СТЕНКА РАДИОПРОЗРАЧНОГО УКРЫТИЯ
RADOME WALL

0
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при создании объектов, использующих радиопрозрачные укрытия (РПУ) - стенок антенных обтекателей и радиопрозрачных укрытий антенн с тонкими относительно рабочей длины волны (λ) диэлектрическими слоями. Особенно эффективным может быть использование данного изобретения для радиотехнического просветления стенок РПУ, предназначенных для работы в дециметровом и длинноволновой части сантиметрового диапазонов длин волн.
0
Для создания РПУ объектов, работающих в дециметровом и длинноволновой части сантиметрового диапазонов длин волн, используют стенку, состоящую из тонких относительно длины волны (λ) диэлектрических слоев. Такая стенка обладает емкостным характером отражения, уровень которого может быть не достаточно низким, чтобы обеспечить нужные радиотехнические характеристики системы «укрываемый объект - РПУ». Известно, что такую стенку можно просветлить с помощью решетки индуктивного типа (из проводов), т.е. обеспечить компенсацию волны, отраженной от тонких диэлектрических слоев стенки. В результате, в некотором диапазоне частот можно снизить уровень отражения падающей электромагнитной волны.
Известно, что для обеспечения защиты РПУ от обледенения, статического электричества (молниезащита), а также для обеспечения освещения используется решетка из проводов, индуктивная проводимость которой частично компенсируется емкостной проводимостью решетки из вибраторов (патент US 2007252775 (A1) "Radome with detuned elements and continuous wires", опубликован 2007.11.01). Внесение дополнительных элементов с емкостным характером отражения может оказаться малоэффективным и привести к сужению диапазона частот и сектора углов падения волны, в котором стенка укрытия обладает низким уровнем отражения.
Известна стенка РПУ для антенных обтекателей и защитных укрытий антенн прицельных станций и систем сопровождения целей (патент РФ №2168816. "Радиопрозрачная стенка обтекателя", опубликован 10.06.2001), состоящая из диэлектрических слоев и металлических элементов в виде решеток с индуктивной проводимостью, выполненных из набора периодически расположенных металлических проводов. Указанная стенка может быть использована для создания РПУ изделий (антенн), работающих в миллиметровом диапазоне и коротковолновой части сантиметрового диапазона длин волн.
В случае использования подобных стенок для создания РПУ объектов, работающих в дециметровом диапазоне или в длинноволновой части сантиметрового диапазона длин волн, недостатком является то, что потребуется или стенка с неприемлемо большой толщиной, или толщина провода в решетке должна быть неприемлемо малой.
0
0
Наиболее близкой к предлагаемой стенке является стенка РПУ - обтекателя, защищающего СВЧ датчики в автомобиле, описанная в патенте №ЕР 2151889 ("Radome for radar sensor in a motor vehicle", опубликован 2010.02.01), включающая как минимум слой диэлектрика, толщина которого кратна λ/2, со слоем лакокрасочного покрытия, который может рассматриваться как тонкий диэлектрический слой по отношению к λ, а также решетку индуктивного типа, состоящую из набора периодически расположенных прямых или волнистых металлических проводов. Провода в решетке расположены параллельно вектору напряженности электрического поля падающей электромагнитной волны. Решетка в указанном изобретении служит для компенсации влияния лакокрасочного покрытия на радиотехнические качества стенки обтекателя для СВЧ датчиков, то есть для снижения уровня отражения обтекателя. Так как СВЧ датчики в автомобилях, как указано в патенте, работают в миллиметровом диапазоне длин волн, такой способ компенсации может быть эффективным. В случае необходимости компенсации отражения падающей волны от тонких диэлектрических слоев в дециметровом диапазоне и длинноволновой части сантиметрового диапазона длин волн для изготовления указанной стенки необходимо применять решетку с очень тонкими проводами, выполнение которой связано с технологическими трудностями.
