Широкополосная система "антенна-обтекатель"
BROADBAND "ANTENNA-FAIRING" 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. (Патент RU №2096869 МКИ H01Q 1/42 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 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.
Известна широкополосная система «антенна-обтекатель» с входящим в нее радиопрозрачным антенным обтекателем в форме цилиндра с полусферической вершиной и толщиной стенки 2±0,2 мм, который имеет эрозионную характеристику - скорость весового уноса 0,0018 г/с и коэффициент прохождения электромагнитных волн при частоте 10 ГГц 83% (Патент РФ №2292101 МКИ H01Q 1/42. Приоритет 23.05.2005).
Структура стенки обтекателя состоит из равнотолщинного диэлектрического слоя тонкого, как по геометрической толщине 2 мм, так и по электрической толщине относительно длины волны соответствующей средней частоте рабочего диапазона системы «антенна-обтекатель». Обтекатель обеспечивает коэффициент прохождения электромагнитных волн при частоте 10 ГГц 83%. Электрически тонкая стенка обтекателя обеспечивает радиотехнические характеристики в широкой полосе частот по сравнению с резонансной стенкой.
К недостаткам представленного радиопрозрачного обтекателя с равнотолщинной стенкой относится то, что он не позволяет обеспечить необходимую совместную настройку обтекателя и антенны для получения требуемых радиотехнических характеристик.
Известно техническое решение (Патент РФ №2420838 МКИ H01Q 1/42. Приоритет 11.05.2010).
В данном техническом решении «антенна-обтекатель» для работы в широкой полосе частот использован обтекатель в форме полусферической поверхности с равной или увеличивающейся к основанию толщиной стенки, имеющий тонкостенную конструкцию с толщиной в центральной части 1,5-3,5 мм, а в качестве материала для изготовления обтекателя использован радиационно-модифицированный политетрафторэтилен.
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, в диапазоне частот работы системы «антенна-обтекатель» наблюдается высокая неоднородность радиотехнических характеристик, которая не была устранена применением в конструкции радиопрозрачной части оболочки равнотолщинной тонкой стенки, как по геометрической толщине, так и по электрической толщине относительно длины волны, соответствующей средней частоте рабочего диапазона системы «антенна-обтекатель».
Недостатком системы «антенна-обтекатель» с оболочкой, имеющей форму в радиопрозрачной части близкой к цилиндру с полусферической вершиной, является неравномерность радиотехнических характеристик в рабочем широкополосном диапазоне частот.
Наиболее близким к заявляемому решению выбрана в качестве прототипа широкополосная система «антенна-обтекатель» для работы в совмещенных диапазонах, содержащая широкополосную пеленгующую антенну и обтекатель со стенкой из диэлектрического материала с электрической толщиной соответствующей половине длины волны на средней частоте верхнего диапазона и четверти длины волны на средней частоте нижнего диапазона в форме колпака, снабженного узлом крепления к летательному аппарату (Патент РФ №2459324 МКИ H01Q 1/42. Приоритет 14.02.2011).
Недостатком технического решения по прототипу является то, что при применении обтекателя со стенкой четверть волновой толщины падает коэффициент прохождения.
Применение в широкополосной системе «антенна-обтекатель» тонкой стенки позволяет получить высокий коэффициент прохождения, но не позволяет обеспечить равномерные пеленгационные характеристики во всем диапазоне частот, а использование четверть волновой толщины стенки позволяет получить высокие пеленгационные характеристики, но не позволяет обеспечить высокий коэффициент прохождения в широкой полосе частот.
Задачей изобретения является повышение равномерности радиотехнических характеристик системы «антенна-обтекатель» в широкой полосе рабочего диапазона частот при высоком уровне коэффициента прохождения во всей полосе частот.
Достигается задача тем, что предложена широкополосная система «антенна-обтекатель», содержащая пеленгующую антенну и обтекатель со стенкой из диэлектрического материала, снабженный узлом крепления к летательному аппарату, отличающаяся тем, что обтекатель, выполненный в виде цилиндра с полусферической вершиной, имеет толщину стенки в зоне перехода от цилиндра к полусферической вершине, определяемую по формуле:
где с - скорость света,
f - частота измерений,
ε - диэлектрическая проницаемость материала стенки,
при этом толщина стенки полусферической вершины обтекателя равномерно увеличивается от зоны перехода к оси обтекателя от h до 1,3⋅h, а толщина стенки цилиндрической части обтекателя равномерно увеличивается к основанию от h до 2,6⋅h.
Авторы установили, что для системы антенна-обтекатель с оболочкой, имеющей форму в радиопрозрачной части близкой к цилиндрической с полусферической вершиной и тонкой стенкой, как по геометрической толщине, так и по электрической толщине, относительно длины волны, соответствующей средней частоте рабочего диапазона, неравномерность радиотехнических характеристик в рабочем широкополосном диапазоне частот возникает при наличии многократных переотражений, возникающих между раскрывом антенны и носовой частью оболочки.
Используя электродинамическое расчетное моделирование системы «антенна-обтекатель» установлено, что равномерное увеличение толщины полусферической вершины от зоны перехода от цилиндра к полусфере до оси обтекателя приводит к снижению поляризационных искажений и выравниванию максимальных ошибок в различных плоскостях пеленга.
На фиг. 1 изображен общий вид широкополосной системы «антенна-обтекатель», включающий пеленгующую антенну 1 и обтекатель, выполненный в виде цилиндра 2 с полусферической вершиной 3 и присоединенный к узлу крепления 4 летательного аппарата.
Как видно на фиг. 2 оптимальное равномерное увеличение толщины стенки в радиопрозрачной части полусферической вершины от  (h=1,0 мм для f=10 ГГц и ε=3,6) в зоне перехода цилиндра к полусферической вершине до 1,3⋅h (h=1,3 мм) в области оси обтекателя, привело к симметрированию угловых зависимостей Δα(α) относительно угла поворота обтекателя α, пеленгационных ошибок между плоскостями поляризации Е и Н, а также, как следствие, к снижению максимального уровня ошибок до 15 мин. При этом расчеты и экспериментальные измерения показали, что величина коэффициента прохождения системы «антенна-обтекатель», выполненной по предложенному техническому решению, не хуже 90%. Взаимная настройка при одновременной работе в широкой полосе частот пеленгующей антенны и обтекателя за счет утолщения вершины обтекателя позволила реализовать требуемые радиотехнические характеристики.
Расчеты также показали, что примененное в конструкции оболочки равномерное увеличение к основанию толщины стенки в области цилиндрической части от h до 2,6⋅h, которое усиливает оболочку в области крепления оболочки к узлу крепления к летательному аппарату, не приводит к ухудшению радиотехнических характеристик системы «антенна-обтекатель».
Таким образом, система «антенна-обтекатель» для работы в широком диапазоне частот, выполненная по предлагаемому техническому решению, где обтекатель с оболочкой, имеющей форму в радиопрозрачной части близкой к цилиндру с полусферической вершиной равномерно утолщенной к оси обтекателя имеет коэффициент прохождения не менее 90% и более равномерные пеленгационные характеристики во всем диапазоне частот по сравнению с системой «антенна-обтекатель», выполненной по прототипу.
Изобретение может найти применение при проектировании широкополосных систем «антенна-обтекатель» для улучшения радиотехнических характеристик при достижении высокого коэффициента прохождения.