Устройство для активного управления отражённым радиоизлучением
DEVICE FOR ACTIVE CONTROL BY REFLECTED RADIO EMISSION

Изобретение относится к поглотителям электромагнитных волн (ЭМВ) в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ) и может быть использовано для управляемого изменения радиолокационной заметности защищаемых поверхностей объектов различного назначения, а также при оснащении экранированных помещений и безэховых камер.
Также, изобретение позволит электрически управлять величиной поглощения ЭМВ Радио Поглощающим Покрытием (РПП) независимо на различных участках защищаемой поверхности объектов; расширить частотный диапазон; активно формировать диаграмму направленности РПП для различных углов падения ЭМВ; создавать маскирующие и искаженные отраженные сигналы от защищаемых поверхностей, управлять поляризацией отраженных ЭМВ.
Известно «Устройство радиомаскировки отражающих поверхностей», патент RU 2403658, 2008 г., состоящее из слоя электропроводной основы, слоя диэлектрика и электропроводного экранирующего слоя, выполненного по определенной топологии.
При работе устройства, четырехполюсник компенсационных связей обеспечивает взаимную компенсацию токов смещения, протекающих под воздействием внешнего электромагнитного поля, между одной из пары экранирующих площадок и нейтральной площадкой и между другой экранирующей площадкой и той же нейтральной площадкой.
Данное устройство имеет сложную структуру, не обеспечивает удовлетворительное поглощение ЭМВ и не предусматривает возможность электрического управления величиной поглощения ЭМВ.
Наиболее близким к предлагаемому является «Поглотитель электромагнитных волн», RU 2400883, в котором ЭМВ рассеиваются на радиопоглощающем заполнителе в виде керамических пластин, покрытых пленочным резистивным слоем. Размеры керамических пластин и характеристики резистивного слоя выбираются из условия обеспечения широкополосного согласования.
Упомянутое устройство не создает приемлемого поглощения ЭМВ на больших поверхностях объектов и не предусматривает возможность электрического управления поглощением.
Цель настоящего изобретения - электрическое управление величиной поглощения ЭМВ независимо на различных участках защищаемой поверхности объектов; управление диаграммой направленности и поляризацией отраженных ЭМВ; создание модуляции и фрагментации отраженных сигналов.
Предлагаемое «Устройство для активного управления отраженным радиоизлучением» представляет собой совокупность электрических контуров, выполненных в виде плоских электрических проводников, замкнутых своими концами через Устройства Управления (УУ) активными потерями и электрической емкостью и расположенных в слоях вдоль обращенной к источнику ЭМВ поверхности устройства.
Каждый такой электрический контур является элементарной антенной с резонансной частотой и волновыми размерами, согласованными с частотой и длиной падающей ЭМВ и предназначенной для приема ЭМВ и их дальнейшего поглощения.
Приведенное выше раскрытие настоящего изобретения не ограничивается каждым его описанным примером или любой реализацией. Последующее описание и рисунки дают более подробные пояснения описанных примеров и не ограничивают различные модификации настоящего изобретения, которые могут быть осуществлены в пределах объема его отличительных признаков.
Настоящее изобретение поясняют следующие фигуры.
На Фиг. 1-6 изображены плоские проводники контуров различной формы, соединенные с устройствами управления сопротивлением контура УУ-R и емкостью контура УУ.С: Фиг. 1 - спираль в форме круга; Фиг. 2 - спираль в форме квадрата; Фиг. 3 - меандр в форме квадрата; Фиг. 4 - меандр в форме прямоугольника; Фиг. 5 - форма с одним большим волновым размером; Фиг. 6 - форма с одним большим волновым размером, образующая плоский угол.
На Фиг. 7-12 представлено включение устройства управления согласованием волновых размеров УУ.Rсогл электрических контуров для параллельного и последовательного способов управления. Утолщенными линиями условно показаны проводники этих контуров.
На Фиг. 7 показано включение УУ.Rсогл для параллельного способа управления согласованием волновых размеров контуров. I, II, III, IV, I+II, III+IV, I+IV, II+III, I+II+III+IV - ряд связанных электрических контуров.
На Фиг. 8 показано изменение волновых размеров контуров при Rсогл = 0, т.е. при коротком замыкании. I, II, III, IV, I+II, III+IV - полученный при этом ряд связанных электрических контуров.
