ШИРОКОПОЛОСНАЯ СИСТЕМА "АНТЕННА-ОБТЕКАТЕЛЬ"
BROADBAND "ANTENNA-DOME" SYSTEM

Изобретение относится к антенно-фидерным устройствам, преимущественно к широкополосным системам «антенна-обтекатель».
Известна система «антенна-обтекатель», включающая приемно-передающую линейно-поляризованную антенну, направленную на цель, и обтекатель различной формы со стенкой из диэлектрического материала, снабженный узлом крепления к летательному аппарату: Пригода Б.А., Кокунько B.C. Антенны летательных аппаратов. М., Военное издательство министерства обороны, 1979, издание 2-е переработанное и дополненное. Стр. 106.
Широкополосность пеленгующего канала системы «антенна-обтекатель» определяется широкополосностью антенны и обтекателя. Для обтекателя, в котором структура стенки состоит из одного или нескольких слоев материалов, а геометрическая толщина подбирается эквивалентной полуволновой электрической толщине на средней по диапазону резонансной частоте, за счет резонансного согласования стенки со свободным пространством можно получить минимальный уровень отражения падающей волны и максимальную величину прошедшего поля. Это условие, соответственно, является необходимым для получения максимального коэффициента прохождения и минимального искажения фазы прошедшего через обтекатель поля падающей волны: Каплун В.А. Обтекатели антенн СВЧ. М., Советское радио, 1974 г., 238 с.
Система «антенна-обтекатель» с обтекателем, имеющим резонансную стенку, изготовленным по данному техническому решению, вносит минимально возможные искажения в поле падающей волны на резонансной частоте, но пропорционально увеличению рабочей полосы падает коэффициент прохождения и значительно возрастают величины искажений, вносимых обтекателем в поле падающей волны.
Для реализации широкополосной системы «антенна- обтекатель» стенки обтекателя изготавливаются многослойными: Широкополосный керамический обтекатель для антенны и способ его изготовления. Патент №81 0858. Франция. Н01Q 1/42. 29 avril 1981, № de publication 2 483 689.
Система «антенна-обтекатель» с обтекателем, имеющим многослойную стенку, изготовленным но данному техническому решению, более широкополосная, чем система с обтекателем имеющем резонансную стенку, но незначительно.
Известна широкополосная система «антенна-обтекатель» для маяков с обтекателем, имеющим плоскую тонкую стенку, тоньше четверти длины волны: Обтекатели антенн. Перевод с английского под редакцией А.И.Шиунтова. Издательство «Советское радио» М., 1950, стр. 51-58.
Недостатком известного решения даже незначительное увеличение электрической толщины стенки обтекателя вносит в падающее поле значительные искажения.
Так как 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, из-за отличия электрической толщины стенки от полуволновой, недостатком применения такой структуры является низкий коэффициент прохождения обтекателя.
Недостатком этого технического решения является конструктивная невозможность реализации стенки обтекателя для коротких длин волн.
Также недостатком является то, что при аэродинамическом нагреве обтекатель с тонкой стенкой не защищает антенну от действия высоких температур, что приводит к отказу радиотехнических систем.
Наиболее близким к техническому решению является система «антенна-обтекатель», содержащая пеленгующую линейно-поляризованную антенну, механизм поворота антенны на цель и обтекатель в виде колпака с выпуклой формой образующей и однослойной стенкой, снабженный узлом жесткого крепления к летательному аппарату. USA №3314070. Сl. 343-708. Tapered radomes. April 11, 1967.
Недостаткам этого решения по прототипу характерно направление приемо-передающей линейно-поляризованной антенны на цель и положение обтекателя, закрепленного относительно летательного аппарата, при этом антенна может занимать любое положение относительно обтекателя, но положение антенны относительно поверхности обтекателя не регламентируется и выбирается неоптимальным, что является недостатком решения по прототипу и приводит к значительным потерям коэффициента прохождения в широкой полосе частот, так как в этом случае, даже имея широкополосную антенну и широкополосный обтекатель, реализовать широкополосную систему «антенна-обтекатель» в широком диапазоне рабочих углов пеленга не представляется возможным, а в конструкции обтекателя отсутствуют требования к электрической толщине стенки, связанные с обеспечением широкополосности всей системы, и используемый вид образующей для обтекателя с резонансной однослойной стенкой не может обеспечить высокие радиотехнические требования в широкой полосе частот.