0
Предлагаемое изобретение решает задачу создания радиопрозрачных укрытий со стенками, состоящими из тонких по отношению к λ диэлектрических слоев, для объектов, работающих в дециметровом диапазоне и длинноволновой части сантиметрового диапазона длин волн.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является улучшение радиотехнических характеристик стенки РПУ, а именно - уменьшение коэффициента отражения без использования в решетке, входящей в состав этой стенки, проводов с микроскопической толщиной.
0
min
Сущность изобретения заключается в том, что в стенке радиопрозрачного укрытия, включающей тонкие по отношению к λ диэлектрические слои и решетку индуктивного типа, состоящую из набора параллельно расположенных в периодическом порядке металлических проводов, установленных параллельно вектору напряженности электрического поля падающей электромагнитной волны, решетка выполнена из набора проводов с периодическими искривлениями вдоль длины провода, увеличивающими длину провода не менее чем в два раза, при этом период искривлений меньше не менее чем в три раза периода решетки, а период решетки меньше половины минимальной рабочей длины волны (λ/2).
Кроме того, сущность изобретения заключается в том, что набор проводов в решетке представляет собой систему, выполненную по крайней мере из двух взаимно перпендикулярных наборов параллельно расположенных проводов с периодическими искривлениями без электрического контакта между этими наборами.
Кроме того, сущность изобретения заключается в том, что решетка выполнена из набора проводов с периодическими искривлениями в виде меандра.
Кроме того, сущность изобретения заключается в том, что решетка выполнена из набора проводов с периодическими искривлениями в виде соленоида.
Кроме того, сущность изобретения заключается в том, решетка установлена перед, за или между диэлектрическими слоями.
q
q
Как известно, для расчетов радиотехнических характеристик стенки с помощью эквивалентных схем диэлектрический слой с решеткой можно представить схемой, в которой действие решетки учитывается реактивным сопротивлением Z, шунтирующим ступенчатую линию передачи. Величину Z (или величину входной проводимости решетки) в конечном итоге можно выразить через индуктивность решетки L, зависящей от параметров решетки, слоя, параметров и структуры проводов.
min
Использование решетки из проводов, искривленных вдоль их длины, с периодом искривления меньшим не менее чем в три раза периода решетки, причем искривления должны увеличивать длину провода не менее чем в два раза, а период решетки должен быть меньше λ/2, позволяет дополнительно увеличить индуктивность решетки без использования в ней проводов с микроскопической толщиной и без увеличения периода решетки. В результате, с увеличением индуктивности решетки можно достичь более глубокой компенсации отражений от диэлектрических слоев, т.е. уменьшить коэффициент отражения стенки РПУ.
Выполнение искривлений проводов с периодом искривления меньшим не менее чем в три раза периода решетки позволит получить дополнительную индуктивность решетки с достаточно большими значениями. Выполнение искривлений проводов с периодом искривлений равным или большим, чем период решетки не позволит получить дополнительную индуктивность, существенно увеличивающую индуктивность решетки, так как дополнительная индуктивность складывается из удельных индуктивностей каждого искривления на длине одного периода решетки.
Искривления проводов решетки, увеличивающие длину проводов менее чем в два раза, не позволят получить дополнительную индуктивность, существенно увеличивающую индуктивность решетки, так как электродинамическое влияние проводов друг с другом приводит к тому, что при малых искривлениях удельная индуктивность каждого искривления имеет очень малые значения.
min
min
Выполнение решетки с периодом больше λ/2 приведет к появлению гармоник Флоке в рассеянном поле решетки, которые ухудшат радиотехнические свойства стенки РПУ, что проявляется в сильном искажении диаграммы направленности системы «укрываемый объект - РПУ». Кроме того, решетки, выполненные с периодом, близким к λ/2, обладают индуктивностью, сильно зависящей от угла падения электромагнитной волны, что приводит к увеличению коэффициента отражения от стенки РПУ при наклонном падении электромагнитной волны.