На Фиг. 9 показано изменение волновых размеров контуров при Rсогл = ∞, т.е. при разрыве цепи. I+III, II, IV, I+III+II, I+III+IV, I+III+II+IV - полученный при этом ряд связанных электрических контуров.
На Фиг. 10 показано включение УУ.Rсогл для последовательного способа управления согласованием волновых размеров контуров. I, II, III, IV, I+II, III+IV, II+III, I+IV, I+III, II+IV, I+II+III, I+II+III+IV - ряд связанных электрических контуров.
На Фиг. 11 показано изменение волновых размеров контуров при Rсогл = 0, т.е. при коротком замыкании. I, II, III, IV - полученный при этом ряд разделенных и независимых один от другого электрических контуров.
На Фиг. 12 показано изменение волновых размеров контуров при Rсогл = ∞, т.е. при разрыве цепи. I+II+III+IV - полученный при этом ряд связанных электрических контуров.
На Фиг. 13 показаны три контура каждый - с одним большим волновым размером формы, ориентированных ортогонально вдоль осей координат.
На Фиг. 14 представлено устройство, закрепленное на защищаемой боковой поверхности объекта. При этом боковая поверхность объекта делится поглощающим ЭМВ фрагментом Б на два отражающих ЭМВ фрагмента А и В. Контуры фрагментов А, Б, В имеют большие волновые размеры. Поглощающие контуры фрагмента Б обозначены черными квадратами; отражающие контуры фрагментов А и В обозначены квадратами без заливки. Устройства управления сопротивлением, емкостью и волновыми размерами контуров не показаны.
Условимся, что формой электрического контура является форма площади поверхности слоя, которую занимают плоские проводники этого контура вместе с электроизолирующими зазорами между ними.
Назовем контур с линейными размерами формы - длиной l и шириной w, контуром
- с большими волновыми размерам (согласованными размерами), если l,w больше или равны четверти наименьшей длины волны λ в рабочем диапазоне, т.е. l,w≥λ/4;
- с малыми волновыми размерами, если l,w намного меньше четверти наименьшей длины волны А в рабочем диапазоне, т.е. l,w<<λ/4.
Устройство работает следующим образом. Электромагнитные волны падают на поверхность устройства и наводят ЭДС в расположенных на нем плоских электрических контурах-индуктивностях. В электрические контуры включены устройства управления активным сопротивлением, емкостью и волновыми размерами контура, изменяющие соответственно, поглощение падающей ЭМВ, частоту настройки контуров и согласующие волновые размеры контуров. Эти устройства управления могут быть включены в контур последовательно, параллельно или смешано между собой.
Устройство управления электрическим сопротивлением УУ.R, включенное в каждый контур, изменяет величину активных электрических потерь в контуре, что приводит к изменению величины наводимой в нем ЭДС, а следовательно, и величины поглощения ЭМВ.
Одного слоя с контурами может быть не достаточно для получения необходимого поглощения ЭМВ. Для увеличения общего поглощения ЭМВ устройством, вдоль первого слоя располагают дополнительные слои с контурами. В устройстве с несколькими слоями каждый элементарный электрический контур вместе с УУ в каждом слое вносит свою долю в общие создаваемые устройством потери ЭМВ, а форма контуров и их расположение вдоль защищаемой поверхности объекта выбираются такими, чтобы падение ЭМВ на защищаемую поверхность было возможно только через все слои с контурами.
Поскольку проводники электрического контура и включенное в него управляемое активное сопротивление не обладают частотно-избирательными свойствами, то при неизменном сигнале управления они не искажает спектр прошедшей или отраженной ЭМВ.
Включенное в электрический контур устройство управления может представлять собой управляемое переменное сопротивление малой мощности, выполненное, например, на основе Полевого Транзистора (ПТ). При изменении напряжения сигнала управления на затворе ПТ сопротивление в цепи «сток» - «исток», включенное в контур, может изменяться от единиц Ом до сотен мОм, управляя таким образом, в широких пределах поглощением ЭМВ в контуре.
Устройство управления емкостью УУ.С, включенное в каждый контур, предназначено для его настройки на частоту падающей ЭМВ. Такое устройство управления может быть реализовано, например, на основе тоннельного диода, варикапа или вариконда, изменяющих свою емкость под действием приложенного управляющего напряжения.