Задачей изобретения является повышение коэффициента прохождения электромагнитной волны и снижение пеленгационных ошибок в системе «антенна-обтекатель» в широкой полосе частот.
<mrow><mi>δ</mi><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>0,95</mn><mo>÷</mo><mn>1,05</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mo stretchy="false">(</mo><msqrt><mi>ε</mi></msqrt><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>в</mi><mi>н</mi><mi>е</mi><mi>ш</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mi>в</mi><mi>н</mi><mi>е</mi><mi>ш</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msup><mi>e</mi><mrow><msqrt><mi>ε</mi></msqrt><mo>⋅</mo><mi>α</mi></mrow></msup></mrow>
внеш
внеш
внут
внеш
внут
внеш
Достигается задача тем, что предложена широкополосная система «антенна-обтекатель», содержащая пеленгующую линейно-поляризованную антенну, механизм поворота антенны на цель и обтекатель в виде колпака с выпуклой формой образующей и однослойной стенкой, снабженный узлом жесткого крепления к летательному аппарату, отличающаяся тем, что плоскость поляризации антенны совпадает с плоскостью пеленгации, угол касательной носовой части обтекателя равен:
, где ε-диэлектрическая проницаемость материала стенки оболочки, а в радиопрозрачной зоне либо образующая внешней поверхности колпака выполнена в виде логарифмической спирали
, где R- радиус спирали, α - угол поворота антенны в плоскости пеленга, C - размерный коэффициент, с полюсом спирали, совпадающим с центром вращения антенны, а внутренняя образующая колпака выбрана конгруентной внешней либо внешняя и внутренняя образующие колпака выполнены неконгруентными, в виде логарифмических спиралей с полюсами, совпадающими с центром вращения антенны, причем при работе системы на прием внешняя поверхность колпака имеет вид , внутренняя поверхность колпака имеет вид , а при работе антенны на передачу внутренняя поверхность колпака имеет вид , внешняя поверхность колпака имеет вид , где R, R - радиусы спиралей, C, C - размерные коэффициенты.
<mrow><mi>δ</mi><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>0,95</mn><mo>÷</mo><mn>1,05</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mo stretchy="false">(</mo><msqrt><mi>ε</mi></msqrt><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Авторы установили, что выполняя условия построения широкополосной системы «антенна-обтекатель» таким образом, чтобы плоскость поляризации антенны совпадала с плоскостью пеленгации, угол касательной носовой части обтекателя был равен:
, где ε - диэлектрическая проницаемость материала стенки оболочки, достигаются заявленные преимущества: повышение коэффициента прохождения электромагнитной волны и снижение пеленгационных ошибок в системе «антенна-обтекатель» в широкой полосе частот.
Из оптики известно, что при определенном угле падения, когда вектор электрического поля лежит в плоскости падения, образованной векторами нормали к поверхности плоского слоя и волновым вектором падающего поля, возможно полное прохождение волны: М. Борн, Э. Вольф. Основы оптики, Издательство «Наука» М., 1973, 73-82, И.Н. Мешков, Б.В. Чириков. Электромагнитное поле. Часть 1, Новосибирск, Издательство «Наука», Сибирское отделение, 1987, стр.198-200.
При реализации заявленной конструкции носовой части обтекателя и в указанном диапазоне углов оптимальным образом выполняются условия наилучшего прохождения плоской волны в широкой полосе частот и с минимальными искажениями для системы «антенна-обтекатель».
На фиг.1 представлен вид заявленной широкополосной системы «антенна-обтекатель»:
1 - пеленгующая линейно-поляризованная антенна,
2 - механизмы поворота антенны,
A
- вокруг оси Z (угол θ),
О
O
- в плоскости Z О X (угол α),
3 - обтекатель в виде колпака,
4 - узел крепления обтекателя,
5 - корпус летательного аппарата.
