УСТРОЙСТВО РАДИОМАСКИРОВКИ ОТРАЖАЮЩИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
DEVICE FOR RADIO CAMOUFLAGE OF REFLECTING SURFACES

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и может быть применено в различных ее отраслях.
В частности, может использоваться как накидное радиомаскирующее укрытие для скрываемых объектов, так и стационарно закрепленное покрытие на сухопутных, водных или авиационных транспортных средствах. Также может применяться в качестве обшивки безэховых камер. Маскирующий эффект обеспечивается за счет снижения эффективной поверхности рассеяния (ЭПР).
Основным достигаемым техническим результатом является улучшение маскирующих свойств в широком радиочастотном диапазоне с длинами волн от нескольких сантиметров до десятков метров при толщине устройства не более 2-х миллиметров.
Переизлучение энергии падающей волны на отражающих поверхностях происходит вследствие вынужденных колебаний свободных или связанных зарядов, создающих токи проводимости или токи смещения. Можно говорить о том, что всякое тело, способное переизлучать электромагнитную энергию, обладает собственной частотой колебаний электрических зарядов. Если частота колебаний первичной волны совпадает с этой собственной частотой колебаний отражателя, то имеет место явление резонансного отражения. При резонансном отражении появляется также ярко выраженная направленность вторичного излучения. Для металлических отражателей, у которых отражение происходит за счет наведенных токов проводимости, явление резонанса возникает всякий раз, если имеется компонента вектора электрического поля, параллельная отражателю, размер которого кратен λ/2. При резонансе мощность отраженного сигнала резко возрастает.
Если линейные размеры поверхности малы по сравнению с длиной волны, то при нормальном падении волны площадь ЭПР для тел любой формы определяется формулой [1]:
где: S - площадь отражающей поверхности;
λ - длина падающей волны;
k - коэффициент, учитывающий свойства отражающей поверхности.
Для металлической пластины с зеркальной поверхностью, расположенной нормально к падающей волне и линейные размеры которой значительно превосходят длину волны, площадь ЭПР определяется формулой [1]:
В радиолокации обычно используют частотный диапазон с длинами волн от нескольких миллиметров до десятков метров. Для маскировки отражающих поверхностей могут применяться градиентные, интерференционные либо активные методы уменьшения обратного вторичного излучения отражающих поверхностей. Одними из основных требований, предъявляемых к маскирующим покрытиям, являются технологичность изготовления, эксплуатационная надежность и минимизация массогабаритных характеристик. Данное изобретение обладает признаками каждого из названных методов и удовлетворяет перечисленным требованиям.
Интерференционные покрытия обеспечивают гашение колебаний, отраженных в нормальном направлении от покрытия и объекта. На внешней стороне интерференционного покрытия происходит сложение колебаний, отраженных от поверхности покрытия и металлической поверхности объекта. Изменением толщины покрытия и отражающих свойств его поверхности добиваются, чтобы амплитуда колебаний, отраженных от покрытия и поверхности объекта, была одинакова, а фазы противоположны, толщина покрытия должна быть примерно равна четверти длины волны облучающих колебаний. Покрытия интерференционного типа могут ослабить отраженные колебания в 1000 раз. Однако они имеют очень узкие диапазонные свойства. Кроме того, если потребовать, чтобы толщина покрытия не превышала 2,5 см, то наибольшая длина волны его применимости составит 10 см.
Поглощающие покрытия уменьшают ЭПР за счет поглощения энергии в материале покрытия. Для уменьшения отражений от поверхности покрытия стараются обеспечить равенство диэлектрической и магнитной постоянных на поверхности покрытия соответствующим значениям в воздухе. В поперечном сечении покрытия его физические свойства должны постепенно изменяться. Так как на практике это осуществить трудно, то поглощающие покрытия часто делают многослойными. Может быть использован и однородный материал поглотителя, но в него вкрапливают неоднородности, которые, рассеивая энергию падающей волны во всевозможных направлениях, обеспечивают более эффективное поглощение. Поглощающие покрытия работают на всех частотах, превышающих наименьшее значение частоты, зависящее от толщины материала и его средней диэлектрической проницаемости. Использованием поглощающих покрытий энергия отраженных колебаний может быть уменьшена в 10-100 раз.