Устройство управления согласованием волновых размеров контура УУ.Rсогл, предназначено для согласования волновых размеров контура с длиной падающей ЭМВ, см. Фиг. 7-12. В частности, волновые размеры контуров могут быть изменены к неотражающей ЭМВ антирезонансной длине волны, т.е. к ряду l,w=(2n-1)*λ/4, где n - число полуволн рабочей частоты ЭМВ, укладывающихся на линейных размерах формы контура l,w.
УУ.Rсогл может включаться, как общее, хотя бы в два электрических контура, см. Фиг. 7, Фиг. 10.
Нулевое общее для нескольких контуров активное сопротивление Rсогл = 0 делает их независимыми и раздельными с меньшими волновыми размерами, см. Фиг. 8, Фиг. 11.
Бесконечно большое общее для двух и более контуров активное сопротивление Rсогл = ∞ соответствует разрыву связи контуров через такое сопротивление и увеличению волнового размера образовавшегося электрического контура за счет сложения волновых размеров исходных контуров, см. Фиг. 9, Фиг. 12.
Величина общего активного сопротивления Rсогл, отличная от своих крайних значений 0 или ∞, приводит к зависимости величины поглощения ЭМВ контуром и его волновыми размерами.
В зависимости от способа включения устройства управления согласования волновых размеров контура УУ.Rсогл возможны два основных способа управления согласованием волновых размеров контуров: параллельный и последовательный.
При параллельном способе управления, изображенном на Фиг. 7, единственное общее сопротивление Rсогл включается в три и более контура.
Rсогл = 0 означает короткое замыкание этой связи контуров и образование группы независимых контуров с выбранными волновыми размерами, см. Фиг. 8.
Rсогл = ∞ означает разрыв связи контуров через общее сопротивление, приводящий к образованию группы взаимосвязанных контуров с различными волновыми размерами, большими, чем при Rсогл = 0, см. Фиг. 9.
При последовательном способе управления, изображенном на Фиг. 10, каждое общее сопротивление Rсогл включено только в два контура. Его короткое замыкание при Rсогл = 0, см. Фиг. 11, приводит к разделению соседних (смежных) контуров, а разрыв при Rсогл = ∞ - к объединению и увеличению волновых размеров этих контуров, см. Фиг. 12.
Для уменьшения числа волновых размеров контуров ряд их волновых размеров может быть выбран, исходя из возможности получения любого большего волнового размера с использованием минимального числа контуров меньшего волнового размера.
Устройство управления согласования волновых размеров контура УУ.Rсогл также, как и УУ.R, может быть выполнено, например, в виде переменного сопротивления малой мощности на основе полевого транзистора или на основе ключевого исполнительного элемента (тиристор, реле и т.д.), сопротивление которого может принимать два крайних значения: 0 или ∞.
Радиоэлементы устройства управления УУ.Rсогл могут располагаться в вырезах, сделанных для них в покрытии; вдоль боковой поверхности покрытия; на выносных площадках под или над покрытием. Радиоэлементы могут соединяться с плоскими проводниками контуров электропроводящим клеем.
Число линий управляющих сигналов выбора адреса контуров и управляющих сигналов на УУ.R, УУ.С и УУ.Rсогл может быть сокращено при использовании цифровой линии управления.
Устройства управления должны иметь малые волновые размеры, что может быть достигнуто при использовании специализированной БИС, содержащей все радиоэлементы устройства управления.
Проводники-индуктивности электрических контуров изготавливают из материала, обладающего малым активным сопротивлением, например, из серебра, меди, алюминия, при необходимости - с увеличенной толщиной, что позволит расширить диапазон регулирования поглощения контура устройством управления. Проводники можно выполнять напылением металлом непосредственно на диэлектрической поверхности, на диэлектрической пленке с адгезионным покрытием, а также нанесением рисунка через маску или трафарет электропроводящей краской или пастой.
Контуры изготавливают в виде плоских проводников-дорожек в виде круглой или квадратной спирали, меандра и т.д. с формой, в общем случае имеющей большие волновые размеры, см. Фиг. 1-4. Это делает контуры отражающими (заметными) для ЭМВ в рабочем диапазоне частот устройства.
Для получения большего поглощения ЭМВ контуры с одинаковой формой в соседних слоях могут быть смещены один относительно другого так, чтобы ЭМВ пересекала возможно большее их число с любого направления своего падения. С этой же целью, формы контуров и ширина их проводников могут быть выбраны различными в разных слоях. Электроизолирующие зазоры между проводниками как внутри формы каждого контура, так и между соседними контурами должны иметь малый волновой размер в рабочем диапазоне частот.