На фиг.1 также обозначены:
A
A
A
- координаты системы координат антенны (Z, Y, Z),
О
O
O
- координаты системы координат обтекателя (Z, Y, X),
A
- волновой вектор падающей волны (k), совпадающий по направлению с осью Z,
- вектор электрической составляющей падающего поля (E), перпендикулярный вектору k,
- угол касательной к носовой части обтекателя, равный по техническому решению углу Брюстера , где ε - диэлектричекая проницаемость материала обтекателя),
A
A
О
O
Устройство работает следующим образом. Пеленгующую антенну 1 ориентируют механизмами 2 в направлении цели, поворачивая ее вокруг оси Z (по углу θ) и в плоскости XOZ (по углу α), устанавливая ее так, чтобы плоскость поляризации совпадала с плоскостью пеленгации. Плоскость XOZ проходит через три точки: нос обтекателя, цель и центр вращения антенны. При этом волновой вектор k совпадает по направлению с осью Z, а вектор электрического поля Е лежит в плоскости Z О X, которая проходит через носовую часть обтекателя. Антенна излучает линейно-поляризованную волну в направлении вектора k, затем принимает отраженный сигнал и формирует управляющий сигнал рассогласования.
На фиг.2 представлены три формы обтекателя: с образующей в виде оживало, с образующей в виде конуса с неоптимальным углом носовой части и с образующей в виде конуса с оптимальным углом носовой части, рассчитанным по предлагаемому техническому решения для диэлектрической проницаемости ε=2,3.
Для сравнения радиотехнических характеристик системы «антенна-обтекатель» для различных форм образующих обтекателя были проведены расчеты в плоскости Е, когда электрический вектор лежит в плоскости поворота антенны.
На фиг.3 представлены расчетные угловые зависимости пеленгационных ошибок для оболочки с формой образующей в виде оживала в полосе частот от 8 до 18 ГГц.
На фиг.4 представлены расчетные угловые зависимости крутизны пеленгационных ошибок для оболочки с формой образующей в виде оживала в полосе частот от 8 до 18 ГГц.
На фиг.5 представлены расчетные угловые зависимости коэффициента прохождения для оболочки с формой образующей в виде оживало в полосе частот от 8 до 18 ГГц.
Из рассмотрения результатов расчетов, представленных на фиг.3, 4, 5, видно, что система «антенна-обтекатель» с обтекателем с формой образующей в виде оживала имеет в полосе частот максимальную ошибку до 400 мин, а минимальный коэффициент прохождения - менее 25%.
На фиг.6 представлены расчетные угловые зависимости пеленгационных ошибок для оболочки с формой образующей в виде конуса с неоптимальным углом носовой части в полосе частот от 1 до 18 ГГц.
На фиг.7 представлены расчетные угловые зависимости крутизны пеленгационных ошибок для оболочки с формой образующей в виде конуса с неоптимальным углом носовой части в полосе частот от 1 до 18 ГГц.
На фиг.8 представлены расчетные угловые зависимости коэффициента прохождения для оболочки с формой образующей в виде конуса с неоптимальным углом носовой части в полосе частот от 1 до 18 ГГц.
Из рассмотрения результатов расчетов, представленных на фиг.6, 7, 8, видно, что система «антенна-обтекатель» с обтекателем с формой образующей в виде конуса с неоптимальным углом носовой части имеет в полосе частот максимальную ошибку до 400 мин, а минимальный коэффициент прохождения - менее 25%, а крутизну пеленгационных ошибок больше, чем для обтекателя с формой оживала.
На фиг.9 представлены расчетные угловые зависимости пеленгационных ошибок для оболочки с формой образующей в виде конуса с оптимальным углом носовой части, рассчитанным по предлагаемому техническому решению, в полосе частот от 1 до 18 ГГц.
На фиг.10 представлены расчетные угловые зависимости коэффициента прохождения для оболочки с формой образующей в виде конуса с оптимальным углом носовой части, рассчитанным по предлагаемому техническому решению, в полосе частот от 1 до 18 ГГц.
Из рассмотрения результатов расчетов, представленных на фиг.9, 10, видно, что система «антенна-обтекатель» с обтекателем с формой образующей в виде конуса с оптимальным углом носовой части, рассчитанным по предлагаемому техническому решению, имеет в полосе частот максимальную ошибку до 180 мин, а минимальный коэффициент прохождения, более 65%.
