Радиолокационная антенна с уменьшенной эффективной площадью рассеяния

Радиолокационная антенна с уменьшенной эффективной площадью рассеяния

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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). 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 радиолокационная антенна с уменьшенной поверхностью обратного рассеивания 1 (фиг.1) (Заявка ФРГ №3642072. МКИ: G01S 7/38, H01Q 15/14, публикация 23.06.1988 г., №25 (прототип)), 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.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение эффективной площади рассеяния антенны в полосе ее рабочих частот.

Для решения данной задачи в известном устройстве антенны с уменьшенной поверхностью обратного рассеивания 1, 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, излучатели размещают по всей или части выпуклой осесимметричной поверхности равномерно вокруг оси, ориентированной по нормали к плоскости устройств частотной селекции и образованной шаровым сегментом с основанием радиуса b≥7λ и высотой h, исходя из соотношения b/h≈2, где λ - рабочая длина волны (фиг.2) или образованной круговым прямым конусом высотой k с основанием радиуса с≥7λ, исходя из соотношения k/c≈3, где λ - рабочая длина волны (фиг.3).

Поясним данное техническое решение.

Рассмотрим более подробно возможность и условия уменьшения эффективной площади рассеяния (ЭПР) антенны в полосе ее рабочих частот за счет применения вместо плоской АФАР конформной. Очевидно, что уменьшение ЭПР антенны можно добиться приданием ей малоотражающей формы такой, которая максимум отраженной электромагнитной энергии отклоняет в сторону от направления на приемную антенну радиолокатора. Наиболее характерной малоотражающей формой, отклоняющей максимум падающей энергии в сторону от приемной антенны, является наклонная плоскость, цилиндрическая, сферическая или коническая поверхности. Для последних характерно не только отклонение максимума отражения от направления на радиолокатор, но и рассеяние отраженной энергии в разные стороны. На фиг.4 приведено сравнение величины ЭПР простых отражателей, у которых видимые геометрические площади облучаемых поверхностей равны 1 м² (Степанов Ю.Г. Противорадиолокационная маскировка. М.: «Сов. радио». 1968. Стр.45.). Очевидно, что максимальную величину ЭПР при равновеликих геометрических размерах имеют объекты в виде плоских или цилиндрических конструкций. Следовательно, основным условием уменьшения ЭПР является замена конструкций, имеющих такие поверхности, на сферические и конические поверхности. Вместе с тем известно, что плоские АФАР обеспечивают достаточно высокий коэффициент усиления только в секторах сканирования, не превышающих 40°...50° от нормали к поверхности антенны. При этом сектор сканирования плоской АФАР ограничивается главным лепестком диаграммы направленности излучающего элемента решетки и определяется их геометрическими размерами, а также взаимной связью между ними. Поэтому на практике для некоторых АФАР возникает необходимость увеличения угла сканирования в секторе обзора, превышающем полусферу, и одновременного осуществления кругового обзора в горизонтальной плоскости. Для реализации этих требований вполне подходят АФАР специальной конструкции, использующие пространственные (неплоские) системы излучателей. К ним, в первую очередь, относятся гибридные, конформные и многогранные АФАР. Среди конформных АФАР наибольшего внимания заслуживают сферические и конические АФАР (Антенны и устройства СВЧ (проектирование фазированных антенных решеток), под редакцией Д.И.Воскресенского. М.: "Радио и связь". 1981. Стр.150-157). Совершенно очевидно, что такие конформные АФАР наряду с перечисленными особенностями обладают малоотражающими свойствами при облучении радиоволной с направлений, близких к оси симметрии. Также известно, что процесс формирования главного лепестка диаграммы направленности в направлениях, близких к оси симметрии в сферических и конических АФАР, производится с показателями, не уступающими, а иногда и превосходящими показатели плоских АФАР. Для формирования главного максимума диаграммы направленности конформной АФАР в заданном направлении требуется синфазное сложение полей одной и той же поляризации всех излучателей, входящих в излучающую область. Перемещение излучающей области по выпуклой поверхности требует изменения плоскости поляризации полей, входящих в нее излучателей. Поэтому в этих АФАР применяют излучатели либо круговой, либо управляемой поляризации. В качестве излучающих элементов АФАР с полусферическим обзором применяются такие же слабонаправленные излучатели с осевой симметрией, что и в плоских АФАР. Для создания необходимых поляризационных характеристик наибольшее распространение получили следующие типы излучателей: крестообразные вибраторы, спиральные и частотно-независимые антенны и щелевые излучатели, поперечные размеры которых, в зависимости от типа излучателя, находятся в пределах от 0,4λ до 1,2λ, т.е. их размеры соизмеримы с рабочей длиной волны.

Однако нельзя упускать из виду тот факт, что такого рода неплоские конструкции АФАР в сравнении с плоскими конструкциями могут быть ограничены в своих технических возможностях. Рассмотрим условия их функционирования.

