Широкополосная система "антенна-обтекатель"
BROADBAND "ANTENNA-FAIRING" SYSTEM

Изобретение относится к антенно-фидерным устройствам, преимущественно к широкополосным системам «антенна-обтекатель», предназначенным для работы в совмещенных диапазонах.
Известна широкополосная система «антенна-обтекатель» для работы в совмещенных некратных диапазонах, содержащая диэлектрический корпус в форме колпака, снабженного узлом крепления к летательному аппарату, с симметричной трехслойной стенкой из термостойкого диэлектрика [Каплун В.А. Обтекатели антенн СВЧ. М, Советское радио, 1974 г., 238 с.]. В представленном решении значения электрической толщины фазовой длины многослойной конструкции стенки обтекателя выбираются соответствующие средней длине волны между длиной волны на средней частоте верхнего и длиной волны на частоте нижнего диапазонов.
Структура стенки обтекателя состоит из слоев 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 стенки, 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 данному 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 оболочка обтекателя для работы в двух диапазонах разнесенных радиоволн, которая выбирается оптимальной по радиопрозрачности в области пересечения зависимостей коэффициента прохождения на средней частоте между первым и вторым диапазонами [Гуртовник И.Г., Соколов В.Н., Трофимов Н.Н., Шалгунов С.Г. Радиопрозрачные изделия из стеклопластиков. - М.: Мир, 2002. - 368 с. 237 стр. Рисунки 7.4.4, 7.4.5, 7.4.6].
Недостатком этого решения является то, что, используя в конструкции обтекателя стенку по этому решению, невозможно реализовать оптимальные условия прохождения в широкой полосе частот, потому что условия выбора структуры стенки соответствуют только одной частоте.
Наиболее близким к заявляемому решению является широкополосная система «антенна-обтекатель» для работы в совмещенных диапазонах, содержащая широкополосную антенну и обтекатель со стенкой из диэлектрического материала в форме колпака, снабженного узлом крепления к летательному аппарату, отличающаяся тем, что электрическая толщина стенки обтекателя соответствует половине длины волны на средней частоте верхнего диапазона и четверти длины волны на средней частоте нижнего диапазона по патенту РФ [№2459324 H01Q 1/42. Широкополосная система "антенна-обтекатель» авторов Крылова В.П., Подольхова И.В., Ромашина В.Г.].
Выбор кратных частот совмещенных диапазонов позволяет выполнить кратными четверти длины волны эффективную электрическую толщину стенки обтекателя, удовлетворяя на частотах разнесенных диапазонов оптимальным условиям прохождения волны через обтекатель и тем самым обеспечивая наилучшие радиотехнические характеристики системы «антенна-обтекатель».
Недостатком прототипа является то, что не всегда возможно выбрать средние частоты совмещенных диапазонов кратными. Если частоты совмещенных диапазонов не кратны друг другу, то выбранная геометрическая толщина стенки обтекателя также не является оптимальной для всех частотных диапазонов работы системы «антенна-обтекатель», что приводит к резкому ухудшению радиотехнических характеристик.
Задачей изобретения является улучшение радиотехнических характеристик при создании широкополосных систем «антенна-обтекатель» для работы в совмещенных не кратных частотных диапазонах.
Решение задачи достигается тем, что предлагается широкополосная система «антенна-обтекатель» для работы в совмещенных частотных диапазонах, содержащая обтекатель со стенкой из диэлектрического материала в форме колпака, снабженного узлом крепления к летательному аппарату, отличающаяся тем, что электрическая толщина стенки для среднего угла падения плоской волны на обтекатель на нижней кратной частоте, расположенной ниже средней частоты нижнего рабочего диапазона на величину, равную сумме четверти от средней частоты верхнего рабочего диапазона и половины средней частоты нижнего рабочего диапазона, кратна π, причем стенка выполнена с профилем по толщине, подобранным при доводке на радиотехническом стенде.
Авторы провели расчеты и установили, что использование в широкополосной системе «антенна-обтекатель» для работы в совмещенных некратных диапазонах обтекателя, имеющего электрическую толщину стенки для среднего угла падения плоской волны на обтекатель на нижней кратной частоте, расположенной ниже средней частоты нижнего рабочего диапазона на величину, равную сумме четверти от средней частоты верхнего рабочего диапазона и половины средней частоты нижнего рабочего диапазона, кратна π, позволяет настроить работу системы «антенна-обтекатель» на некратные рабочие диапазоны, снизив искажения, вносимые стенкой в фазу поля падающей волны, и заметно улучшить радиотехнические характеристики всей системы.