На фиг.11 представлены расчетные угловые зависимости коэффициента прохождения для оболочки с формой образующей в виде конуса с оптимальным углом носовой части, рассчитанным по предлагаемому техническому решению для диэлектрической проницаемости стенки ε=2,3, в полосе частот от 1 до 18 ГГц, а также для оболочки с другими значениями диэлектрической проницаемости стенки ε=7 и ε=15.
Из рассмотрения результатов расчетов, представленных на фиг.11, видно, что система «антенна-обтекатель» с обтекателем с формой образующей в виде конуса с оптимальным углом носовой части, рассчитанным по предлагаемому техническому решению для ε=2,3, имеет в полосе частот минимальный коэффициент прохождения, значительно более высокий минимальный коэффициент прохождения, более 65% чем в иных случаях.
<mrow><mover accent="true"><mi>k</mi><mo>¯</mo></mover><mo>,</mo></mrow>
Рассмотрим падение плоской волны с вектором (k) на поверхность, характеризуемую нормалью n (Фиг.12). Запишем уравнение волнового вектора к поверхности
совпадающего по направлению с лучом из точки начала координат (радиус-вектором) r(α), где α - угол поворота оболочки вокруг центра прокачки с координатами х=0, у=0, у x - координаты точки поверхности, γ - угол произвольного расположения касательной плоскости в системе координат X,Y.
<mover accent="true"><mi>k</mi><mo>¯</mo></mover>
<mover accent="true"><mi>n</mi><mo>¯</mo></mover>
Условием формирования оптимального контура является нахождение положения нормали относительно волнового вектора в каждой точке, при котором выполняется равенство угла между векторами
и
углу Брюстера (δ).
Так как при этом угле падения выполняются наилучшие условия прохождения для плоской линейно-поляризованной падающей волны, то найденный контур оболочки будет соответствовать оптимальным условиям прохождения с радиотехнической точки зрения.
Это условие выполняется при расположении касательной к лучу под углом  γ, равному:
.
Видно, что единственной образующей для оптимальной поверхности вращения является функция вида логарифмической спирали, для которой, в каждой точке поверхности, выполняется условие равенства значения угла между касательной и лучом из центра координат. Значение этого угла γ связано с диэлектрическими свойствами материала стенки оболочки посредством угла Брюстера.
Функцию логарифмической спирали представим в соответствии с обозначениями на фиг.12 в виде:
,
Тогда:
После преобразований (2) получим:
На фиг.12 представлен вид заявленной широкополосной системы «антенна-обтекатель»:
1 - пеленгующая линейно-поляризованная антенна,
2 - механизмы поворота антенны,
A
- вокруг оси Z (угол θ),
O
O
- в плоскости Z О X (угол α),
3 - обтекатель в виде колпака, с образующей в виде логарифмической спирали, рассчитанной по предлагаемому решению,
4 - узел крепления обтекателя,
5 - корпус летательного аппарата.
На фиг.12 также обозначены:
A
A
A
- координаты системы координат антенны (Z, Y, X),
О
О
О
- координаты системы координат обтекателя (Z, Y, X),
A
- волновой вектор падающей волны (k), совпадающий по направлению с осью Z,
вектор электрической составляющей падающего поля (Е), перпендикулярный вектору k,
- угол между нормалью (n) к образующей обтекателя и направлением луча на цель, равный по техническому решению углу Брюстера , где ε - диэлектричекая проницаемость материала обтекателя).
A
A
O
O
Устройство работает следующим образом. Пеленгующую антенну 1 ориентируют механизмами 2 в направлении цели, поворачивая ее вокруг оси Z (по углу θ) и в плоскости XOZ (по углу α), устанавливая ее так, чтобы плоскость поляризации совпадала с плоскостью пеленгации. Плоскость XOZ проходит через три точки: нос обтекателя, цель и центр вращения антенны. При этом волновой вектор k совпадает по направлению с осью Z, а вектор электрического поля E лежит в плоскости Z О X. Антенна излучает линейно-поляризованную волну в направлении вектора k, затем принимает отраженный сигнал и формирует управляющий сигнал рассогласования.