Сферические АФАР обеспечивают полусферический обзор с минимальными изменениями диаграммы направленности и вариациями усиления в пределах 0,1...1,0 дБ. Это достигается размещением излучателей с почти равномерной плотностью по поверхности сферы и использованием конформного сканирования, т.е. сохранением при сканировании формы и размеров излучающей области. Центр излучающей области обычно находится на направлении главного максимума U_c (или равносигнального направления). Перемещение излучающей области осуществляется коммутацией питания излучателей, а фазирование (одинаковое в пределах излучающей области при любом ее положении) служит для компенсации фазовых ошибок (фокусировки). Отключение части излучателей и управление формой излучающей области позволяет получить диаграмму направленности с разными параметрами. Центральный угол излучающей области υ₀ (фиг.5) может быть оптимизирован на основании критерия минимальности общего числа излучателей для получения заданной ширины главного лепестка диаграммы направленности или заданного коэффициента усиления. Расчеты показывают (Антенны и устройства СВЧ (проектирование фазированных антенных решеток), под редакцией Д.И.Воскресенского. М.: "Радио и связь". 1981. Стр.156), что минимальное число управляемых излучателей получается при угле υ₀=50°...90°, но ввиду неэффективности излучения элементов под большими углами, на практике целесообразно использовать АФАР с углом

Учитывая условие (1) для определения значений ЭПР (σ) сферических АФАР с направления, близкого к оси симметрии поверхности, образующей ее раскрыв (шаровой сегмент сферы радиуса r) в коротковолновой области (r/λ≥10), вполне подходит выражение для расчета ЭПР сферы в условиях полного поляризационного приема (Кобак В.О. Радиолокационные отражатели. М.: «Сов. радио». 1975 г. Стр. 103).

где π=3,1415926...;

r - радиус сферы;

λ - рабочая длина волны.

Также отметим, что значение ЭПР сферы не зависит от длины волны, что характерно для тел двойной кривизны большого волнового размера.

Исходя из условия (1) наиболее рациональное размещение излучателей возможно при равномерном их расположении по всей или части выпуклой осесимметричной поверхности, образованной шаровым сегментом (фиг.5) с основанием радиуса b≥7λ и высотой h, исходя из соотношения b/h≈2, где λ - рабочая длина волны. Из выражения (2) следует, что замена плоской АФАР с поперечным размером ≈10λ на равновеликую сферическую обеспечивает снижение максимальных значений ЭПР (σ_0.0) с ≈1...3 м² до 0,07...0,1 м². Однако такого уровня снижения значений ЭПР АФАР может быть не достаточно, поэтому для обеспечения значений ЭПР АФАР менее 0,01 м² предлагается излучатели располагать по поверхности конической формы.

В конических АФАР осуществляется конформное сканирование в плоскости основания и обычное секторное сканирование в плоскости образующей конуса. Излучающая область занимает сектор, размер которой зависит от направления главного максимума U_к (угла фокусировки) (фиг.6). При полусферическом обзоре некоторые участки конической поверхности излучают под большими углами, поэтому на практике период решетки выбирается близким к 0,5λ, хотя в ряде случаев из конструктивных соображений его приходится увеличивать до 0,6λ...0,75λ. На фиг.7 приведены графики, которые позволяют оценить изменение площади эквивалентного плоского раскрыва конической АФАР S_к/S₀ (S₀=πc² - площадь основания) при изменении направления угла фокусировки U_к и угла при вершине конуса f_к (угол между осью и образующей) (Антенны и устройства СВЧ (проектирование фазированных антенных решеток), под редакцией Д.И.Воскресенского. М.: "Радио и связь". 1981. Стр.153). У вершины конуса, как правило, излучатели не размещаются, однако эта площадь невелика и в данном случае не учитывается. Анализ графиков показывает, что для уменьшения колебаний коэффициента усиления при сканировании целесообразно применять конические поверхности с углом при вершине (угол между осью и образующей)

Исходя из условия (3) следует, что излучатели необходимо размещать равномерно по всей или части выпуклой осесимметричной поверхности, образованной круговым прямым конусом (фиг.6) высотой k с основанием радиуса с≥7λ, исходя из соотношения k/c≈3, где λ - рабочая длина волны.

Известно, что значение ЭПР кругового прямого конуса с приемлемой точностью можно определить в приближении физической оптики с двух направлений:

со стороны вершины конуса (Кобак В.О. Радиолокационные отражатели. М.: «Сов. радио». 1975 г. Стр.129)

σ_к1=πc²tg²f_к

и при падении волны перпендикулярно образующей конуса

где с - радиус основания;

f_к - половина угла раскрыва конуса;

k - высота конуса;

λ - рабочая длина волны.