Использование искривлений проводов в виде меандра позволяет получать существенные значения дополнительной индуктивности, необходимой для обеспечения снижения коэффициента отражения решетки, при этом решетка может быть изготовлена печатным образом.
Использование искривлений проводов в виде соленоида позволяет получать очень большие значения дополнительной индуктивности в решетке, при этом элементы решетки будут обладать малыми размерами в направлении, перпендикулярном вектору напряженности электрического поля падающей электромагнитной волны.
Выполнение набора проводов в решетке по крайней мере из двух взаимно перпендикулярных наборов параллельно расположенных проводов с периодическими искривлениями без электрического контакта между этими наборами позволит получить решетку с радиотехническими свойствами, не зависящими от поляризации падающей электромагнитной волны, при этом избавиться от паразитных резонансов, которые наблюдаются при наличии электрического контакта между этими системами при наклонном падении на решетку параллельно поляризованной электромагнитной волны, что резко ухудшает радиотехнические свойства стенки РПУ.
Размещение решетки перед или за диэлектрическими слоями позволяет выполнить стенку РПУ достаточно простым способом, используя обычные технологии производства РПУ из диэлектриков. Размещение решетки между диэлектрическими слоями позволяет выполнить стенку РПУ с гораздо лучшими радиотехническими характеристиками, но при этом существенным образом усложняется производство таких стенок.
Изобретение поясняется рисунками, где на фиг.1 изображена конструкция стенки РПУ с решеткой из искривленных проводов, фиг.2 - схемы искривления проводов в виде меандра, фиг.3 - схемы искривления проводов в виде соленоида, фиг.4 - два взаимно перпендикулярных набора проводов с периодическими искривлениями, фиг.5 - эквивалентная схема длинной линии для диэлектрической стенки с решеткой из искривленных проводов, фиг.6 - зависимость дополнительной индуктивности решетки от удлинения провода при искривлении провода в виде меандра, фиг.7 - частотная зависимость коэффициента отражения от стенки РПУ при нормальном падении электромагнитной волны, фиг.8 - частотная зависимость коэффициента отражения от стенки РПУ для перпендикулярно поляризованной электромагнитной волны при угле падения 50°, фиг.9 - частотная зависимость коэффициента отражения от стенки РПУ для параллельно поляризованной электромагнитной волны при угле падения 50°, фиг.10 - частотная зависимость коэффициента отражения от стенки РПУ при нормальном падении электромагнитной волны.
0
min
Стенка РПУ включает (фиг.1), по крайней мере, один тонкий по отношению к λ диэлектрический слой 1 и решетку 2 с индуктивной проводимостью, состоящую из набора расположенных в периодическом порядке металлических проводов 3. При этом провода 3 решетки 2 расположены параллельно вектору 4 напряженности электрического поля падающей электромагнитной волны перед или за диэлектрическим слоем 1 или между слоями 1. Провода 3 в решетке 2 выполнены с периодическими искривлениями 5 вдоль длины 8 провода 3 с периодом 6 искривления меньше не менее чем в три раза периода 7 решетки 2. Искривления 5 провода 3 с указанным периодом 6 должны увеличивать длину 8 провода 3 не менее чем в два раза, а период 7 решетки 3 должен быть меньше λ/2 объекта 9.
Искривления 5 проводов 3 в виде меандра 10 (фиг.2) позволят изготавливать решетку 2 печатным образом. Кроме того, искривления 5 проводов 3 в виде меандра 10 позволят получить достаточно большие значения дополнительной индуктивности 12 в решетке 2, так как каждый элемент 11 меандра 10 обладает достаточно большой удельной индуктивностью. Дополнительная индуктивность 12, получаемая за счет искривления 5 проводов 3 в виде меандра 10, может быть приблизительно вычислена методом участков по формуле:
Где:
X
- количество элементов 11 меандра 10 на расстоянии одного периода T 7;  где n≠m,
L - собственная индуктивность элемента 11 меандра 10,
nm
М - взаимная индуктивность между элементами 11 n и m.
