенной системы координат (Z, Y, X),
A
A
A
- координаты системы координат антенны (Z, Y, X),
O
O
O
- координаты системы координат обтекателя (Z, Y, X),
A
- волновой вектор падающей волны (k), совпадающий по направлению с осью Z,
O
- нормаль к поверхности обтекателя (n), совпадающая по направлению с осью Z,
- вектор электрической составляющей падающего поля (Е), перпендикулярный вектору k,
- угол между векторами, определяющими плоскость падения k и n, равный по техническому решению углу Брюстера (, где ε - диэлектричекая проницаемость материала обтекателя).
A
Устройство работает следующим образом. Пеленгующую антенну 1 ориентируют механизмами 2 в направлении цели, с помощью механизмов 4 обтекатель 3 устанавливают так, чтобы угол между векторами k и n равнялся углу Брюстера δ, при этом антенну с помощью механизма 2 поворачивают вокруг оси Z на угол, при котором вектор электрического поля падающей волны Е будет лежать в плоскости падения 5, образованной векторами k и n. Антенна, излучающая линейно-поляризованную волну в направлении вектора k, затем принимает отраженный сигнал и формирует управляющий сигнал рассогласования.
Алгоритм реализации предложенного технического решения в наиболее простом случае, как на фиг.1 (вид сверху) и фиг.2 (вид слева), при пеленгации и повороте антенной системы на цель в горизонтальной плоскости Z,0,X на угол α и плоского обтекателя, подвижного только в плоскости Z,0,Y и повернутого на угол θ так, чтобы реализовать между векторами k и n угол Брюстера δ, состоит в следующем.
Направляющие косинусы волнового вектора k в обобщенной системе координат записываются как: sin(α), 0, cos(α).
1
2
Направляющие косинусы нормали к поверхности плоского обтекателя в обобщенной системе координат n=n=n записываются как: 0, sin(θ), cos(θ).
A
A
A
A
Направляющие косинусы вектора электрического поля Е при его вращении перпендикулярно оси Z в плоскости Y,0,X на угол Δ относительно оси X в обобщенной системе координат записываются как: cos(Δ)×cos(α), sin(Δ), cos(Δ)×sin(α).
1
2
1
2
1
2
Для выполнения условия технического решения и согласно: М.Я.Выгодский. Справочник по высшей математике. М.: Наука, 1977, с.175, §145, Cos(φ)=cos(α)×cos(α)+cos(β)×cos(β)+cos(γ)×cos(γ), следует:
.
И далее из (1) следует, повороту антенны на угол α соответствует поворот плоского обтекателя на угол:
.
A
A
Далее выполняется поворот антенны в плоскости Y,0,X на угол А до выполнения условия компланарности векторов k и n, E согласно: М.Я.Выгодский. Справочник по высшей математике. - М.: Наука, 1977, с.149, §115, 116, согласно условию равенства нулю смешанного произведения векторов: а(b×c)=abs=0, следует:
.
Откуда находим:
.
На фиг.3 представлены результаты расчетов, из которых видно, что возможна реализация предложенного технического решения в пределах поворота антенны α=±60 град. для угла Брюстера δ=62,8 град, что соответствует плоскому обтекателю из кварцевого стекла с диэлектрической проницаемостью ε=3,8.
При повороте антенны в пределах α=±15 град. изменения в зависимостях углов Δ=Δ(α) и θ=θ(α) незначительны, и в частном случае возможно исключение поворота пластины по углу θ и поворота антенны по углу Δ, так как изменения в коэффициенте прохождения и изменении пеленгационных ошибок системы будут незначительными в широкой полосе частот.
При пеленгации в двух плоскостях:
- направляющие косинусы волнового вектора k в обобщенной системе координат записываются как: sin(α)×cos(β), sin(β), cos(α)×cos(β),
1
2
- направляющие косинусы нормали к поверхности плоского обтекателя, вращающегося в плоскости Y,0,Z, в обобщенной системе координат n=n=n записываются как: 0, sin(θ), cos(θ).
A
A
A
A
Направляющие косинусы вектора электрического поля Е при его вращении перпендикулярно оси Z в плоскости Y,0,X на угол Δ относительно оси Y в обобщенной системе координат записываются как: cos(Δ)×cos(α)×cos(β), sin(Δ)×sin(β), cos(Δ)×sin(α)×cos(β).
1
2
1
2
1
2
Для выполнения условия технического решения и согласно: М.Я.Выгодский. Справочник по высшей математике. - М.: Наука, 1977, с.175, §145, Cos(φ)=cos(α)×cos(α)+cos(β)×cos(β)+cos(γ)×cos(γ), находим угол Брюстера (δ) между векторами k и n из уравнения:
.