Необходимая толщина поглощающих покрытий зависит от рабочей частоты. При уменьшении мощности отраженного сигнала до 1% от падающей мощности толщина d, выраженная в метрах, определяется по формуле [2]:
где εr - диэлектрическая постоянная поглощающей среды; f - рабочая частота в ГГц; β - постоянная затухания.
Из приведенной формулы следует, что при толщине поглощающего слоя 2,5 см и типичном значении εr≈4 верхнее значение рабочей длины волны составит около 10 см. Применяя материалы с более высоким действующем значении εr, можно уменьшить его толщину, но при этом ухудшатся диапазонные свойства.
Из рассмотренного следует, что радиомаскирующие покрытия с приемлемыми массогабаритными характеристиками могут быть применены только для частот выше 3 ГГц. К такому же выводу можно прийти на основании данных, приведенных в работе [3].
Известно устройство радиомаскировки объекта путем полуактивного адаптивного управления спектральными характеристиками рассеяния защищаемого объекта [4]. Устройство включает в себя блок управления, базу знаний, бортовую станцию радиоразведки и многоканальный генератор управляющих сигналов, несколько управляемых нелинейных радиолокационных отражателей, соединенных определенным образом. Устройство обеспечивает минимум отражений на частотах облучения, используя специальные алгоритмы формирования управляющих сигналов для нелинейных управляемых отражателей.
Признаком аналога, совпадающим с существенным признаком заявляемого устройства, является управляемое изменение свойств отражающих поверхностей.
Недостатками данного устройства являются сложный аппаратурный состав, ограниченный диапазон варьирования отражательными свойствами поверхностей и необходимость продолжительной адаптации для каждого вида облучающего сигнала.
Известно поглощающее покрытие для ослабления отраженных электромагнитных волн, представляющее собой неоднородное покрытие, состоящее из участков с чередующимися фазами коэффициентов отражения по всем направлениям своей поверхности. Одни участки имеют емкостной характер отражений, другие индуктивный. На каждом из участков покрытия происходит частичное поглощение и отражение падающих волн. За счет разности фаз отраженных волн от емкостных и индуктивных участков происходит интерференционное взаимное ослабление.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются взаимная компенсация отражений от соседних участков поверхности и частичное поглощение падающих волн на всех участках [5].
Недостатком данного устройства является узкий диапазон рабочих частот, так как получить одинаковые по модулю и противофазные коэффициенты отражения от соседних участков поверхности возможно только в узком диапазоне частот из-за разного характера частотных зависимостей индуктивных и емкостных сопротивлений.
Из известных решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является поглотитель электромагнитных волн, представляющий собой многослойное интерференционное покрытие, включающее несколько слоев переменной толщины, между которыми расположены двухмерные решетки резонансных элементов [6]. Решетки удалены от подложки на расстояние
где λn - центральная длина волны поглощаемого поддиапазона;
ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрика.
Резонансные элементы выполнены в виде диполей полуволновой длины и замкнутых проводников (колец, эллипсов), равных центральной длине волны поглощаемого поддиапазона частот.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются использование интерференционного способа компенсации отражений и похожее конструктивное исполнение в виде плоской слоистой структуры с чередующимися диэлектрическими металлизированными слоями.
Недостатком данного устройства является применение резонансных элементов, которые имеют очень узкую полосу рабочих частот и большие размеры в области низких частот. Расширение рабочего диапазона частот за счет использования многослойной структуры решают проблему широкополосности лишь частично. Если весь рабочий диапазон разбивать на большое число узких поддиапазонов, то конструкция существенно усложняется и, кроме того, будут сильно проявляться межслойные связи, ухудшающие эффективность ослабления отражений. При использовании небольшого числа поддиапазонов частотная характеристика компенсации отражений становится очень неравномерной. Также имеет место ограничение применимости такого устройства на частотах ниже 3 ГГц из-за необходимости наращивания толщины поглотителя.
Целью заявленного технического решения является создание устройства радиомаскировки отражающих поверхностей в диапазоне от сколь угодно низких частот до частот в несколько гигагерц независимо от поляризации падающего сигнала при простоте конструкции и обеспечении низких массогабаритных характеристик.