N - количество рассматриваемых элементов 11 меандра 10.
M
где l - длина 13 элемента 11 меандра 10,
П
d - ширина 14 провода 3.
nm
где S=|n-m|S - расстояние между m-м и n-м элементами меандра,
S - период 6 искривлений 5.
Искривления 5 проводов 3 в виде соленоида 15 (фиг.3) позволят получить большие значения дополнительной индуктивности 12 решетки 2, при этом размер 16 элементов 17 соленоида 15 в перпендикулярном направлении вектору 4 напряженности электрического поля получается достаточно малым по сравнению с длиной падающей волны, так как каждый элемент 17 соленоида 15 обладает гораздо большей удельной индуктивностью, чем элемент 11 меандра 10. Дополнительная индуктивность 12, получаемая за счет искривления 5 проводов 3 в виде соленоида 15, может быть вычислена методом участков по формуле:
c
где d - диаметр соленоида 18,
- количество элементов 17 соленоида 15 в одном периоде 7 решетки 2,
x
T - период 7 решетки 2,
S - период 6 искривления 5.
Набор проводов 3 в решетке 2 может быть изготовлен в виде системы 19, выполненной по крайней мере из двух взаимно перпендикулярных наборов параллельно расположенных проводов 3 с периодическими искривлениями без электрического контакта 20 между этими наборами (фиг.4).
Тонкие диэлектрические слои 1 могут быть выполнены из любого диэлектрического материала с малыми потерями, такого как стеклопласты, фторопласты, керамика и т.д. Металлические провода 3 с индуктивной проводимостью могут быть выполнены из металлов с малыми удельными сопротивлениями, таких как золото, серебро, медь, сталь, алюминий и т.д.
Предлагаемая стенка РПУ работает следующим образом. При падении электромагнитной волны на тонкие диэлектрические слои 1 часть ее отражается, причем отражение электромагнитной волны носит емкостный характер. При падении электромагнитной волны на решетку 2 с индуктивной проводимостью часть ее отражается, причем отражение электромагнитной волны носит индуктивный характер. Отраженные поля от тонких диэлектрических слоев 1 и от решетки 2 частично компенсируют друг друга, тем самым снижая уровень отражения от стенки в целом. Оптимальная компенсация достигается в том случае, когда амплитуда отраженного поля от тонких диэлектрических слоев 1 равна амплитуде отраженного поля от решетки 2, а фазы этих полей сдвинуты на 180°. Приблизительно это условие достигается при выполнении следующего равенства:
где
ω - круговая частота,
0
ε - диэлектрическая проницаемость свободного пространства,
i
d - толщина i-го тонкого диэлектрического слоя 1 в стенке РПУ,
i
ε - относительная проницаемость i-го тонкого диэлектрического слоя 1 в стенке РПУ,
L - индуктивность решетки 2.
min
В дециметровом диапазоне и в длинноволновой части сантиметрового диапазона длин волн для достижения условия (4) необходимо увеличивать индуктивность решетки 2. Также увеличение индуктивности решетки 2 достигается за счет периодических искривлений 5 проводов 3, входящих в ее состав с периодом 6 искривлений, не менее чем в три раза меньшим периода 7 решетки 2, при этом период решетки 2 остается меньше чем λ/2.
Более точное представление о работе стенки РПУ можно получить на основе теории эквивалентной длинной линии слоистой диэлектрической структуры. Тонкие диэлектрические слои, находящиеся перед и за решеткой, представляют собой в эквивалентной длинной линии (фиг.5) четырехполюсники с матрицами передачи 21 и 22, которые зависят от параметров слоев 1, угла падения и поляризации падающей волны. Решетка 2 из прямых проводов 3 может быть описана в эквивалентной длинной линии некоторой индуктивностью 23, которая определяет индуктивность решетки 2 из прямых проводов 3 и может быть вычислена по формуле:
где  (β принимает значение М или Е);
(для перпендикулярной поляризации),
(для параллельной поляризации);
и  вычисляются как входные сопротивления 24 и 25 эквивалентной длинной линии (фиг.5);
x
T - период 7 решетки 2;
П
d - ширина 14 плоского провода 3 решетки 2;
(m - целое число);
2
0
0
χ=ksinθ; k - волновое число;
θ - угол падения волны.