Радиолокационная антенна 1 с уменьшенной эффективной площадью рассеяния работает следующим образом. На раскрыв антенны падает плоский фронт электромагнитной волны. Устройства частотной селекции 3 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 частотной селекции 3 отражается от излучателей 2 с размерами, соизмеримыми с рабочей длиной волны, размещенными по всей или части выпуклой осесимметричной поверхности равномерно вокруг оси, ориентированной по нормали к плоскости устройств частотной селекции и образованной шаровым сегментом или круговым прямым конусом и также отклоняется в сторону от направления на радиолокатор. Таким образом исключаются переотражения электромагнитной волны от антенны в полосе ее рабочих частот с направлений, близких к нормали к ее раскрыву.

Существо предлагаемого технического решения поясняется фиг.1-8, на которых представлена радиолокационная антенна с уменьшенной эффективной площадью рассеяния, а также результаты экспериментальных исследований ее моделей в условиях Эталонного радиолокационного измерительного комплекса 2 ЦНИИ МО РФ ("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. С.385). Модель образца радиолокационной антенны с уменьшенной эффективной площадью рассеяния представляла собой в первом случае плоскую круглую проводящую пластину радиусом a=9λ, с плотно расположенными на ней 230-ю излучателями 2 квадратной формы (0,8λ×0.8λ), выполненными из проводящей фольги (известная антенна - фиг.1). Во втором случае - проводящую поверхность, образованную шаровым сегментом с основанием радиуса b=9λ и высотой h=5λ равномерно, вокруг оси, частично заполненную таким же числом излучателей (предлагаемая антенна - фиг.2). В третьем - проводящую поверхность, образованную круговым прямым конусом с основанием радиуса c=9λ и высотой k=27λ равномерно, вокруг оси, со стороны вершины частично заполненную таким же, как и в предыдущих случаях числом излучателей (предлагаемая антенна - фиг.3). При этом видимые геометрические площади облучаемых поверхностей между собой были равны (а=b=с=9λ). Частичное заполнение для сферической и конической поверхности подразумевало покрытие не всей, а только части их поверхности одинаковым числом излучателей в сравнении с полностью заполненной плоской поверхностью (фиг.1).

На фиг.1 приведена схема известной радиолокационной антенны с уменьшенной эффективной площадью рассеяния, а также ее физическая модель для экспериментального исследования ЭПР.

На фиг.2 - схема предлагаемой радиолокационной антенны с уменьшенной эффективной площадью рассеяния, с излучателями с размерами, соизмеримыми с рабочей длиной волны, размещенными по поверхности, образованной шаровым сегментом, а также ее физическая модель для экспериментального исследования ЭПР.

На фиг.3 - схема предлагаемой радиолокационной антенны с уменьшенной эффективной площадью рассеяния, с излучателями с размерами, соизмеримыми с рабочей длиной волны, размещенными по поверхности, образованной круговым прямым конусом, а также ее физическая модель для экспериментального исследования ЭПР.

На фиг.4 приведено сравнение величины ЭПР простых отражателей, у которых видимые геометрические площади S облучаемых поверхностей равны 1 м².

На фиг.5 приведена геометрия сферической АФАР.

На фиг.6 приведена геометрия конической АФАР.

На фиг.7 приведены графики зависимости площади эквивалентного плоского раскрыва конической АФАР (S_к/S₀) от изменения направления угла фокусировки (U_к) и угла при вершине конуса (f_k).

На фиг.8 слева приведены диаграммы обратного отражения модели известной (n) и предлагаемой АФАР сферической (g) и конической (q) формы на длине волны λ=3,2 см, а также соответствующие им функции распределения значений ЭПР в секторе углов наблюдения 0±30° относительно нормали к раскрыву антенны (на фиг.8 справа).

Анализ результатов позволяет сделать вывод о том, что предлагаемая радиолокационная антенна с уменьшенной эффективной площадью рассеяния сферической и конической формы по сравнению с известной антенной-прототипом имеет меньшие значения ЭПР (по уровню вероятности 0,0 - максимальные значения) в полосе ее рабочих частот, в секторе углов наблюдения 0±30° относительно нормали к раскрыву антенны соответственно на 12,1 дБ и 20,4 дБ.

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 антенн с уменьшенной эффективной площадью рассеяния целесообразно использовать в организациях, занимающихся проектированием антенных систем бортовых радиолокационных станций.

1. 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, отличающаяся тем, что излучатели с размерами, соизмеримыми с рабочей длиной волны, размещены по всей или части выпуклой осесимметричной поверхности равномерно вокруг оси, ориентированной по нормали к плоскости устройств частотной селекции, и выпуклая осесимметричная поверхность образована шаровым сегментом с основанием радиуса b≥7λ, и высотой h, исходя из соотношения b/h≈2, где λ - рабочая длина волны.

2. 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, отличающаяся тем, что излучатели с размерами, соизмеримыми с рабочей длиной волны, размещены по всей или части выпуклой осесимметричной поверхности равномерно вокруг оси, ориентированной по нормали к плоскости устройств частотной селекции, и выпуклая осесимметричная поверхность образована круговым прямым конусом высотой k с основанием радиуса c≥7λ, исходя из соотношения k/c≈3, где λ - рабочая длина волны.