Для подтверждения преимуществ предложенного решения проведены расчетные эксперименты, результаты которых представлены ниже.
Авторы установили, что достижение приемлемых радиотехнических характеристик заявляемой системы «антенна-обтекатель» достигается минимизацией искажений, вносимых обтекателем в поле падающей волны.
Основные искажения в поле падающей волны вносит стенка обтекателя, поэтому оптимальный выбор структуры стенки позволяет улучшить радиотехнические характеристики всей системы.
Для обеспечения широкополосности в системе «антенна-обтекатель», которые невозможно решить использованием в конструкции оболочки однослойной монолитной стенки, применяют более широкополосные многослойные стенки, имеющие более высокий коэффициент прохождения в широкой полосе частот.
Технология изготовления многослойных стенок из термостойких материалов очень трудоемка из-за высоких требований, предъявляемых к точности изготовления слоев и сложности процесса их соединения в единую конструкцию.
Предлагаемое решение может быть использовано для любого количества слоев, но применение решения рассмотрим на примере наиболее оптимальной с точки зрения практической реализации трехслойной конструкции стенки.
Определение структуры стенки, соответствующей наибольшему коэффициенту прохождения из минимальных, проводилось решением задачи поиска оптимальной структуры многослойной стенки, как многомерной, зависящей от многих параметров:
min
где T - устанавливаемый уровень минимальной величины коэффициента прохождения многослойной стенки,
1…n
F - диапазон используемых частот,
TM, TE
P - поляризация падающей волны,
0…90
α - диапазон изменения углов падения падающей волны,
- толщины слоев стенки с  слоев,
- комплексная диэлектрическая проницаемость слоев,
- комплексная магнитная проницаемость слоев.
Применение многослойной стенки в конструкции обтекателя позволяет по критерию поиска максимального коэффициента прохождения из минимальных в полосе частот расширить рабочий частотный диапазон по сравнению с обтекателем, имеющим монолитную стенку.
На фиг. 1 представлено расположение нижнего и верхнего ( и ) рабочих частотных диапазонов между нижней и верхней  и  кратными частотами для средних частот ( и ), для которых выполняются следующие условия:
0
величины фазы электрической толщины трехслойной стенки корпуса Δϕ определяются для указанных частот:
1
где Δϕ - величина фазы внешнего слоя,
2
Δϕ - величина фазы среднего слоя,
3
Δϕ - величина фазы внутреннего слоя,
1
n=1, 2, 3…N.
Установлено, что наибольший коэффициент прохождения по критерию (1) определяется для той структуры стенки обтекателя, для которой изменение фазы по частотному диапазону равно представленному выше.
Основным критерием выбора полной фазы электрической толщины стенки является то, что для выбранных средних частот рабочих диапазонов  и  полная фазовая электрическая толщина стенки должна иметь одинаковые относительные отклонения по сравнению с фазой электрической толщины на кратных частотах, поэтому
Тогда, как показано на Фиг. 1
Так как:  то
По предложенному техническому решению подбираются оптимальные соотношения расположения рабочих диапазонов и кратных частот, при которых находятся наилучшие радиотехнические характеристики системы «антенна-обтекатель». Достаточным условием для выполнения этого условия является определение значения нижней кратной частоты.
При заданных параметрах стенки:
1
- диэлектрической проницаемости внешних слоев ε;
2
- диэлектрической проницаемости внутреннего слоя ε;
2
- толщина внутреннего слоя d.
для настройки трехслойной симметричной стенки на нижней кратной частоте из условия кратности фазы электрической толщины π, определяется толщина внешних слоев симметричной трехслойной стенки обтекателя:
где C - скорость света,
θ - средний угол падения падающей волны на обтекатель.
Авторами с помощью расчетных экспериментов установлена возможность настройки системы «антенна-обтекатель» для работы на совмещенных некратных диапазонах путем направленного подбора параметров конструкции трехслойной стенки для получения высоких радиотехнических характеристик.