Указанная цель достигается тем, что в устройстве, состоящем из слоя электропроводной основы 1, слоя диэлектрика 2 и электропроводного экранирующего слоя, выполненного по определенной топологии, электропроводный экранирующий слой состоит из экранирующих площадок 3, разделенных сеткой щелевых зазоров 5. Сетка щелевых зазоров 5 имеет структуру, близкую к ортогональной, в которой различаются прямое и ортогональное направления. В узлах сетки размещаются электропроводные нейтральные площадки 4, которые в некоторых случаях могут быть гальванически соединены со слоем электропроводной основы 1. Соседние по каждому из различных направлений экранирующие площадки 3 должны иметь приблизительно одинаковую форму и площадь. Эти экранирующие площадки 3 электрически соединены между собой и находящейся между ними нейтральной площадкой 4 через четырехполюсник компенсационных связей 6.
Линейные размеры экранирующих площадок 3 должны быть меньше четверти наименьшей длины волны рабочего диапазона. Площадь нейтральных площадок 4 должна быть намного меньше площади экранирующих площадок 3.
Четырехполюсник компенсационных связей 6 должен обеспечивать взаимную компенсацию токов смещения, протекающих под воздействием внешнего электромагнитного поля, между одной из пары экранирующих площадок 3 и нейтральной площадкой 4 и между другой экранирующей площадкой 3 и той же нейтральной площадкой 4. При этом должно выполняться условие, чтобы не возникало прямых шунтирующих связей между экранирующими 3 и нейтральной 4 площадками либо непосредственно между экранирующими площадками 3.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 схематично представлена конструкция фрагмента устройства радиомаскировки отражающих поверхностей и вариант топологии экранирующего слоя с обозначенными точками подключения четырехполюсников компенсационных связей 6 (значком ◑ обозначены точки подключения четырехполюсников компенсационных связей 6 прямой поляризации, значком ◓ обозначены точки подключения четырехполюсников компенсационных связей 6 ортогональной поляризации).
На фиг.2 показана эквивалентная схема устройства радиомаскировки отражающих поверхностей, где обозначено:
Епп - амплитуда эквивалентной э.д.с., наведенной внешним электромагнитным полем прямой поляризации между одной из экранирующих площадок 3 и нейтральной площадкой 4;
Zпп - эквивалентное комплексное сопротивление соответствующего участка устройства радиомаскировки отражающих поверхностей;
Еоп - амплитуда эквивалентной э.д.с., наведенной внешним электромагнитным полем ортогональной поляризации между одной из экранирующих площадок 3 и нейтральной площадкой 4;
Zоп - эквивалентное комплексное сопротивление соответствующего участка устройства радиомаскировки отражающих поверхностей;
экранирующие площадки 3 представлены в виде крестообразного соединения полосковых линий и выделены пунктирными линиями;
значком  обозначена точка подключения к нейтральной площадке 4.
На фиг.3 дан вариант эквивалентной схемы взаимного четырехполюсника компенсационных связей 6, выполненного на основе двух встречно включенных невзаимных активных приборов А1 и А2, представленных в виде управляемых напряжением источников э.д.с.
На фиг.4 показан вариант выполнения четырехполюсника компенсационных связей 6 с использованием высокочастотного трансформатора.
Принцип действия предлагаемого устройства в случае использования четырехполюсника компенсационных связей 6, выполненного по схеме, представленной фиг.3, заключается в следующем.
Когда на электропроводном экранирующем слое, имеющем описанную выше топологию, четырехполюсники компенсационных связей 6 не установлены, то имеет место практически полное отражение падающей волны из-за возникающих токов проводимости на экранирующих площадках 3 и токов смещения через щелевые зазоры. При этом на щелевых зазорах создаются электрические напряжения. На эквивалентной схеме источники, создающие токи и напряжения на поверхности экранирующего слоя, можно представить в виде эквивалентных э.д.с. с амплитудами Епп и внутренним комплексным сопротивлением Zпп для волн прямой поляризации и, соответственно, Еоп и Zоп для волн ортогональной поляризации (фиг.2).
Рассмотрим участок экранирующего слоя с двумя соседними по одному из выделенных направлений экранирующими площадками 3 с находящейся между ними нейтральной площадкой 4 и представим эквивалентной схемой на фиг.3. Так как соседние экранирующие площадки 3 имеют приблизительно одинаковую форму и площадь, то наведенные внешним электромагнитным полем эквивалентные э.д.с.
