Радиолокационная антенна с уменьшенной эффективной площадью рассеяния

Изобретение относится к антенной технике. Технический результат заключается в уменьшении эффективной площади рассеяния антенны в полосе ее рабочих частот. Сущность изобретения состоит в том, что радиолокационная антенна содержит минимум два излучателя, работающих в заданной полосе рабочих частот, размещенные перед излучателями в одной плоскости устройства частотной селекции с полосовыми характеристиками, позволяющими пропускать электромагнитное излучение в полосе рабочих частот, а за пределами этой полосы отражать излучение. Первая половина всех излучателей разнесена вдоль направления излучения относительно второй их половины на одинаковое расстояние, равное нечетному числу четверти средней рабочей длины волны. При этом поперечные размеры излучателей соизмеримы со средней рабочей длиной волны. 7 ил.

 

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) /1/. 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 ФАР уровни их ЭПР в основном определяются отражением от излучающих элементов модулей. Однако в настоящее время задачу создания малозаметных антенн нельзя считать полностью решенной, поэтому особую ценность приобретают оригинальные технические решения, позволяющие приблизиться к ее решению.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является антенна с уменьшенной поверхностью обратного рассеивания 1 (фиг.1) /2/, 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 излучение. 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.

Цель работы - уменьшение эффективной площади рассеяния антенны в полосе ее рабочих частот.

Данная цель достигается тем, что в известном устройстве антенны с уменьшенной поверхностью обратного рассеивания 1 (фиг.2), содержащей минимум два излучателя 2, работающих в заданной полосе рабочих частот, размещенных перед излучателями в одной плоскости устройств частотной селекции 3 с полосовыми характеристиками, позволяющими пропускать электромагнитное излучение в полосе рабочих частот, а за пределами этой полосы отражать излучение, первую половину всех излучателей пространственно разносят относительно второй половины излучателей вдоль направления излучения на одинаковое расстояние h, равное нечетному числу четверти средней рабочей длины волны λ, при этом поперечные размеры излучателей соизмеримы со средней рабочей длиной волны.

Поясним данное техническое решение. Будем рассматривать раскрыв известной антенны с излучателями как плоскую проводящую поверхность с размерами, превышающими рабочую длину волны. Такая синфазная поверхность имеет максимумом диаграммы обратного отражения, совпадающий с нормалью к плоскости /3/. Из теории проектирования антенн и устройств СВЧ /4/ известно, что в качестве 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 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. Таким образом, за элементарный отражающий участок раскрыва антенны можно приблизительно принять плоскую проводящую пластину в пределах геометрических размеров одного излучателя, соизмеримых с рабочей длиной волны. На фиг.3 приведены диаграммы обратного отражения плоских проводящих квадратных пластин с длиной ребра, соизмеримой с длиной волны /5/. Форма диаграмм показывает, что при таких волновых размерах отдельный излучатель можно рассматривать как самостоятельный квазиизотропный отражатель.

Для обеспечения условия равенства амплитуд волн, отраженных от поверхностей излучателей первой и второй половины общего числа излучателей необходимо соблюсти равенство их площадей

независимо от формы и способа их размещения, где S₁ и S₂ суммарная площадь поверхности соответственно первой и второй половины общего числа излучателей (фиг.4). Пространственное смещение их друг относительно друга на нечетное число четвертей длины волны обеспечивает противофазность волн, отраженных от поверхностей одинаковых по площади излучателей. При данном расстоянии между поверхностями излучателей происходит сложение отраженных волн в противофазе. Иначе говоря, гашение падающей волны происходит при сдвиге ее фазы φ на π,

т.е. при сдвиге на расстояние h, равное нечетному числу четвертей длины волны

где n=0, 1, 2, 3,....

Для того чтобы смещение половины числа излучателей на расстояние согласно (3) не ухудшило при электронном сканировании процесс управления амплитудно-фазовым распределением, на поверхности раскрыва антенны в фазовращателях каждого смещенного излучателя необходимо предусмотреть конструктивно внесенное изменение фазы согласно (2). Очевидно, что в некоторых случаях проще пространственно смещать не отдельные излучатели, а одинаковые по числу группы излучателей, так называемые подрешетки /4/, но при этом также необходимо соблюдать условие (1).