Для уменьшения коэффициента отражения необходимо, чтобы сопротивление 26 со стороны входа длинной линии с учетом индуктивности 23 равнялось волновому сопротивлению свободного пространства 27. Для многих случаев величины индуктивности 23 без увеличения периода 7 решетки 2 недостаточно. Искривления 5 проводов 3 в решетке 2 эквивалентно последовательному включению с индуктивностью 23 дополнительной индуктивности 12. Кроме этого при увеличении угла падения электромагнитной волны значение индуктивности 23 может сильно изменяться, что может привести к увеличению коэффициента отражения при наклонном падении на стенку РПУ электромагнитной волны. Значение дополнительной индуктивности 12 от угла падения электромагнитной волны практически не зависит.
Сущность изобретения поясняется следующими примерами.
Пример 1. В примере показана зависимость дополнительной индуктивности решетки, которая используется в составе стенки РПУ для объекта, работающего на частоте 5,0 ГГц. Дополнительная индуктивность получена за счет искривлений проводов в виде меандра 10. Пример иллюстрирует малую эффективность незначительного удлинения за счет искривления проводов решетки.
На частоте 5,0 ГГц вычислялась зависимость дополнительной индуктивности 12 решетки 2 от относительного удлинения 30 проводов 3 решетки 2, полученных за счет искривления 5 проводов 2 в виде меандра 10.
Рассмотрена стенка РПУ, содержащая решетку 2, выполненную с периодом 7, равным 20,0 мм, что составляет 0,3 длины волны, из плоских проводов 3 с толщиной 14, равной 0,313 мм, с искривлениями 5 провода 3 в виде меандра 10 с периодом 6 искривления 5 провода 3, равным 1,25 мм, что составляет 0,0625 периода 7 решетки 2, т.е. меньше в двенадцать раз, чем период решетки. На фиг.6 представлены зависимости 28 и 29 дополнительной индуктивности 12, измеряемой в нГн на квадрат от относительного удлинения провода 30. Зависимость 28 рассчитана методом участков, а зависимость 29 - методом интегральных уравнений, который дает более точные результаты. Можно заметить, что удлинение провода менее чем в два раза дает малые значения дополнительной индуктивности 12 решетки 2. Индуктивность 23 решетки 2 с таким же периодом 7 из прямых проводов 3 с такой же толщиной 14 составляет 15,5 нГн на квадрат. Для увеличения этого значения в два раза без уменьшения периода 7 решетки 2 необходимо уменьшить толщину 14 провода 3 приблизительно до 10 мкм. Искривления 5 провода 3 в виде меандра 10 с относительным удлинением 30 провода 3 в четыре с половиной раза позволяет добиться такого же результата без изменения толщины провода и использования проводов с микроскопической толщиной.
Пример 2. В численном примере представлена стенка РПУ для работы в диапазоне частот от 1,0 ГГц до 1,4 ГГц. Коэффициент отражения стенки не должен превышать -20 дБ при углах падения от 0 до 50 градусов.
min
Рассматриваемая стенка РПУ состоит из трех диэлектрических слоев 1 и решетки 2 из проводов 3, изогнутых в виде меандра 10. Толщины диэлектрических слоев 1: 1,25 мм; 20,0 мм и 1,25 мм. Относительные диэлектрические проницаемости слоев 1: 4,3; 1,1; 4,3. Решетка 2 состоит из плоских проводов 3 с толщиной 14, равной 0,625 мм, искривленных в виде меандра 10 с относительным удлинением 30, равным четырнадцати. Решетка 2 имеет период 7, равный 40 мм, что составляет 0,19 λ в рассматриваемом диапазоне частот. Период 6 искривления 5 равен 2,5 мм, что составляет 0,0625 периода 7 решетки 2. Такая решетка 2 обладает индуктивностью, равной 194 нГн на квадрат. Провода 3 в решетке 2 расположены параллельно вектору 4 напряженности электрического поля падающей электромагнитной волны. В решетке не использованы провода с микроскопической толщиной.
