РАДИОЛОКАЦИОННАЯ АНТЕННА С УМЕНЬШЕННОЙ ЭФФЕКТИВНОЙ ПЛОЩАДЬЮ РАССЕЯНИЯ
RADAR ANTENNA WITH REDUCED RADAR CROSS-SECTION

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антенной технике, и может быть использовано при проектировании антенных устройств с уменьшенной эффективной площадью рассеяния (ЭПР).
Одними из основных элементов конструкции современных самолетов, вносящих существенный (до 30% и более) вклад в их ЭПР в секторах передней полусферы, являются антенны бортового радиоэлектронного оборудования (БРЭО). Из всех антенн БРЭО наибольший вклад в ЭПР самолета вносит носовой антенный отсек с антенной бортовой радиолокационной станции (БРЛС).
Для снижения заметности антенн БРЭО принимаются всевозможные меры, в том числе и замена зеркальных параболических антенн на активные фазированные антенные решетки (АФАР) [Зарубежное военное обозрение. №11 (680), Москва, 2003 г.]. За счет этого решается проблема снижения уровней отражений от элементов оборудования, расположенных за раскрывом антенны. Кроме того, приемно-излучающие модули АФАР могут устанавливаться на малоотражающем основании (плоскости), где в отличие от волноводно-щелевых фазированных антенных решеток уровни их ЭПР в основном определяются отражением от излучающих элементов модулей. Однако в настоящее время задача создания малозаметных антенн остается проблемной, поэтому особую ценность приобретают оригинальные технические решения.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является антенна с уменьшенной поверхностью обратного рассеивания 1 (фиг. 1) [DE 3642072, МКИ G01S 7/38, H01Q 15/14, 1988, №25], содержащая минимум один излучатель 2, работающий в заданной полосе рабочих частот, размещенные перед излучателем в одной плоскости устройства частотной селекции 3 с полосовыми характеристиками, позволяющими пропускать электромагнитное излучение в полосе рабочих частот, а за пределами этой полосы - отражать. Очевидно, что основным недостатком такой антенны является ее "заметность" в полосе рабочих частот, когда антенна переотражает в обратном направлении часть энергии, приходящей от внешнего источника излучений.
Задачей настоящего изобретения является уменьшение эффективной площади рассеяния антенны в полосе ее рабочих частот.
Техническим результатом, обеспечивающим решение данной задачи, является антенна со сниженной радиолокационной заметностью в полосе ее рабочих частот.
В радиолокационной антенне с уменьшенной эффективной площадью рассеяния 1, содержащей минимум один излучатель 2, работающий в заданной полосе рабочих частот, размещенные перед излучателем в одной плоскости устройства частотной селекции 3 с полосовыми характеристиками, позволяющие пропускать электромагнитное излучение в полосе рабочих частот, а за пределами этой полосы - отражать, согласно изобретению излучатели 2 размером а, многим меньше рабочей длины волны λ, размещают на проводящей плоскости 4 на расстоянии d друг от друга внутри сквозных отверстий 5 с диаметром а диэлектрического листа 6 толщиной h, прикрепленного внутренней стороной к проводящей плоскости 4 (фиг. 2, 3). При этом численные значения a, d и h выбирают из соотношений:
,
где
а - размер излучателя;
λ - средняя рабочая длина волны излучателей антенны;
d - шаг плоской антенной решетки (расстояние между излучателями);
h - толщина диэлектрического листа;
ε - диэлектрическая проницаемость листа;
n=1, 2, 3,…
Поясним данное техническое решение. В настоящее время актуальной задачей теории и техники антенн является увеличение направленности излучения при уменьшении размеров антенны и заданных размерах излучателей. Принципиальная возможность решения этой задачи появилась сравнительно недавно, с момента создания метаматериалов - искусственных диэлектриков с уникальными электрофизическими характеристиками ε, µ [Shelby A., Smith D.R., and Schultz S. Experimental verification of a negative index of refraction // Science/ Apr/ 2001/ v. 292, p. 77-79].
Метаматериалы (MTM) обладают рядом принципиально новых свойств: отрицательным коэффициентом рефракции, модификацией законов отражения Снеллиуса, несоблюдением эффекта Доплера и др. В настоящее время создано несколько разновидностей метаматериалов: дважды отрицательные (DNG: ε<0, µ<0), «эпсилон»-отрицательные (ENG: ε<0, µ>0), «мю»-отрицательные (MNG: ε>0, µ<0), дважды положительные (DPS: ε>0, µ>0) - стандартные диэлектрики. Их применение вблизи источников электромагнитного излучения позволяет существенно повысить коэффициент усиления антенны за счет уменьшения реактивной энергии вокруг излучателя. Как итог - появление малогабаритных антенн, обладающих свойствами, позволяющими преодолевать известные фундаментальные ограничения на такие излучатели.