Возможный вид сечения обтекателя, по предлагаемому решению, рассчитанный по формуле (4) с параметрами a=4,6; ε=2,3, представлен на фиг.13.
Результаты расчетов оптимальных контуров по формуле (4) для различных величин диэлектрической проницаемости стенки ε=3,4; ε=5; ε=7
с равными по высоте оболочками представлены на Фиг.14, дополнительные параметры расчетов представлены в таблице 1.
Таблица 1
Расчет равных по высоте оболочек с разными ε стенки
Диэлектрическая проницаемость
Коэфф. а
Угол Брюстера
Высота оболочки, Н, мм
Максимальный диаметр, мм
Угол поворота, соответствующий максимальному диаметру, α<sub>mах,</sub> град
ε=3,4
2,1346
61,52
700
133,5
29
ε=5
0,6227
65,91
700
111,59
24
ε=7
0,1719
69,29
700
95,12
21
Результаты расчетов оптимальных контуров по формуле (4) для различных величин диэлектрической проницаемости стенки ε=3,4; ε=5; ε=7 с равными максимальными диаметрами представлены на фиг.15, дополнительные параметры расчетов представлены в таблице 2.
Таблица 2
Расчет равных по максимальному диаметру оболочек с разными ε стенки
Диэлектрическая проницаемость
Коэфф. а
Угол Брюстера
Высота оболочки, Н, мм
Максимальный диаметр, мм
Угол поворота, соответствующий максимальному диаметру. α<sub>mах</sub>, град
ε=3,4
1,52
61,52
498
95
29
ε=5
0,52
65,91
595
95
24
ε=7
0,17
69,29
700
95
21
Результаты расчетов оптимальных контуров по формуле (4) для различных величин диэлектрической проницаемости стенки ε=3,4; ε=5; ε=7 с реализацией углов поворота луча в диапазоне ±60 град представлены на фиг.16, дополнительные параметры расчетов представлены в таблице 3. Для иллюстрации на фиг.16 добавлены лучи с углом относительно оси X в ±30 град.
Таблица 3
Расчет оболочек с разными ε стенки при реализации углов поворота луча в диапазоне ±60 град
Диэлектрическая проницаемость
Коэфф. а
Угол Брюстера
Высота оболочки, Н, мм
Максимальный диаметр, мм
Угол поворота, соответствующий максимальному диаметру, α<sub>mах,</sub> град
ε=3,4
2,30
61,52
755
144
29
ε=5
1.015
65,91
1141
182
24
ε=7
0,43
69,29
1751
238
21
Из представленных рисунков видно, что варьируя параметры формы образующей по формуле (4), можно получить любые габаритные размеры оболочки. В области больших углов возможно использовать плавные переходы к слабому конусу или к цилиндру, как это обычно делается при формировании формы оболочки обтекателя.
Возможный вид сечения оболочки кожуха (тип укрытие) из образующих вида логарифмической спирали для радара кругового обзора с диэлектрической проницаемостью материала стенки ε=4 представлен на фиг.6.
Из фиг.17 видно, что максимальная высота оболочки по оси Y составляет ±800 мм, а диаметр по оси X около 9000 мм. На фиг.17 для иллюстрации передвижения точки наблюдения по лучам изображена сфера диаметром 500 мм с центром в полюсе логарифмической спирали.
Для уменьшения высоты обтекателя возможны варианты построения формы образующей с использованием вариации коэффициента (а) в формуле (4) уменьшением длины радиуса-вектора (r) в зависимости от угла поворота луча (α) с сохранением условия равенства угла δ для каждой точки кривой. Возможный вид образующей при вариации коэффициента (а) представлен на фиг.18, форма контура 1 рассчитана по формуле (4) для ε=4 с постоянным коэффициентом а=5, форма контура 2 рассчитана по формуле (4) для ε=4 с изменяемым коэффициентом а от 5 до 1,2. Из фиг.18 видно, что для кривой 1 при коэффициенте a=5 максимальная высота оболочки составляет 2677 мм, а для кривой с переменными коэффициентами - 624 мм. Видно, что вариации коэффициентов в формуле (4) позволяют оптимизировать форму образующей оболочки.
