Отражающий экран фрактальной структуры "Фракстрон"

Полезная модель относится к области радиотехники, а более конкретно - к отражающим экранам для пассивных радиолокационных отражателей и рефлекторов, и может быть использована в качестве элемента инновационных конструкций антенн, устройств широкополосной и нелинейной радиолокации, средств локализации и мобильных объектов, селективных и поглощающих материалов, а также интеллектуальных приложений в области защиты информации.
Известен отражающий экран для зеркальных антенн, выполненный в виде параболоида вращения из сплошного металла (см., например, а.с. СССР №1646017 по классу H01Q 15/16, опуб. 30.04.1991 г.).
Известен отражающий экран, выполненный в виде пластины из сплошного металла (см., например, а.с. СССР №1332422, по кл. МПК H01Q 15/18, опуб. 23.02.1991 г.). Такой экран используется в пассивных радиолокационных уголковых отражателях и уголковых антеннах.
Общим недостатком этих отражающих экранов является большая масса, так как они выполнены из сплошного металла. Кроме того, они обладают большим аэродинамическим сопротивлением.
Данные недостатки не обнаружены в отражающих экранах, сделанных в виде одной тонкой проводящей перфорированной пластины (см., например, Айзенберг Г.З. Ямпольский В.Г., Терешин О.Н., Антенны УКВ. Часть 2 - М.: «Связь». - 1977. - С. 154), либо в виде системы параллельных тонких металлических пластин, плоскости которых параллельны направлению распространения волны и перпендикулярны вектору электрического поля (см. а.с. №1732800 по кл. МПК H01Q 15/14). Пластины расположены на расстоянии друг от друга, меньшем половины длины волны рабочего частотного диапазона.
Недостатком этих экранов является просачивание через них части мощности электромагнитной волны.
Наиболее близким к заявляемому является отражающий экран, содержащий решетку из металлических проводников (см. патент РФ №RU 32323 Ul H01Q 15/14 опубл. 10.09.2003; Биленко Д.И., Лодгауз В.А., Терин Д.В.) При соответствующем выборе параметров решетки - диаметра проводников и ее периода относительно длины волны излучения - устройство отражает большую часть мощности электромагнитной волны. Масса такого экрана на несколько порядков ниже массы экрана, выполненного из сплошного металла. Аэродинамическое сопротивление также снижено по сравнению с сопротивлением экрана из сплошного металла.
Недостатком данного экрана является увеличивающееся с частотой излучения просачивание через него части мощности, что снижает его коэффициент отражения. При использовании его в качестве рефлектора зеркальных антенн снижается КПД и искажается диаграмма направленности антенн. Отсутствует возможность управления максимумами отражения за счет изменения толщины элементов решетки.
Задачей настоящей полезной модели является повышение коэффициента отражения в широком частотном диапазоне и разработка возможности управления максимумами отражения за счет изменения геометрических характеристик, а также увеличение КПД.
Технический результат достигается за счет изменения конструкции решетки, каждый элемент решетки представляет из себя многослойный иерархически построенный композит, состоящий из металла и полупроводника, имеющий самоподобную структуру и рассматриваемый, как фрактальное образование, а также за счет повышения коэффициента отражения в широком частотном диапазоне и разработки возможности управления максимумами отражения за счет изменения геометрических характеристик.
При этом элемент решетки отражающего экрана, включающий в себя чередующиеся слои (металл/ полупроводник) с различными электрическими характеристиками, отличается в первую очередь тем, что имеет иерархическую морфологию, демонстрирующую на разных масштабах свойства самоподобия, минимальный ширина элемента слоя композита фрактальной структуры может достигать размера равного радиусу Ван-дер-Ваальса химического элемента, из которого состоит композит.
Период решеток, расстояние между решетками, длину и ширину элемента решетки выбирают из условия:
max
где b - период решетки; n, m, р - длина, ширина и высота элемента решетки, d - расстояние между элементами решетки, f - максимальная частота рабочего частотного диапазона экрана, с - скорость света в вакууме.
Экран при использовании его в уголковых радиолокационных отражателях и в уголковых антеннах выполнен на основе решеток, аналогичных друг другу.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен отражающий экран для уголковых радиолокационных отражателей и уголковых антенн, на фиг. 2 - элемент решетки отражающего экрана фрактальной структуры, фиг. 3 - частотная зависимость показателя преломления при различном уровне фрактальности элемента решетки.
Отражающий экран фрактальной структуры «Фракстон» выполнен в виде решетки. Элементы решетки отражающего экрана имеют слоистую иерархически построенную структуру, подобную фрактальному образованию, состоящему из металла и полупроводника.
Общее число элементов решетки выбирают из условия:
L - ширина решетки, F - фокус рефлектора.
Период решеток, расстояние между решетками, длину и ширину элемента решетки выбирают из условия:
max
где b - период решетки; n, m, р - длина, ширина и высота элемента решетки, d - расстояние между элементами решетки, f - максимальная частота рабочего частотного диапазона экрана, с - скорость света в вакууме.
Расчет коэффициента отражения R экрана проводился следующим образом. Значения коэффициента отражения R для полубесконечной среды определяется из соотношения (см., например, М. Борн, Э. Вольф. Основы оптики. - М., Наука - 1970 г.):
где n и κ- показатели преломления и поглощения среды, соответственно.
Входящие в выражение (1) показатели преломления и поглощения, как показал электродинамический расчет, удовлетворяют следующим соотношениям:
На фиг. 3 показан график зависимости показателя отражения от частоты волны внешнего электромагнитного излучения и уровня фрактальности элемента решетки i (1-i=10, 2-i=6, 3-i=3), соответствующий следующим параметрам отражающего экрана:
1-b=d=0.5 см; m=n=p=0.5 см;
2-b=d=0.5 см; m=n=p=0.045 см;
-2
3-b=d=0.5 см; m=n=р=10 см;
р=iΔ
max
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Излучение падает на отражающий экран. При параметрах, указанных выше коэффициент отражения при f≤f R≥0.99999. Как видно из фиг. 3 диапазон рабочих частот зависит от уровня фрактальности элемента решетки отражающего экрана. Фрактальная структура элементов отражающего экрана позволяет увеличить рабочий диапазон частот в среднем на 5 ГГц, по сравнению с известными отражающими экранами с решеткой традиционной структуры. Изменяя уровень фрактальности, появляется возможность управлять максимумами коэффициента отражения. Если предлагаемый отражающий экран выполнен с параметрами, описанными выше, то КПД такого отражающего экрана, по сравнению с отражающими экранами с решеткой традиционной структуры увеличивается на 5.5%.