Создан новый класс физически реализуемых наноизлучателей или наноантенн, к которым, например, можно отнести открытый конец коаксиальной линии или сферическую резонаторно-щелевую антенну, укрытые МТМ-структурой. Принципиальная возможность повышения эффективности излучения электрически малых антенн в присутствии МТМ-структур обоснована [Панченко Б.А., Гизатулин М.Г. Наноантенны. М.: «Радиотехника», 2010 г.], однако практическая реализация наноантенн может столкнуться с рядом технических трудностей, если не соблюдать следующие основные требования к конструкции таких антенн:
излучатели должны иметь простую конфигурацию - щель, штырь, полоса, открытый конец волновода и др.;
области взаимодействия реактивной энергии излучателя и МТМ-структуры должны находиться в непосредственной близости;
конструктивно излучатель и МТМ-структура должны быть изолированы друг от друга;
наноантенна должна быть связана с каким-либо несущим элементом конструкции, например металлическим экраном.
На фиг. 4 приведена возможная конструкция наноизлучателя 2 на базе коаксиальной линии с двухслойным укрытием МТМ-структурой. Элементарным излучателем в данной конструкции выступает кольцевая щель в металлическом экране 4. Влияние МТМ-структуры на излучение подробно проанализировано, например, с использованием оболочки из ENG материала [Панченко Б.А., Гизатулин М.Г. Наноантенны. М.: «Радиотехника», 2010 г., с. 38-41], где исследованы так называемые резонансы, обеспечивающие эффективное излучение. Такой же анализ проведен по наноантенне на базе резонаторно-щелевого сферического излучателя с оболочкой из МТМ-структуры.
Характерной особенностью данных антенн-излучателей является их относительно малые волновые размеры, порядка 0,2…0,07λ [Панченко Б.А., Гизатулин М.Г. Наноантенны. М.: «Радиотехника», 2010 г., с. 77]. Такие волновые размеры в большой степени позволяют упростить задачу противорадиолокационной маскировки как самих излучателей, так и АФАР в целом.
Рассмотрим апертуру известной антенны с излучателями как плоскую проводящую поверхность с размерами, превышающими рабочую длину волны. Такая синфазная поверхность имеет максимум диаграммы обратного отражения, совпадающий с нормалью к плоскости [Кобак В.О. Радиолокационные отражатели, М.: «Сов. радио», 1975 г., с. 211]. Из теории проектирования антенн и устройств сверхвысокой частоты [Антенны и устройства СВЧ (проектирование фазированных антенных решеток), под редакцией Воскресенского Д.И. М.: "Радио и связь". 1981 г.] известно, что в качестве традиционных излучателей ФАР обычно используются вибраторы, диэлектрические стержневые, спиральные и щелевые излучатели и др., поперечные размеры которых, в зависимости от типа излучателя, находятся в пределах от 0,4λ до 1,2λ, т.е. соизмеримы с рабочей длиной волны. С учетом направленных свойств излучателей устанавливаются предельные расстояния между ними в антенной решетке. При этом руководствуются тем, чтобы синфазное сложение полей отдельных излучателей происходило в пределах главного дифракционного максимума (диаграммы направленности), а остальные дифракционные максимумы высших порядков отсутствовали. Для выполнения этого условия, например, расстояние между излучателями может составлять не более 0,58λ,…0,68λ. Этим объясняется такое плотное размещение излучателей по всей апертуре АФАР, что в свою очередь ограничивает или делает невозможным применение мероприятий противорадиолокационной маскировки традиционных АФАР без ущерба их функционированию.
Напротив, замена традиционных излучателей, соизмеримых с рабочей длиной волны λ, на малогабаритные излучатели размерами порядка 0,2…0,07λ, создает широкие возможности для применения мероприятий противорадиолокационной маскировки АФАР, не препятствуя ее нормальному функционированию.
Проанализируем данный вопрос подробнее.
Рассмотрим предлагаемую АФАР как сложный радиолокационный отражатель. Из всей конструкции выделим основные отражающие элементы. Первый - это апертура антенны, которая может быть представлена в виде проводящей плоскости произвольной формы (прямоугольной, круглой, шестиугольной и пр.). Второй - малогабаритные излучатели, размещенные на поверхности апертуры антенны с заданным шагом в узлах прямоугольной или треугольной (гексагональной) сетки. [Современная теория и практическое применение антенн / Под ред. Неганова В.А. М.: «Радиотехника», 2009 г., с. 340].