Неоднородности по толщине стенки, возникающие при построении образующих, в дальнейшем будут приводить к скачку фазы и искажению при прохождении через них электромагнитного поля в области антенного прожекторного пучка, поэтому при формировании поверхностей лучше использовать непрерывные, гладкие поверхности.
Так на фиг.19 представлен возможный вид сечения оболочки кожуха с ε=2,3 материала стенки без изломов и неоднородностей из образующих вида логарифмической спирали для радара с линейно-поляризованной антенной с совпадающей поляризацией кругового обзора, обеспечивающего сканирование от -20 град по углу места.
На фиг.20, 21, 22 в виде угловых зависимостей представлены расчетные радиотехнические характеристики (РТХ) (пеленгационные ошибки фиг.20, крутизна фиг.21, и коэффициент прохождения фиг.22) для частот в диапазоне от 8 до 18 ГГц при сканировании в диапазоне углов ±40 град, с линейно-поляризованной антенной с совпадающей поляризацией и вектором электрического поля, лежащим в плоскости поворота антенны.
При рассмотрении широкополосности обтекателя по расчетным характеристикам, представленным на фиг.20, 21 и 22, видно, что, расчетные угловые зависимости слабо зависят от частоты, похожи по виду и незначительно различаются по величине.
Значительная величина максимальной ошибки на фиг.20 связана с наличием фазовых искажений в носовой части и, в практической работе, необходимо для снижения ошибок проведение профилирования стенки.
Проведен расчетный поиск профиля толщины стенки. На фиг.23, 24, 25 в виде угловых зависимостей представлены расчетные РТХ профилированной оболочки для частот в диапазоне от 8 до 18 ГГц при сканировании в диапазоне углов ±40 град, с линейно-поляризованной антенной с совпадающей поляризацией и вектором электрического ноля, лежащим в плоскости поворота антенны. Из рисунков видно, что применение профилирования позволило значительно уменьшить  максимальную величину пеленгационной ошибки и ее крутизны, а также сделать вывод о возможности применения профилирования для улучшения характеристик оболочки при предложенной в конструкции системы «антенна-обтекатель» форме образующей.
Для сравнения на фиг.26, 27, 28 в виде угловых зависимостей представлены расчетные РТХ оболочки с образующей в виде оживала, с проницаемостью стенки ε=2,3, для частот в диапазоне от 8 до 18 ГГц при сканировании в диапазоне углов ±47,5 град, с линейно-поляризованной антенной с совпадающей поляризацией и вектором электрического поля, лежащим в плоскости поворота антенны. Из рисунков видно, что при схожести геометрических размеров этой оболочки с оболочками, имеющими оптимальный контур, РТХ этой значительно хуже. Отмечается падение КП до 20%, рост максимальных ошибок до 400 мин, а крутизны - до 0,9 град/град.
На рисунке 29 представлены расчетные частотные зависимости коэффициента прохождения КП(α=0) для оболочки с образующей в виде логарифмической спирали оптимальной для ε=3,4 (r=3ехр(3,4)) для ε=3,4 толщиной стенки 6,25 мм, в диапазоне от 8 до 18 ГГц. Из рисунка видно, что минимальный КП>80% реализуется в полосе более 4 ГГц, а в полосе 9 ГГц реализуется КП>60%.
На рисунке 30 представлены расчетные частотные зависимости коэффициента прохождения КП(α=0) для оболочки с образующей в виде логарифмической спирали оптимальной для ε=2 (r=5ехр(2)) для е=2 толщиной стенки 7 мм, в диапазоне от 8 до 18 ГГц. Из рисунка видно, что минимальный КП>80% реализуется в полосе более 7 ГГц, а в полосе 11 ГГц реализуется КП>73%.
