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

Изобретение относится к антенно-фидерным устройствам, преимущественно к широкополосным системам «антенна-обтекатель».
Известна система «антенна-обтекатель», содержащая антенну и обтекатель, в форме колпака, снабженный узлом крепления к летательному аппарату, со стенкой из диэлектрического материала толщиной, соответствующей полуволновой электрической толщине на рабочей частоте: Каплун В.А. Обтекатели антенн СВЧ. М., Советское радио, 1974 г. 238 с., RU №2096869. Система «антенна-обтекатель». Приоритет 17.05.1996 г.
Структура стенки обтекателя состоит из одного или нескольких слоев из материалов с известными значениями диэлектрической проницаемости. Геометрическая толщина стенки подбирается эквивалентной полуволновой электрической толщине на средней по диапазону резонансной частоте.
Известно, что реализация на одной частоте полуволновой электрической толщины стенки, за счет резонансного согласования стенки со свободным пространством, позволяет получить минимальный уровень искажения фазы прошедшего через обтекатель поля падающей волны.
Обтекатель с резонансной полуволновой стенкой, изготовленный по этому техническому решению, вносит минимально возможные искажения в поле падающей волны на резонансной частоте, но пропорционально увеличению рабочей полосы значительно возрастает величина искажений, вносимых обтекателем в поле падающей волны.
Наиболее близким к заявляемому является решение по патенту USA №6,028,565. W-band and X-band radome wall. Приор. 19 ноября 1996 г. (прототип).
В решении по прототипу в широкополосной системе «антенна-обтекатель» для работы в совмещенных диапазонах, содержащей широкополосную антенну и обтекатель в форме колпака со стенкой из диэлектрического материала, снабженного узлом крепления к летательному аппарату, обтекатель выполнен так, что его электрическая толщина соответствует полуволновой электрической толщине для высокочастотного диапазона и «тонкой» по электрической толщине для низкочастотного диапазона.
Реализация полуволновой резонансной электрической толщины стенки обтекателя с минимальными искажениями поля падающей волны применяется в данном техническом решении для высокочастотного диапазона. Соответственно, для низкочастотной части совмещенного диапазона применяется структура стенки с «тонкой» электрической толщиной, менее 0,1 длины волны, за счет снижения геометрической толщины для низкочастотного диапазона, которая является полуволновой по электрической толщине для высокочастотной области.
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.
Задачей изобретения является снижение ошибок пеленга при создании широкополосных систем «антенна-обтекатель» для работы в совмещенных частотных диапазонах.
Достигается задача тем, что система «антенна-обтекатель» для работы в совмещенных диапазонах, содержащая широкополосную антенну и обтекатель со стенкой из диэлектрического материала в форме колпака, снабженного узлом крепления к летательному аппарату, отличается тем, что электрическая толщина стенки обтекателя соответствует половине длины волны на средней частоте верхнего диапазона и четверти длины волны на средней частоте нижнего диапазона.
Авторы провели расчеты и установили, что использование в широкополосной системе «антенна-обтекатель» для работы в совмещенных диапазонах обтекателя, имеющего электрическую толщину, соответствующую половине длины волны на средней частоте верхнего диапазона и четверть длины волны на средней частоте нижнего диапазона, позволяет уменьшить влияние изменения частоты на увеличение электрической толщины стенки и за счет улучшения согласования стенки со свободным пространством снизить искажения, вносимые стенкой в фазу поля падающей волны.
Для доказательства преимущества предлагаемого технического решения проведены расчетные эксперименты, результаты которых представлены ниже.
В таблице 1 представлены результаты расчетов радиотехнических характеристик (РТХ, Δα - пеленгационная ошибка, S - крутизна пеленгационной ошибки, КП - коэффициент прохождения) системы «антенна-обтекатель» в 1% частотной полосе в зависимости от толщины стенки, кратной полуволновой.
Из таблицы 1 видно, что минимальные изменения крутизны пеленгационных ошибок (S) по диапазону наблюдаются для стенок, кратных четвертьволновой толщине, но наименьшие изменения крутизны по диапазону наблюдаются для толщины стенки, равной четверти волны (0,5·λ/2, где λ - длина волны на частоте измерений).