м
Максимальное значение эффективной площади рассеяния (σ) проводящей апертуры антенны в первом приближении может быть оценено с помощью простой формулы, полученной методом Гюйгенса-Киргофа [Майзельс Е.Н., Торгованов В.А. Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей. М.: «Сов. радио», 1972 г., с. 218]
,
2
где S - площадь апертуры АФАР в м;
λ - длина волны в м;
π=3,1415926…
2
Исходя из расчетных оценок и результатов экспериментальных исследований, опубликованных в [пат. 2319262 РФ, H01Q 15/14. Радиолокационная антенна с уменьшенной эффективной площадью рассеяния / Ковалев С.В., Король О.В., Нестеров С.М., Скородумов И.А., Терпугов А.В. / №2006128093; заявл. 03.08.2006 г.; опубл. 10.03.2008 г., бюл. №7], максимальное значение ЭПР АФАР с круглой апертурой диаметром порядка 40 см на длине волны 3 см составляет порядка 200 м.
Рассмотрим малогабаритные излучатели с размерами многим меньше рабочей длины волны. Когда длина волны превышает максимальный размер объекта, наблюдается так называемое релеевское рассеяние. В этом случае рассеяние объектом с конечной проводимостью оказывается таким же, как и объекта с бесконечной проводимостью [Степанов Ю.Г. Противорадиолокационная маскировка. М.: «Сов. радио», 1968 г., с. 54], т.е. идеально проводящего. На основании данного утверждения оценку ЭПР малогабаритных излучателей размером 0,2…0,07λ можно провести прибегая к решению задачи дифракции электромагнитных волн на идеально проводящей микросфере для релеевской области рассеяния, исходя из соотношения [Кобак В.О. Радиолокационные отражатели. М.: «Сов. радио», 1975 г., с. 108]
м
2
где σ - πr, r - радиус микросферы; k=2 π/λ, λ - длина волны.
Если предположить, что по поверхности круглой апертуры диаметром порядка 13λ, (40 см) можно расположить максимум N≈550 излучателей с шагом d≈0,5λ [пат. 2526741 РФ, H01Q 15/14, Радиолокационная антенна с уменьшенной эффективной площадью рассеяния / Грибков А.С, Грибков B.C., Казанцев В.Ф., Ковалев С.В., Нестеров С.М., Скородумов И.А. / №2013116873; заявл. 12.04.2013 г.; опубл. 27.08.2014 г., бюл. №24] в виде микросфер, то их суммарная ЭПР в самом благоприятном случае, при синфазном сложении отраженных сигналов от N излучателей, может составить максимальную величину
изл.
где σ - ЭПР одиночного излучателя-микросферы.
-6
2
2
Исходя из того, что ЭПР металлической микросферы с волновыми размерами 0,054λ, рассчитанная с помощью рядов Ми, составляет порядка 10 м [Ковалев С.В., Нестеров С.М., Скородумов И.А. // РЭ, 1995 г., т. 40, №9, с. 1349], получаем, что для рассматриваемой АФАР максимальная суммарная ЭПР малогабаритных излучателей составит ~ 0,3 м. Таким образом, очевидно, что размеры апертуры самой АФАР определяют уровень отраженного сигнала в большей степени, чем сами малогабаритные излучатели.
В этой связи для реализации противорадиолокационной маскировки апертуры АФАР заслуживают внимания известные способы уменьшения ЭПР, основанные на применении противорадиолокационных покрытий.
Для маскировки антенны в полосе ее рабочих частот достаточно ограничиться выбором материала, структура которого обеспечила бы взаимную компенсацию падающей и отраженной волны рабочего диапазона. К таким материалам можно отнести интерференционные покрытия [Вакин С.А., Шустов Л.Н. Основы радиопротиводействия и радиотехнической разведки. М.: «Сов. Радио», 1968 г., с. 347].
Простейшая схема интерференционного покрытия представляет собой слой диэлектрика заданной толщины, наложенный на защищаемую металлическую поверхность. Поглощающая способность интерференционного покрытия и его диапазонность существенно зависят от количества и толщины слоев, а также электрических параметров используемых материалов. В интерференционных покрытиях эффект снижения ЭПР защищаемого объекта достигается за счет взаимного ослабления волн, отраженных от поверхности объекта и поверхности покрытия (интерференция падающей и отраженных радиоволн). Падающая волна многократно отражается от границы раздела двух сред «покрытие-объект» и частично поглощается в веществе покрытия.