Расчеты (рисунки 29, 30) показывают, что при снижении диэлектрической проницаемости стенки оболочки широкополосность системы «антенна-обтекатель» возрастает. Это связано с тем, что в расчетах РТХ оптимальным контуром, построенным при использовании закона Брюстера, с точки зрения прохождения, является только внешняя граница оболочки, а для внутренней границы оболочки при выполнении закона Брюстера контур должен быть отличным от внешнего, так как при этом поиск угла Брюстера должен производиться для другого перехода проницаемостей от большей величины к меньшей. Именно это, при прочих равных условиях, ограничивает дальнейшее повышение широкополосности системы «антенна-обтекатель». На практике сопряжение неконгруентных внешней и внутренней поверхностей, найденных из условия равенства угла падения углу Брюстера, выполнить невозможно, так как для этих условий не находятся контуры, вложенные друг в друга по всей высоте. Одним из простых методов устранения этого противоречия является изготовление стенки из материалов с низкой диэлектрической проницаемостью, для которой внешний и внутренний контуры оболочки будут схожими, а при диэлектрической проницаемости, равной единице - совпадающими. В предлагаемой конструкции оболочки отсутствует зависимость выбора толщины стенки от ее диэлектрической проницаемости и снимается ограничение в выборе толщины стенки по контуру оболочки, в отличие от известных методов конструирования оболочки в виде тонкой или полуволновой толщины стенки, что позволяет выполнять ее из материалов с низкой диэлектрической проницаемостью. С ростом диэлектрической проницаемости стенки растет различие в формах внешней и внутренней границ из-за значительной разницы в величинах соответствующего им угла Брюстера.
На рисунке 31 представлены расчетные зависимости величины угла Брюстера от диэлектрической проницаемости пластины для ее внешней и внутренней плоскопараллельных границ. Из геометрической оптики следует, что при падении плоской волны на пластину (рисунок 32) под углом Брюстера, угол преломления, найденный по закону Снеллиуса, через первую (для оболочки внешнюю) границу равен расчетной величине угла Брюстера при падении преломленной волны на вторую (для оболочки внутреннюю) поверхность. Это условие выполняется только для плоских границ пластины. Другими словами, оптимальной формой для получения полного прохождения плоской волны является только пластина с плоскопараллельными границами, для которой выполняется угол Брюстера для внешней, при переходе от менее плотной среды в более плотную, и внутренней, при переходе от более плотной среды в менее плотную, поверхностей. При решении задачи прохождения плоской волны через неплоские поверхности, например с логарифмической формой образующей внешняя и внутренние поверхности должны рассчитываться для известной диэлектрической проницаемости стенки, как это видно из рисунка 31, для различных углов Брюстера и, следовательно, поверхности оптимальной оболочки широкополосной системы «антенна-обтекатель» должны быть неконгруентными. Это возможно реализовать в конструкции оболочки широкополосной пассивной системы «антенна-обтекатель», работающей только на прием. Согласно формуле 4 совпадение оптимальных контуров внутренней и внешней поверхностей возможно только при диэлектрической проницаемости стенки ε=1, а увеличение проницаемости приводит к различию форм внутренней и внешней поверхностей. Анализ зависимостей, представленных на рисунке 31, подтверждает вывод о сближении оптимальных форм внешней и внутренней границ при снижении диэлектрической проницаемости стенки и, как показали предыдущие расчеты, к повышению широкополосности системы «антенна-оболочка», сконструированных с помощью рассмотренных условий реализации оптимальной формы оболочки.
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>r</mi><mrow><mi>в</mi><mi>н</mi><mi>е</mi><mi>ш</mi><mi>н</mi><mi>и</mi><mi>й</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>10</mn><mo>×</mo><msup><mi>е</mi><mrow><msqrt><mrow><mi>ε</mi><mo>⋅</mo><mi>α</mi></mrow></msqrt></mrow></msup><mo>,</mo><msub><mrow><mtext> r</mtext></mrow><mrow><mtext>внутренний</mtext></mrow></msub><mo>=</mo><mn>28</mn><mo>×</mo><msup><mi>е</mi><mrow><msqrt><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mn>1</mn><mi>ε</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>α</mi></mrow></msqrt></mrow></msup><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Рассчитанные для пассивной широкополосной системы «антенна-обтекатель» внешний и внутренний контуры, соответствующие логарифмическим спиралям
для диэлектрической проницаемости ε=1,5 представлены на рисунке 33.
Из анализа вида внешнего и внутреннего контуров, представленных на рисунке 33, видно, что реализация оптимальной формы возможна только в носовой части оболочки в области малых углов поворота, там, где внутренний контур укладывается во внешний. Так как максимальные искажения поля и наибольшее падение коэффициента прохождения наблюдаются именно в этой области углов, то применение такой формы контуров значительно улучшит эти параметры в широкой полосе частот, при этом юбочная часть оболочки, ответственная за искажения поля при больших углах поворота, должна проектироваться обычными методами.
