RU2772671C1 - Radiotransparent fairing - Google Patents

Radiotransparent fairing Download PDF

Info

Publication number
RU2772671C1
RU2772671C1 RU2021106081A RU2021106081A RU2772671C1 RU 2772671 C1 RU2772671 C1 RU 2772671C1 RU 2021106081 A RU2021106081 A RU 2021106081A RU 2021106081 A RU2021106081 A RU 2021106081A RU 2772671 C1 RU2772671 C1 RU 2772671C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fairing
wall
radio
incidence
angle
Prior art date
Application number
RU2021106081A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Иванович Соколов
Сергей Иосифович Шалгунов
Александр Николаевич Трофимов
Дмитрий Александрович Трофимов
Original Assignee
Акционерное общество "НПО Стеклопластик"
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "НПО Стеклопластик" filed Critical Акционерное общество "НПО Стеклопластик"
Application granted granted Critical
Publication of RU2772671C1 publication Critical patent/RU2772671C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: antennas.
SUBSTANCE: invention relates to antenna equipment, in particular, to radiotransparent fairings of antenna equipment. The technical result is achieved by the fact that in a radiotransparent fairing made with a single-layer structure of a curvilinear wall made of a dielectric material, the optimal thickness d of the wall of the fairing intended for work in a wide range of values of the angle of incidence θ in various areas of the fairing from the minimum value θmin to the maximum value θmax is calculated by the equation:
Figure 00000013
wherein n=1, 2, … is an integer, the order of the half-wave wall; λ is the length of the radio wave in free space (air); ε is the permittivity of the material; rmin and rmax are Fresnel coefficients.
EFFECT: improvement in the radio technical characteristics of a fairing with a single-layer wall structure in a wide range of values of the angle of incidence of radio waves on the wall of the fairing.
1 cl, 2 dwg, 1 tbl

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к радиопрозрачным обтекателям антенных устройств и может быть использовано в области преимущественно авиационной и ракетной техники, применительно к конструкциям антенных обтекателей с радиопрозрачными оболочками.The invention relates to radio-transparent radomes of antenna devices and can be used in the field of mainly aviation and rocket technology, in relation to the construction of antenna radomes with radio-transparent shells.

Уровень техникиState of the art

Известен антенный обтекатель (патент РФ №2697516, класс H01Q 1/42, опубл. 2019), включающий однослойную конусообразную оболочку, изготовленную из стеклопластика с диэлектрической проницаемостью 3,2-4,2. Размер стенки базируется на среднем значении угла падения радиоволн на стенку обтекателя.An antenna radome is known (RF patent No. 2697516, class H01Q 1/42, publ. 2019), including a single-layer cone-shaped shell made of fiberglass with a dielectric constant of 3.2-4.2. The wall size is based on the average value of the angle of incidence of radio waves on the fairing wall.

Недостатком данного решения является то обстоятельство, что для оптимизации стенки используется среднее значение угла падения ϑcp и соответствующая толщина стенки, которая недостаточно точно определяет оптимальную толщину стенки, обеспечивающую наилучшие радиотехнические характеристики обтекателя во всем рабочем диапазоне значений угла падения от минимального значения ϑмин до максимального значения ϑмакс.The disadvantage of this solution is the fact that to optimize the wall, the average value of the angle of incidence ϑ cp and the corresponding wall thickness are used, which does not accurately determine the optimal wall thickness that provides the best radio performance of the fairing over the entire operating range of angle of incidence from the minimum value ϑ min to the maximum ϑ value max .

Известно (Обтекатели антенн. Под ред. А.Н. Шпунтова, М.: Советское радио, 1950. 264 с), что наилучшие условия прохождения радиоволн через стенку обтекателя, наилучшие радиотехнические характеристики системы «антенна-обтекатель» наблюдаются для полуволновых стенок в результате электродинамического согласования параметров падающей радиоволны и характеристик стенки обтекателя. Для таких стенок справедлива формула для электрической толщины стенки ϕ:It is known (Antenna fairings. Edited by A.N. Shpuntov, M.: Soviet radio, 1950. 264 s) that the best conditions for the passage of radio waves through the fairing wall, the best radio performance of the "antenna-radome" system are observed for half-wave walls as a result electrodynamic matching of the parameters of the incident radio wave and the characteristics of the fairing wall. For such walls, the formula for the electrical wall thickness ϕ is valid:

Figure 00000001
Figure 00000001

где d-толщина стенки; λ - длина радиоволны в свободном пространстве (воздухе); ε -диэлектрическая проницаемость материала.where d is the wall thickness; λ is the length of the radio wave in free space (air); ε is the dielectric constant of the material.