Определим параметры покрытия, при которых суммарное поле в направлении на источник падающей волны равно нулю. Это будет иметь место, если выполняется следующее условие:
где β - коэффициент затухания волны за одно прохождение поглощающего покрытия в прямом и обратном направлениях;
- модуль коэффициента отражения покрытия;
h - толщина покрытия;
λ - средняя рабочая длина волны;
ε - диэлектрическая проницаемость листа;
n=1, 2, 3,…
Условия (1) и (2) определяют параметры интерференционного покрытия. Для того чтобы покрытие поглощало электромагнитные волны в широком диапазоне частот и углов падения волны и мало отражало, необходимо выполнить два противоречивых условия [Мицмахер М.Ю., Торгованов В.А. Безэховые камеры СВЧ. М.: «Радио и связь», 1982 г., с. 21]:
покрытие должно хорошо быть согласовано со свободным пространством с тем, чтобы на границе материала отражение было минимально и энергия падающей волны максимально проходила внутрь материала;
энергия волны, прошедшей в материал, должна им поглощаться.
Для хорошего согласования покрытие изготавливают шиловидным. Оно отличается тем, что его наружная поверхность имеет форму шипов, пирамид или конусов, вершины которых направлены навстречу падающей электромагнитной волне. Разновидностью такого покрытия может выступать плоский радиопрозрачный материал, внутри которого вмонтированы шиловидные вставки или полости с поглощающей структурой. Для уменьшения отражения от покрытия шипам придают специальную форму, например экспоненциальную, а их поверхности - зубчатую форму [Мицмахер М.Ю., Торгованов В.А. Безэховые камеры СВЧ. М.: «Радио и связь», 1982 г., с. 22].
Для поглощения энергии волны, прошедшей внутрь материала, покрытие делают многослойным. Многослойное покрытие может содержать несколько слоев с различными электрическими потерями в каждом из них, причем потери по мере увеличения толщины материала возрастают. Технологической разновидностью такого материала является покрытие, у которого по толщине постепенно увеличивается содержание частиц, вызывающих электрические потери. Поэтому в его состав в качестве поглотителя включают ферромагнетики с примесями сажи. Минимальная толщина широкодиапазонного покрытия может составить порядка λ/4.
1
2
Характерной особенностью интерференционных покрытий является довольно существенная зависимость коэффициента отражения от угла падения волны. Благодаря рельефной поверхности из периодически повторяющихся неровностей в форме шипов, пирамид или конусов размерами многим меньше рабочей длины волны можно не только добиться хорошего согласования, но и уменьшить зависимость коэффициента отражения от угла падения. На фиг. 5 приведено сравнение угловых зависимостей коэффициентов отражения двух типов радиопоглощающих материалов: р - с плоской поверхностью (MS1), p - с рельефной поверхностью (AF-11) [Степанов Ю.Г. Противорадиолокационная маскировка. М.: «Сов. радио», 1968 г., с. 62].
2
3
Очевидно, что включение в состав диэлектрического листа ферромагнетиков с примесями сажи увеличивает интенсивность поглощения волны в веществе покрытия за счет тепловых потерь и дополнительного диффузного рассеяния на микрочастицах. На фиг. 8а и 9а приведено сравнение диаграмм обратного отражения диэлектрического листа на металлической плоскости без примеси (q) и с примесью (m) ферромагнитных материалов - окиси магния MgO и окиси железа FeO.
Необходимо отметить, что реализация предлагаемого технического решения не противоречит нормальному функционированию АФАР. В литературе описаны способы широкоугольного согласования излучателей ФАР. Известно [Антенны и устройства СВЧ (проектирование фазированных антенных решеток) / под ред. Воскресенского Д.И. М.: «Радио и связь», 1981 г., с. 41], что для устранения вредного взаимодействия излучателей в решетке, а также для обеспечения максимального усиления АФАР в достаточно широком секторе сканирования, один из способов предусматривает размещение толстой диэлектрической пластины на раскрыве антенной решетки.
Радиолокационная антенна с уменьшенной эффективной площадью рассеяния работает следующим образом.
На раскрыв антенны падает плоский фронт электромагнитной волны. Устройства частотной селекции с заданными полосовыми характеристиками пропускают электромагнитное излучение в полосе рабочих частот антенны, а за пределами этой полосы отражают излучение в разные стороны, исключая обратные переотражения в сторону источника излучения.