2
2
2
2
[Cos(θ)×(cos(α)×sin(β)+sin(β))-2×cos(δ)×cos(α)×cos(β)×cos(θ)+(cos2(δ)-sin2(β))=0}
И далее из (5) находим угол θ.
A
A
Поворачиваем антенну в плоскости Y,0,X на угол Δ до выполнения условия компланарности векторов k и n, E согласно: М.Я.Выгодский. Справочник по высшей математике. - М.: Наука, 1977, с.149, §115, 116, где из условия компланарности, соответствующего равенства нулю смешанного произведения векторов: a (bxc)=abc=0, следует:
,
Откуда находим Δ.
На фиг.4 представлен вид заявленной широкополосной системы «антенна-обтекатель», в которой обтекатель, по предложенному решению, сформирован с применением принципа зеркального отражения и выполнен в виде клина, состоящего из двух пластин, расположенных относительно плоскости поворота антенны так, чтобы нормаль каждой из пластин относительно волнового вектора падающей волны располагалась под углом Брюстера (δ), а угол при вершине клина равнялся:
.
Пеленгация в одной плоскости (Z,O,X (фиг.1) может использоваться при решении задач радиолокации для обеспечения безопасности на транспорте, в частности в автомобильной промышленности.
При реализации синхронного перемещения пеленгующих антенн и плоских обтекателей возможно их расположение отдельно, в разных частях поверхности самолета и других транспортных средств.
Для доказательства преимущества предлагаемого технического решения проведены расчетные и экспериментальные работы.
Для системы «антенна-обтекатель», выполненной по предложенному техническому решению, отсутствует главный источник фазовых искажений, связанный с прохождением падающей волны через обтекатель, поэтому пеленгационные ошибки для представленной системы в широкой полосе минимально возможные связаны интерференционными эффектами высших порядков и расчету не поддаются.
Проведенные экспериментальные измерения пеленгационных ошибок на радиоизмерительном стенде при неподвижной приемной пеленгующей антенне и обтекателя в виде клина, состоящего из двух пластин, расположенных друг к другу под углом, рассчитанным по формуле (7), поворачивающего в горизонтальной плоскости относительно центра прокачки системы «антенна-обтекатель» в пределах α=±10 град показали величину пеленгационной ошибки не более 3 мин в 5% полосе частот при 100% коэффициенте прохождения. Исключение поворота пластин по углу θ и поворота антенны по углу Δ в данном экспериментальном опыте является частным случаем предлагаемого решения, но, тем не менее, демонстрирующим низкий уровень пеленгационных ошибок и высокий коэффициент прохождения в широкой полосе частот, не достижимых при применении других схем построения системы «антенна-обтекатель».
H
B
На фиг.5 представлены расчетные зависимости коэффициента прохождения через слой с диэлектрической проницаемостью, равной ε=3,8, и тангенсом потерь tgδ=0,0001 при падении плоской поперечной магнитной волны (ТМ, Н-поляризация) под углом Брюстера δ=62,842 град. в диапазоне частот от F=1 ГГц до F=50 ГГц, для различных толщин плоского слоя h.
Из фиг.5 видно, что:
при толщине слоя h≤10 мм коэффициент прохождения для всей полосы частот равен практически 100%,
при увеличении толщины с 10 мм до 100 мм происходит незначительное уменьшение коэффициента прохождения,
при увеличении толщины до 500 мм коэффициент прохождения составляет около 95% для частоты 25 ГГц, около 90% для частоты 50 ГГц,
при увеличении толщины до 1000 мм коэффициент прохождения составляет около 90% для частоты 25 ГГц, около 80% для частоты 50 ГГц,
при тангенсе потерь tgδ≤0,0010 даже при очень больших значениях толщины слоя коэффициент прохождения будет высоким во всей выбранной полосе частот.
H
B
На фиг.6 представлены расчетные зависимости коэффициента прохождения через слой с диэлектрической проницаемостью, равной ε=3,8, и тангенсом потерь tgδ=0,0001 при падении ТМ волны под углом Брюстера δ=62,842 град. в диапазоне частот от F=1 ГГц до F=50 ГГц, при различных значениях tgδ.