Для полуволновых стенок в случае использования идеального диэлектрика в качестве материала обтекателя (тангенс угла диэлектрических потерь tg δ=0) потери и отражение электромагнитной энергии радиоволн равны 0, что обеспечивает наилучшие радиотехнические характеристики обтекателя. Для реальных материалов (тангенс угла диэлектрических потерь tg δ>0) потери и отражение электромагнитной энергии радиоволн несколько возрастают в связи с тепловыми потерями в материале стенки и невозможностью, в этом случае, полного подавления отражения.For half-wave walls, in the case of using an ideal dielectric as the fairing material (dielectric loss tangent tan δ=0), the losses and reflection of the electromagnetic energy of radio waves are equal to 0, which ensures the best radio performance of the fairing. For real materials (dielectric loss tangent tan δ>0), the losses and reflection of electromagnetic energy of radio waves increase somewhat due to thermal losses in the wall material and the impossibility, in this case, of complete suppression of reflection.

Переменный угол падения радиоволн на стенку обтекателя в разных его зонах требует, согласно формуле (1), соответствующего изменения толщины стенки. Однако это крайне затруднительно на практике и даже невозможно в случае сканирующих антенных устройств, поскольку для случая сканирования одна и та же зона обтекателя подвергается облучению под разными углами.The variable angle of incidence of radio waves on the fairing wall in its different zones requires, according to formula (1), a corresponding change in the wall thickness. However, this is extremely difficult in practice and even impossible in the case of scanning antenna devices, since for the case of scanning, the same area of the fairing is exposed to radiation at different angles.

В такой ситуации происходит рассогласование электродинамических характеристик обтекателя и параметров стенки в различных локальных зонах, что может приводить к ухудшению радиотехнических характеристик реальных систем «антенна-обтекатель».In such a situation, there is a mismatch between the electrodynamic characteristics of the fairing and the parameters of the wall in various local zones, which can lead to a deterioration in the radio performance of real "antenna-radome" systems.

В связи с неизбежностью ухудшения радиотехнических характеристик обтекателя, работающего в широком диапазоне углов падения, является актуальной разработка технических предложений, обеспечивающих минимальное ухудшение его радиотехнических характеристик.In connection with the inevitable deterioration of the radio performance of a fairing operating in a wide range of angles of incidence, it is relevant to develop technical proposals that ensure minimal deterioration of its radio performance.

Известны радиопрозрачные обтекатели с однослойной конструкцией стенки, предназначенные для работы при переменных углах падения радиоволн на стенку обтекателя (патент РФ 2647563, кл. H01Q 1/42, 2006; патент РФ №2653185 кл. H01Q 1/42, 2006; патент РФ №2697516, кл. H01Q 1/42, 2006).Radiotransparent fairings with a single-layer wall structure are known, designed to operate at variable angles of incidence of radio waves on the fairing wall (RF patent 2647563, class H01Q 1/42, 2006; RF patent No. 2653185 class H01Q 1/42, 2006; RF patent No. 2697516 , class H01Q 1/42, 2006).

Оптимизация структур и размеров стенки в известных решениях базируется на среднем значении угла падения радиоволн на стенку обтекателя ϑср между минимальным ϑмин и максимальным ϑмакс значениями. Недостатком известных решений является то обстоятельство, что для оптимизации стенки используется среднее значение угла падения ϑср и соответствующая толщина стенки (по уравнению (1)), которая недостаточно точно определяет оптимальную толщину стенки, обеспечивающую наилучшие радиотехнические характеристики обтекателя во всем рабочем диапазоне значений угла падения от минимального значения ϑмин до максимального значения ϑмакс.Optimization of the structures and dimensions of the wall in known solutions is based on the average value of the angle of incidence of radio waves on the wall of the fairing ϑ cf between the minimum ϑ min and maximum ϑ max values. The disadvantage of the known solutions is the fact that the average value of the angle of incidence ϑ cf and the corresponding wall thickness (according to equation (1)) are used to optimize the wall, which does not accurately determine the optimal wall thickness that provides the best radio performance of the fairing in the entire operating range of the angle of incidence from the minimum value ϑ min to the maximum value ϑ max .