В таблице 2 представлены результаты расчетов РТХ системы «антенна-обтекатель» в ±5% частотной полосе в зависимости от толщины стенки.
Из таблицы 2 видно, что минимальные изменения крутизны пеленгационных ошибок (S) по диапазону наблюдаются для стенок, кратных четвертьволновой толщине, но наименьшие изменения крутизны по диапазону наблюдаются для толщины стенки, равной четверти волны (0,5·λ/2).
В таблице 3 представлены результаты расчетов РТХ системы «антенна-обтекатель» в ±10% частотной полосе в зависимости от толщины стенки. В представленной таблице стенка была настроена так, чтобы резонансная толщина соответствовала минимальной крутизне ошибок и, как видно из таблицы, что выбранная толщина не является оптимальной по коэффициенту прохождения.
Из таблицы 3 видно, что минимальные изменения крутизны пеленгационных ошибок (S) по диапазону наблюдаются для толщин, кратных четверти волны, но наименьшие изменения крутизны по диапазону наблюдаются для толщины стенки, равной четверти волны (0,5·λ/2).
Из сравнения данных таблицы 1, 2 и 3 видно, что с увеличением ширины диапазона значительно увеличиваются изменения крутизны для обтекателя с полуволновой толщиной стенки, а для обтекателя с четвертьволновой стенкой изменения крутизны с увеличением ширины диапазона незначительные.
Авторы установили, что с увеличением ширины диапазона уменьшается величина минимального по диапазону коэффициента прохождения для обтекателя с полуволновой стенкой и для ширины диапазона в ±10% минимальная величина коэффициента прохождения для обтекателя с полуволновой стенкой составляет 37%, что приближается к минимальному коэффициенту прохождения по диапазону для обтекателя с четвертьволновой толщиной стенки.
Из сравнения таблиц 1, 2 и 3 видно, что широкополосные свойства четвертьволновой стенки выше, чем стенки, условно «тонкой» по электрической толщине. Из таблицы 3 видно, что для обтекателя с «тонкой» стенкой крутизна пеленгационной ошибки в ±10% полосе частот в 10 раз выше, чем для обтекателя с четвертьволновой стенкой.
Для наглядности на фиг.1 и 2 показаны крутизны пеленгационных ошибок обтекателя в плоскостях Е и Н в зависимости от толщины стенки в ±10% полосе частот (здесь и далее представлены зависимости на верхней, средней и нижней частотах диапазона). Видно, что минимальная величина крутизны ошибок в полосе частот наблюдается для  четвертьволновой толщины стенки.
На фиг.3 показаны величины коэффициента прохождения обтекателя в зависимости от толщины стенки для Е-поляризации при различных значениях диэлектрической проницаемости стенки.
Из фиг.3 видно, что коэффициент прохождения обтекателя зависит не только от величины электрической толщины слоя, но и от величины диэлектрической проницаемости слоя. Так, коэффициент прохождения обтекателя для электрической толщиной стенки, равной четверти длины волны, значительно возрастает при снижении диэлектрической проницаемости материала стенки ниже ε=1,5, что соответствует выводам из теории геометрической оптики при рассмотрении задачи прохождения электромагнитной волны через слой. Действительно, чем меньше разница между диэлектрическими проницаемостями слоя материала и воздухом, тем меньше потери на отражение от границы слоя.
Таким образом, широкополосная система «антенна-обтекатель» для работы в совмещенных диапазонах, выполненная по предлагаемому техническому решению, где обтекатель имеет электрическую толщину стенки, соответствующую половине длины волны на средней частоте верхнего диапазона и четверти длины волны на средней частоте нижнего диапазона, имеет минимальные ошибки пеленга.
Источники информации
1. Каплун В.А. Обтекатели антенн СВЧ. М., Советское радио, 1974 г. 238 с.
2. RU №2096869. Система «антенна-обтекатель». Приоритет 17.05.1996 г.
3. USA №6,028,565. W-band and X-band radome wall. Приор. 19 ноября 1996.