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>r</mi><mrow><mi>в</mi><mi>н</mi><mi>е</mi><mi>ш</mi><mi>н</mi><mi>и</mi><mi>й</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>20</mn><mo>×</mo><msup><mi>е</mi><mrow><msqrt><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>/</mo><mi>ε</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><mi>α</mi></mrow></msqrt></mrow></msup><mo>,</mo><msub><mrow><mtext> r</mtext></mrow><mrow><mtext>внутренний</mtext></mrow></msub><mo>=</mo><mn>5,5</mn><mo>×</mo><msup><mi>е</mi><mrow><msqrt><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>ε</mi><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>α</mi></mrow></msqrt></mrow></msup><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
При работе широкополосной системы «антенна-обтекатель» на передачу, для любой диэлектрической проницаемости стенки оболочки можно всегда подобрать коэффициенты вида логарифмической спирали для внешнего и внутреннего контуров, которые вкладываются друг в друга. Для примера на рисунке 34 представлены рассчитанные для широкополосной системы «антенна-обтекатель», работающей на передачу, внешний и внутренний контуры, соответствующие логарифмическим спиралям
для диэлектрической проницаемости ε=1,5.
Из анализа вида внешнего и внутреннего контуров, представленных на рисунке 34, видно, что реализация оптимальной формы возможна по всей высоте оболочки и применение такой формы контуров значительно улучшит радиотехнические параметры системы «антенна-обтекатель» в широкой полосе частот и углов поворота антенны.
Следует заметить, что это важно для развития перспективного метода, способного обеспечить достаточно высокую вероятность обнаружения «невидимых» самолетов, так называемых бистатических радиолокационных станций, состоящих из разнесенных на большие расстояния друг от друга передатчика (наземного или космического базирования) и наземного приемного устройства. Дополнительным достоинством этого метода является то, что приемное устройство работает в пассивном режиме, то есть не излучает электромагнитную энергию, в связи с чем его координаты практически не могут быть определены бортовыми средствами бомбардировщиков, летящих в направлении объектов удара.
1
2
3
На основе принципа построения оболочки с неконгруентными границами между слоями возможно построение многослойной структуры, для которой выполняется условие угла Брюстера для каждой границы, например, для трехслойной конструкции это четыре неконгруентные границы. На рисунке 35 представлены контуры границ трехслойной стенки с параметрами ε=1,5, ε=2, ε=1,5, для которой подобраны размерные коэффициенты А1=8, А2=9, А3=19, А4=21 логарифмической спирали. Видно, что толщина стенки переменная и меняется по высоте оболочки в зависимости от выбранных форм границ. Толщины слоев оболочки определяются выбранными формами неконгруентных границ и с учетом того, что при рассмотрении падения плоской волны на границы слоев под углом Брюстера отсутствует понятие зависимости оптимальной толщины от частоты, то появляется понятие оптимальности формы оболочки по критерию максимальной широкополосности.
Широкополосная система «антенна-обтекатель», выполненная по предлагаемому техническому решению, по сравнению с известными устройствами, в широкой полосе частот вносит минимальные искажения в падающей волне и обладает наибольшим коэффициентом прохождения и минимальными пеленгационными ошибками.
Источники информации
1. Пригода Б.А., Кокунько B.C. Антенны летательных аппаратов. М., Военное издательство министерства обороны, 1979, издание 2-е переработанное и дополненное. Стр.106.
2. Каплун В.А. Обтекатели антенн СВЧ. М., Советское радио, 1974 г., 238 с.
3. Широкополосный керамический обтекатель для антенны и способ его изготовления. Патент №81 0858. Франция. Н01Q 1/42. 29 avril 1981, № de publication 2 483 689.
4. Обтекатели антенн. Перевод с английского под редакцией А.И.Шпунтова. Издательство «Советское радио», М., 1950, стр.51-58.
5. USA №3314070. С. 343-708. Tapered radomes. April 11, 1967(прототип).