На проводники электрических контуров может наноситься покрытие, например, ферромагнитное. Если такое покрытие обладает малыми потерями, то оно усиливает чувствительность (индуктивность) контура к падающим на него ЭМВ. Если же потери ферромагнитного покрытия велики, то они суммируются с потерями в контуре, создаваемыми активным сопротивлением устройства управления, и вносят дополнительное затухание в отраженную ЭМВ.
Все или некоторые контуры могут иметь общие точки соединения сигналов. При этом такие электрические проводники, например, как линии управления, соединения общих точек контуров и проводники питания УУ, могут быть расположены в отдельных слоях.
Все или некоторые УУ также могут иметь общие точки соединения, например, для подключения электрического питания.
В отраженный от защищаемой поверхности сигнал может быть внесена поляризация, см. Фиг. 5. Для этого один размер формы контура - длину l, выполняют с большими волновыми размерами, т.е. l≥λ/4, а другой - ширину w - с малыми, т.е. w<<λ/4. В поляризованной падающей ЭМВ форма контура с большими волновыми размерами будет создавать больший отраженный сигнал, чем форма с малыми волновыми размерами.
Форма некоторых контуров своим большим волновым размером может образовывать плоский угол, например, ортогональный, см. Фиг. 6. Такая форма имеет две диаграммы направленности отражения, совпадающие с двумя направлениями падения поляризованной ЭМВ.
Несколько контуров, каждый - с одним большим волновым размером, могут быть ориентированы ими однонаправлено и образовывать плоскую антенную решетку. Диаграммы направленности отраженных сигналов от такой плоской решетки контуров суммируются, а чувствительность контуров к поляризованным волнам повышается.
Поляризация отраженной ЭМВ может быть произвольным образом изменена. Для этого хотя бы три плоских контура, каждый из которых имеет один большой волновой размер формы, необходимо сориентировать такими размерами под углом один к другому, например, ортогонально, см. Фиг. 13.
Три отраженных сигнала с этих контуров, соответствующие трем ортогональным векторам, определяют поляризацию отраженной ЭМВ, а результирующий вектор, образованный этими векторами, даст направление на максимум диаграммы направленности отраженного сигнала.
По сигналам на устройства управления поглощение на любом из трех ортогональных размеров формы может быть выбрано таким, чтобы результирующая трехмерного вектора поглощения имела заданное направление.
В этом случае, поляризация отраженной ЭМВ может быть выбрана максимальной в любом выбранном направлении, независимо от поляризации падающей ЭМВ.
С помощью УУ можно фрагментировать ЭМВ, отраженные от защищаемой поверхности объекта, см. Фиг. 14. Для этого на его обращенной к источнику ЭМВ защищаемой поверхности выбором сигналов управления смежных контуров создается, например, пересекающий эту поверхность фрагмент Б с пониженным отражением ЭМВ и делящий всю отражающую поверхность на два фрагмента А и В заданной формы и площади. По отраженным сигналам ЭМВ такой защищаемый объект будет восприниматься, как два отдельных объекта А и В, величиной отражения которых можно управлять независимо.
С помощью УУ можно искажать спектр отраженного сигнала на всей защищаемой поверхности объекта или ее фрагментах, например, А и В на Фиг. 14. Для этого на линии управления УУ.R контуров этих фрагментов подается модулирующий сигнал со спектром, удовлетворяющим требованиям эффективности искажения.
С помощью УУ можно искажать фазу отраженного сигнала от всей или отдельных частей поверхности защищаемого объекта. Для этого на линии управления УУ соответствующих контуров подается сигнал с периодом, совпадающим с периодом падающей ЭМВ, но изменяющий ее поглощение на части периода сигнала отраженной ЭМВ, например, на переднем фронте отраженной ЭМВ, согласно выбранному алгоритму управления (периодичности) создаваемой помехи.
Устройство может использоваться как для экранирования объекта, располагаясь как перед его защищаемой поверхностью, так и для уменьшения отражения объекта, будучи закреплено на его защищаемой поверхности.
Для увеличения поглощения ЭМВ на отдельных частотах рабочего диапазона, устройство может быть расположено от защищаемой поверхности на расстоянии, кратном ,  и т.д. длины волны. В этом случае, устройство позволяет внести потери как в падающую на него прямую ЭМВ, так и в пришедшую на обратную его сторону отраженную волну от защищаемой поверхности объекта.