Из фиг.6 видно, что:
при тангенсе потерь tgδ=0,0001 коэффициент прохождения для всей полосы частот равен практически 100%,
при увеличении тангенса потерь с 0,0001 до 0,001 происходит незначительное уменьшение коэффициента прохождения для всей полосы частот,
при увеличении тангенса потерь до 0,01 коэффициент прохождения составляет около 90% для частоты 25 ГГц, около 80% для частоты 50 ГГц,
при увеличении тангенса потерь до 0,1 коэффициент прохождения будет быстро понижаться с увеличением частоты и для 50 ГГц составит около 10%,
при толщине слоя h=10 мм значения коэффициента прохождения более 80% во всей полосе частот могут быть реализованы при тангенсе потерь большем tgδ≥0,01.
Потери при tgδ=0,1 плоского обтекателя соответствует полупроводниковому материалу, но расчетный коэффициент прохождения относительно высок, до 20 ГГц более 40%. Такие потери соответствуют нагреву материала более 2000°С, поэтому можно сделать вывод о том, что предложенное техническое решение, возможно, использовать для обеспечения связи спускаемых аппаратов с Землей, которые при входе в атмосферу разогреваются до высоких температур, перекрывая каналы связи эрозионной плазмой.
H
B
На фиг.7 представлены расчетные зависимости коэффициента прохождения волны в диапазоне частот от F=1 до F=50 ГГц, при падении ТМ волны под углом Брюстера на слой диэлектрика с толщиной h=10 мм и тангенсом потерь tgδ=0,001, при различных значениях диэлектрической проницаемости.
Из фиг.7 видно, что при увеличении диэлектрической проницаемости с 3,8 до 9,6 коэффициент прохождения практически не изменится и останется высоким во всей полосе частот (более 96%).
H
B
На фиг.8 представлены расчетные зависимости коэффициента прохождения для ТМ волны в диапазоне частот от F=1 до F=50 ГГц, при падении плоской волны под углом Брюстера на слой с толщиной h=10 мм, тангенсом потерь tgδ=0,01, при различных значениях диэлектрической проницаемости.
Из фиг.8 видно, что при увеличении диэлектрической проницаемости с 3,8 до 9,6 коэффициент прохождения меняется незначительно и во всей полосе частот более 70%.
H
B
На фиг.9 представлена экспериментальная зависимость коэффициента прохождения для ТМ волны в диапазоне частот от F=9 до F=17 ГГц, при падении плоской волны под углом Брюстера на слой с диэлектрической проницаемости ε=3,4, тангенсом потерь tgδ=0,0001, толщиной h=5,49 мм. Из фиг.9 видно, что в диапазоне от 9 до 17 ГГц величина коэффициента прохождения не изменяется более чем на 4%.
На фиг.10 для сравнения представлены результаты расчетов частотных зависимостей коэффициента прохождения для обтекателя в виде клина с углом при вершине, рассчитанным по формуле (7), конструкция которого представлена на фиг.4 для пластин с диэлектрической проницаемостью ε=3,0 и толщиной h=10 мм при падении плоской волны α=0.
Зависимость 1 рассчитана для ТР поляризации (вектор электрического поля параллелен плоскости падения).
Зависимость 3 рассчитана для случая, когда в отличие от предлагаемого технического решения антенна излучает и принимает не ТР (вектор электрического поля параллелен плоскости падения), a TS поляризацию.
Из представленных частотных зависимостей на фиг.10 видно, характеристики системы «антенна-обтекатель», выполненной по предлагаемому техническому решению, превосходят характеристики, выполненные с отклонениями от предлагаемого решения. Изменение в техническом решении поляризации падающей волны или угла падения волны на обтекатель электромагнитной энергии приводят к изменению коэффициента прохождения на 100%.
Широкополосная система «антенна-обтекатель», выполненная по предлагаемому техническому решению, по сравнению с известными устройствами в широкой полосе частот вносит минимальные искажения в поле падающей волны и обладает наибольшим коэффициентом прохождения и минимальными пеленгационными ошибками.
Источники информации
1. Пригода Б.А., Кокунько B.C. Антенны летательных аппаратов. - М.: Военное издательство министерства обороны, 1979, изд. 2-е перер. и доп., с.106.
2. Каплун В.А. Обтекатели антенн СВЧ. - М.: Советское радио, 1974 г. 238 с.
3. Широкополосный керамический обтекатель для антенны и способ его изготовления. Патент №810858. Франция. H01Q 1/42. 29 avril 1981, N de publication 2483689.
4. Обтекатели антенн. Пер. с анг. под ред. А.И.Шпунтова. М.: Советское радио. 1950, с.51-58.
5. USA №3314070. C1. 343-708. Tapered radomes. April 11, 1967 (прототип).