На фиг.7, 8, 9 представлены вычисленные частотные зависимости коэффициентов отражения от стенки РПУ для трех случаев: при нормальном падении, при угле падения волны 50° для перпендикулярной поляризации и при угле падения волны 50° для параллельной поляризации соответственно. Зависимость 31 относится к случаю стенки РПУ без решетки 2 (первый вариант). Зависимость 32 относится к стенке РПУ с решеткой 2, установленной на поверхности стенки перед или за диэлектрическими слоями 1 (второй вариант). Зависимость 33 относится к стенке РПУ с решеткой 2, установленной в центре стенки между диэлектрическими слоями (третий вариант). Как видно из графиков, наилучшим является третий вариант, но он достаточно сложен для реализации. Второй вариант позволяет получить коэффициент отражения от стенки РПУ не выше -20 дБ в полосе частот от 1,0 до 1,4 ГГц для углов падения от 0 до 50° для любой поляризации поля падающей волны. Первый вариант стенки не позволяет добиться желаемого результата (максимальный коэффициент отражения составляет -14 дБ).
Пример. 3. В экспериментальном примере рассмотрена стенка РПУ для работы в диапазоне частот от 1,0 ГГц до 2,0 ГГц.
min
Стенка РПУ включает три диэлектрических слоя 1. Толщины диэлектрических слоев 1: 0,6 мм; 13,0 мм; 0,9 мм. Относительные диэлектрические проницаемости слоев 1: 3,7; 1,1; 3,7. Для снижения коэффициента отражения такой стенки использовалась решетка 2 с периодом 7, равным 20 мм, что составляет 0,19 λ, из круглых проводов 3 с диаметром провода 0,5 мм, искривленных в виде соленоида 15 с периодом 6 искривления 5, равным 1,18 мм, что составляет 0,059 периода решетки. Диаметр соленоида 18 равен 4,5 мм. Провода в решетке удлиняются за счет искривления в двенадцать раз. Такая решетка 2 обладает индуктивностью, равной 299 нГн на квадрат. Решетка 2 устанавливалась на поверхности стенки перед диэлектрическим слоем 1 с толщиной 0,9 мм. На фиг.10 представлены вычисленные и измеренные частотные зависимости коэффициента отражения при нормальном падении электромагнитной волны на стенку РПУ. Зависимости 34 и 35 относятся к случаю стенки РПУ без решетки 2, измеренные и вычисленные соответственно. Зависимости 36 и 37 относятся к случаю стенки РПУ с решеткой 2, измеренные и вычисленные соответственно. Из сравнения зависимости 36 с зависимостью 34 и из сравнения зависимости 37 с зависимостью 35 можно сделать вывод, что использование такой решетки 2 из проводов 3, изогнутых в виде соленоида 10, приводит к существенному снижению коэффициента отражения (см. фиг.10) от стенки в рассматриваемом диапазоне частот. Минимальное значение коэффициента отражения наблюдается на частоте 1,25 ГГц. В решетке не использованы провода с микроскопической толщиной.
Как следует из вышеизложенного и как следует из примеров, использование изобретения позволяет создавать стенки РПУ с высокими радиотехническими характеристиками, а именно с низким коэффициентом отражения (дополнительное снижение коэффициента отражения не менее чем на 10 дБ) для объектов, работающих в дециметровом и в длинноволновой части сантиметрового диапазонов длин волн. Также упрощается изготовление таких стенок с решетками, так как появляется возможность не использовать в решетках провода с микроскопической толщиной.