На фиг. 2 для оптимальных конструкций стенки, найденных из условия выполнения критерия (1), представлены расчеты частотных зависимостей коэффициента прохождения трехслойной стенки симметричной конструкции для совмещенных не кратных частотных диапазонов, когда положение нижнего диапазона со средней частотой  неизменно, а верхний диапазон перемещается относительно нижнего с полосой  В таблице 1 приведены параметры стенки, соответствующие характеристикам, представленным на фиг. 2, которые были найдены при проведении расчетных экспериментов и представлены рассчитанные величины:
- электрических толщин, соответствующих средней частоте верхнего диапазона  рассчитанные по критерию 1,
- нижней кратной частоты, найденных в соответствии с предложенным решением  которые использовались для определения электрических толщин, соответствующих средней частоте верхнего диапазона, найденных в соответствии с предложенным решением
На фиг. 3 на основе данных таблицы 1, для сравнения, представлены зависимости электрической толщины от величины средней частоты верхнего диапазона, полученные в результате расчетного эксперимента и по предложенному решению.
Применив трехслойную стенку типа B-Sandwich с найденной в расчете структурой слоев с параметрами:
1
1
1
наружного слоя d=4,2 мм, ε=3,2, tgδ=0,0001,
2
2
2
среднего слоя d=2,8 мм, ε=5,5, tgδ=0,0001,
3
3
3
внутреннего слоя d=4,2 мм, ε=3,2, tgδ=0,0001,
по электродинамической модели системы «антенна-обтекатель», с пеленгующей антенной диаметром 300 мм, проведен расчет для оболочки оживальной формы с удлинением 2,5 для совмещенных не кратных частотных диапазонов: нижнего  и верхнего
2
max
max
На Фиг. 4-15 приведены рассчитанные зависимости от угла поворота антенны пеленгационных ошибок Δα(α), крутизны пеленгационных ошибок S(α) и коэффициента прохождения |T|(α) системы «антенна-обтекатель» с совмещенными некратными диапазонами. Пеленгационные ошибки достигают максимальной величины Δα(α)=52 мин, а максимальная крутизна достигает величины S=0,12 в области носовых углов. Улучшение радиотехнических характеристик Δα(α) и S системы «антенна обтекатель» возможно проводить известными способами профилирования стенки оболочки по толщине поясами или секторами на наружной и внутренней поверхностях.
Рассчитанные РТХ системы «антенна-обтекатель» с совмещенными некратными диапазонами для профилированной по толщине стенки оболочки имели максимальные пеленгационные ошибки до Δα=30 мин, а максимальную крутизну до
Разбив задачу поиска оптимальной конструкции обтекателя на две части:
- в первой при расчетном моделировании стенки подбором толщин и диэлектрических проницаемостей слоев удалось найти оптимальную структуру стенки,
- во второй, применив в расчетной модели системы «антенна-обтекатель» с совмещенными некратными диапазонами оптимальную структуру стенки, позволило при профилировании внешних слоев получить удовлетворительные РТХ характеристики и высокий коэффициент прохождения в обоих диапазонах.
При расчетном поиске оптимальной структуры трехслойной стенки реализовался известный в оптике принцип построения просветляющих покрытий соответствующих условию  а с понижением величины диэлектрических проницаемостей слоев стенки коэффициент прохождения увеличивался в вне зависимости от структуры стенки, что прямо следует из теории оптики [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Наука, 1973. - 720 с.].
На Фиг. 16, 17 и 18 приведены различные варианты расположения рабочих диапазонов относительно выбранных положений кратных частот. Расчетные эксперименты показали, что при использовании варианта расположения рабочих диапазонов, представленного на Фиг. 1 и соответствующего предлагаемому техническому решению, получен наибольший коэффициент прохождения на средних частотах рабочих диапазонов.
Для защиты от влаги конструкции стенки на поверхность оболочки наносятся дополнительные влагозащитные слои, геометрическая толщина которых значительно меньше длины волны, поэтому их влияние на радиотехнические характеристики не значительно.
Таким образом, использование в широкополосной системе «антенна-обтекатель», работающей с некратными совмещенными диапазонами, обтекатель, имеющий электрическую толщину стенки для среднего угла падения плоской волны на обтекатель на нижней кратной частоте, расположенной ниже средней частоты нижнего рабочего диапазона на величину, равную сумме четверти от средней частоты верхнего рабочего диапазона и половины средней частоты нижнего рабочего диапазона, кратна π, позволяет настроить работу системы «антенна-обтекатель» на некратные рабочие диапазоны, снизив искажения, вносимые стенкой в фазу поля падающей волны, и по сравнению с прототипом улучшить ее радиотехнические характеристики.