Электромагнитная волна в полосе рабочих частот антенны, пройдя устройства селекции, частично отражается от внешней поверхности диэлектрического листа с диэлектрической проницаемостью 8 и складывается в противофазе с волной, прошедшей через диэлектрический лист и отраженной от микроизлучателей и металлической апертуры антенны. Прошедшая через диэлектрический лист волна многократно отражается от границы раздела «покрытие-воздух» и «покрытие-металл», поглощается в диэлектрике и ферромагнетиках с примесями сажи, возбуждает поверхностную волну, распространяющуюся как внутри диэлектрика, так и на его поверхности и, в итоге, затухает. Таким образом, за счет сложения волны в противофазе и потерь ее энергии, а также потерь внутри диэлектрического листа исключается обратное переотражение электромагнитной волны от антенны в направлении на источник ее облучения.
Существо предлагаемого изобретения поясняет фиг. 1-9, на которых представлена радиолокационная антенна с уменьшенной эффективной площадью рассеяния, а также результаты экспериментальных исследований на ее модели в условиях Эталонного радиолокационного измерительного комплекса ЦНИИ ВВКО Минобороны России [Эталонный радиолокационный измерительный комплекс открытого типа (ЭРИК). Оружие и технологии России. Энциклопедия. XXI век. Противовоздушная и противоракетная оборона. Том IX. М.: "Оружие и технологии", 2004 г., с. 385].
На фиг. 1 приведена схема известной радиолокационной антенны с уменьшенной эффективной площадью рассеяния.
На фиг. 2 - схема предлагаемой радиолокационной антенны с уменьшенной эффективной площадью рассеяния.
На фиг. 3 - фрагмент конструкции предлагаемой радиолокационной антенны с уменьшенной эффективной площадью рассеяния.
1
1
2
2
На фиг. 4 - схема наноизлучателя на базе коаксиальной линии с двухслойным укрытием из МТМ-структур с параметрами ε, µ и ε, µ.
1
2
На фиг. 5 - угловые зависимости коэффициентов отражения двух типов радиопоглощающего материала: р - с плоской поверхностью (MS1), р - с рельефной поверхностью (AF-11).
На фиг. 6 - геометрия модели предлагаемой радиолокационной антенны с уменьшенной эффективной площадью рассеяния, где для λ=3,2 см на металлическом диске 4 диаметром 400 мм на расстоянии d≈15 мм друг от друга размешаются 550 излучателей 2 размером а≈5 мм внутри сквозных отверстий 5 диэлектрического (ε≈1,2) листа 6 толщиной h≈8 мм, прикрепленного внутренней стороной к диску 4.
На фиг. 7(а) - схема проведения эксперимента с известной антенной, представляющей собой металлический диск 4 диаметром 13λ, моделирующий 550 лежащих в одной плоскости излучателей 2, на фиг. 7(б) - с предлагаемой антенной, с прикрепленным внутренней стороной к поверхности диска диэлектрическим листом 6 толщиной h и 550 сквозными отверстиями 5, соразмерными излучателям 2.
Результаты экспериментальных исследований: диаграммы обратного отражения модели известной (f) и предлагаемой антенны (q и m, где q - известную антенну дополняет диэлектрический лист, m - диэлектрический лист с примесью ферромагнитных материалов, внешняя сторона которого выполнена в виде периодически повторяющихся неровностей в форме шипов размером ≈0,1 λ) на длине волны λ=3,2 см при вертикальной (фиг. 8(а)) и горизонтальной (фиг. 9(а)) поляризации радиоизлучения, а также соответствующие им законы распределения значений ЭПР (фиг. 8(б) и 9(б)) в секторе углов наблюдения 0±15°.
Анализ результатов позволяет сделать вывод о том, что предлагаемая радиолокационная антенна с уменьшенной эффективной площадью рассеяния по сравнению с известной антенной-прототипом имеет:
в случае применения диэлектрического листа - меньшие максимальные значения ЭПР (по уровню вероятности 0) на 2,6 и 2,9 дБ для горизонтальной и вертикальной поляризации соответственно;
в случае применения диэлектрического листа с примесью ферромагнитных материалов, внешняя сторона которого выполнена в виде периодически повторяющихся неровностей в форме шипов, - меньшие значения ЭПР (по уровню вероятности 0,0 / 0,5) в секторе локации 0±15° относительно нормали к раскрыву антенны на 14,8 / 7,4 дБ и 16,6 / 7,9 дБ для горизонтальной и вертикальной поляризации соответственно.
Реализация заявляемой антенны с уменьшенной эффективной площадью рассеяния не представляет трудностей. Очевидно, что изобретение не ограничивается вышеизложенным примером его осуществления. Исходя из его схемы, могут быть предусмотрены и другие варианты его осуществления, не выходящие за рамки изобретения.
Устройство целесообразно использовать в организациях, занимающихся проектированием антенных радиолокационных систем.