и эквивалентные комплексные сопротивления
В этом случае активные приборы А1 и А2 должны быть идентичны между собой и, следовательно, их входные сопротивления
входные напряжения
и функции передачи
Используя метод контурных токов, запишем выражение для полного тока In через каждый из источников э.д.с. и зададим условие его равенства нулю
Из этого уравнения с учетом того, что
получим
где коэффициент передачи по напряжению активных приборов А1 и А2
При выполнении условия
имеем
Таким образом, при выполнении равенства (14) токи смещения на щелевых зазорах отсутствуют. Это означает, что отражения от каждой экранирующей площадки 3 будут приблизительно такими же, как от одиночной изолированной в пространстве поверхности той же формы, а суммарное отражение от всей маскируемой поверхности будет просто алгебраической суммой отражений от всех экранирующих площадок 3.
Практически рассмотренной эквивалентной схеме невзаимных активных приборов А1 и А2 в простейшем случае соответствуют схемы усилителей с общим коллектором на биполярных транзисторах или с общим стоком на полевых транзисторах, в которых условия (15) и (16) могут быть обеспечены в очень широкой полосе частот.
Возможны и другие виды схемотехнической реализации четырехполюсников компенсационных связей 6, например, с использованием высокочастотного трансформатора, как показано на фиг.4. Недостатком такой схемы является сложность исполнения трансформаторов с удовлетворительными характеристиками на частотах выше 1 ГГц. Хотя при использовании перспективных МЕМС-технологий эти трудности могут быть преодолены.
Для оценки эффективности предлагаемого устройства в низкочастотной и высокочастотной частях рабочего диапазона рассмотрим случай радиомаскировки плоской металлической отражающей поверхности площадью S, расположенной нормально к падающей волне.
Пусть эта поверхность закрыта предлагаемым устройством, состоящим из N экранирующих площадок 3. Тогда каждая из экранирующих площадок 3 будет иметь площадь
Предположим, что в низкочастотной части рабочего диапазона линейные размеры маскируемой отражающей поверхности значительно меньше длины падающей волны.
Тогда согласно формуле (1) ЭПР каждой из экранирующих площадок 3 будет равна
Для общей ЭПР устройства радиомаскировки получаем
При этом ЭПР маскируемой отражающей поверхности определяется формулой (1).
Определяем коэффициент эффективности радиомаскировки по отраженной мощности
Допустим, что в высокочастотной части рабочего диапазона линейные размеры экранирующих площадок 3 существенно больше длины падающей волны. Тогда, используя соотношения (2) и (17), получаем
-1
-3
Дополнительно эффект радиомаскировки в предлагаемом устройстве будет проявляться в виде поглощения электромагнитной энергии в слое диэлектрика 2. Так как вторичное излучение экранирующих площадок 3 происходит в обе стороны от их плоскости, то при значениях диэлектрической проницаемости более 4 и тангенсе угла диэлектрических потерь порядка 10÷10 значительная часть вторичного поля будет втянута в слой диэлектрика 2 и рассеяна в нем.
Кроме того, в четырехполюсник компенсационных связей 6 могут быть включены элементы с диссипативными потерями, что также позволит увеличить поглощающие свойства предлагаемого устройства радиомаскировки отражающих поверхностей.
Изобретение может использоваться самостоятельно или в совокупности с другими радиомаскирующими покрытиями. Например, если поверх электропроводного экранирующего слоя нанести слой поглощающего материала, у которого нижняя частота рабочего диапазона совпадает или меньше верхней рабочей частоты предлагаемого устройства, то такое составное устройство может работать от частот порядка нескольких десятков мегагерц до десятков гигагерц.
Источники информации.
1. Теоретические основы радиолокации. Под редакцией В.Е.Дулевича. «Советское радио», 1964.
2. Небабин В.Г., Белоус О.И. Методы и техника противодействия радиолокационному распознаванию. Зарубежная радиоэлектроника, №2, 1987, с.38-47.
3. Б.В.Сергеевич. Интегрированная защита специальных экранированных помещений. Специальная Техника. №6 ,999.
4. Устройство адаптивного управления спектральными характеристиками рассеяния радиолокационного объекта. Патент RU 2319167 С1. 2006.
5. Поглощающее покрытие для ослабления отраженных электромагнитных волн, емкостный элемент поглощающего покрытия, индуктивный элемент поглощающего покрытия. Патент RU 2125327 С1. 1996.
6. Поглотитель электромагнитных волн и способ его изготовления. Патент RU 2119216 С1. 1996.