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. Электромагнитное излучение в полосе рабочих частот антенны, пройдя устройства селекции, отражается от первой половины излучателей, пространственно разнесенных относительно второй половины излучателей, вдоль направления излучения на одинаковое расстояние, равное нечетному числу четверти средней рабочей длины волны. Равенство числа первых и вторых излучателей как по числу, так и по площади поверхности обеспечивает равенство амплитуд отраженных волн, а сдвиг на расстояние, равное нечетному числу четверти средней рабочей длины волны, приводит к сложению этих волн в противофазе. Таким образом исключаются переотражения электромагнитной волны от антенны в направлении нормали к ее раскрыву.

Существо предлагаемого технического решения поясняется фигурами 1-7, на которых представлена радиолокационная антенна с уменьшенной эффективной площадью рассеяния, а также результаты экспериментальных исследований ее модели в условиях Эталонного радиолокационного измерительного комплекса 2 ЦНИИ МО РФ /6/.

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 приведены нормированные диаграммы обратного отражения плоских проводящих квадратных пластин с длиной ребра, 0,75λ, 1,0λ и 1,3λ.

На фиг.4 приведены варианты структуры размещения излучателей первой и второй половины общего их числа на поверхности раскрыва антенны.

На фиг.5 - внешний вид модели известной антенны: плоская металлическая пластина размерами 1,25λ×25λ, все 20 излучателей (2) лежат в одной плоскости.

На фиг.6 - внешний вид модели предлагаемой антенны: металлическая пластина размерами 1,25λ×25λ, с 20 излучателями (2): первые 10 смещены относительно вторых 10 на одинаковое расстояние - 0.25 λ.

На фиг.7 слева приведены диаграммы обратного отражения модели известной (k) и предлагаемой (f) антенны на длине волны λ=3,2 см для горизонтальной (m) и вертикальной (q) поляризации радиоизлучения, а также соответствующие им гистограммы ЭПР (верхняя часть фиг.7m, q) и функции распределения значений ЭПР (нижняя часть фиг.7m, q) в секторе углов наблюдения 0±5°.

Анализ результатов позволяет сделать вывод о том (Акт испытаний...), что предлагаемая радиолокационная антенна с уменьшенной эффективной площадью рассеяния по сравнению с известной антенной-прототипом имеет меньшие значения ЭПР (по уровню вероятности 0,5) в секторе локации 0±5° относительно нормали к раскрыву антенны на 8,1 дБ и 11,8 дБ соответственно для горизонтальной и вертикальной поляризации радиоизлучения.

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.

Источники информации

1. Зарубежное военное образование. №11 (680), Москва, 2003.

2. Радиолокационная антенна с уменьшенной поверхностью обратного рассеяния. Заявка ФРГ №3642072. МКИ: G 01 S 7/38, H 01 Q 15/14, публикация 23.06.1988 г., №25 (прототип).

3. Кобак В.О. Радиолокационные отражатели. М.: Сов. радио. 1975. С.211.

4. Антенны и устройства СВЧ (проектирование фазированных антенных решеток), под редакцией Д.И. Воскресенского. М.: Радио и связь. 1981.

5. Ruck G.T., Barrick D.E., Stuart W.D., Krichbaum C.K. Radar cross section handbook. V.1-2, N.Y. London, «Plenum Press», 1970, p.525.

6. Сумин А.С. и др. Контрольная для «невидимок». АВИА-панорама. №6. 1997. С.30.

Радиолокационная антенна с уменьшенной эффективной площадью рассеяния, содержащая минимум два излучателя, работающих в заданной полосе рабочих частот, размещенные перед излучателями в одной плоскости устройства частотной селекции с полосовыми характеристиками, позволяющими пропускать электромагнитное излучение в полосе рабочих частот, а за пределами этой полосы отражать излучение, отличающееся тем, что первая половина всех излучателей пространственно разнесена относительно второй половины излучателей вдоль направления излучения на одинаковое расстояние, равное нечетному числу четверти средней рабочей длины волны, при этом поперечные размеры излучателей соизмеримы со средней рабочей длиной волны.