Наиболее близким техническим решением является обтекатель антенн (В.А. Каплун. Обтекатели антенн СВЧ. М.: Советское радио, 1974. 240 с.), содержащий стенку в форме колпака из диэлектрического материала, снабженный узлом крепления к летательному аппарату, с диэлектрической стекой, соответствующей полуволновой электрической толщине на рабочей частоте. Структура стенки обтекателя состоит из одного или нескольких слоев материала с известными частотно- независимыми значениями диэлектрической проницаемости в рабочей полосе частот. Геометрическая толщина стенки подбирается эквивалентной полуволновой электрической толщине на средней по диапазону частоте. Толщина стенки из диэлектрического материала рассчитывается по уравнениюThe closest technical solution is an antenna radome (V.A. Kaplun. Microwave antenna radomes. M.: Soviet radio, 1974. 240 p.), containing a cap-shaped wall made of dielectric material, equipped with an attachment to an aircraft, with a dielectric stack , corresponding to the half-wave electrical thickness at the operating frequency. The structure of the fairing wall consists of one or more layers of material with known frequency-independent values of the permittivity in the operating frequency band. The geometric wall thickness is selected to be equivalent to the half-wave electrical thickness at the average frequency over the range. The wall thickness of the dielectric material is calculated by the equation

Figure 00000002
Figure 00000002

К недостаткам данного технического решения следует отнести невозможность прямого использования формулы (2) для расчета оптимальной толщины стенки, обеспечивающей наилучшие радиотехнические показатели для переменных углов падения. Использование в формуле (2) среднего значения угла падения ϑ не является в достаточной мере точным результатом.The disadvantages of this technical solution include the impossibility of directly using formula (2) to calculate the optimal wall thickness, which provides the best radio performance for variable angles of incidence. The use in formula (2) of the average value of the angle of incidence ϑ is not a sufficiently accurate result.

Техническим результатом предполагаемого изобретения является улучшение радиотехнических характеристик обтекателя с однослойной конструкцией стенки в широком диапазоне значений угла падения радиоволн на стенку обтекателя.The technical result of the proposed invention is to improve the radio performance of a fairing with a single-layer wall structure in a wide range of angles of incidence of radio waves on the wall of the fairing.

Технический результат предполагаемого изобретения достигается за счет того, что в радиопрозрачном обтекателе, выполненном с однослойной конструкцией стенки криволинейной формы из диэлектрического материала, оптимальная толщина d стенки обтекателя, предназначенного для работы в широком диапазоне значений угла падения ϑ в различных зонах обтекателя от минимального значения ϑмин до максимального значения ϑмакс, рассчитывается по уравнению:The technical result of the proposed invention is achieved due to the fact that in a radio-transparent fairing made with a single-layer curvilinear wall structure made of a dielectric material, the optimal thickness d of the fairing wall is designed to operate in a wide range of angles of incidence ϑ in different areas of the fairing from the minimum value ϑ min up to the maximum value ϑ max , is calculated by the equation:

Figure 00000003
Figure 00000003

где n=1, 2 … - целое число, порядок полуволной стенки; λ - длина радиоволны в свободном пространстве (воздухе); ε - диэлектрическая проницаемость материала; rмин и rмакс коэффициенты Френеля;where n=1, 2 ... is an integer, the order of the half-wave wall; λ is the length of the radio wave in free space (air); ε is the dielectric constant of the material; r min and r max Fresnel coefficients;

Figure 00000004
Figure 00000004

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDISCLOSURE OF THE INVENTION

Изменение значений угла падения обусловлено как криволинейной формой обтекателя, так и конструкцией антенны, условиями сканирования.The change in the values of the angle of incidence is due to both the curvilinear shape of the fairing, and the design of the antenna, and scanning conditions.

Угол падения радиоволн на стенку обтекателя определяется как угол между направлением распространения радиоволны 1 (фиг. 1, 2), излучаемых антенной 2 (фиг. 1, 2), и нормалью 3 к поверхности обтекателя (фиг. 1, 2) в точке пересечения радиоволны со стенкой радиопрозрачного обтекателя 4 (фиг. 1, 2).The angle of incidence of radio waves on the wall of the fairing is defined as the angle between the direction of propagation of radio waves 1 (Fig. 1, 2) emitted by antenna 2 (Fig. 1, 2) and the normal 3 to the surface of the fairing (Fig. 1, 2) at the point of intersection of the radio wave with a wall of a radio-transparent fairing 4 (Fig. 1, 2).

Значения угла падения в современных радиоэлектронных системах варьируются в довольно широких пределах. Особенно сложные условия прохождения радиоволн характерны для радиопрозрачных обтекателей летательной техники, поскольку к таким обтекателям, кроме радиотехнических, предъявляются также требования по аэродинамическому обтеканию. Так, например, для высокоскоростных самолетов используются остроконечные носовые обтекатели, с формой, близкой к конической, в которых угол при вершине в ряде случаев составляет 30 - 40°. Угол падения радиоволн на стенку в таких носовых обтекателях достигает 70 - 75°.The values of the angle of incidence in modern electronic systems vary over a fairly wide range. Particularly difficult conditions for the passage of radio waves are typical for radio-transparent fairings of aircraft, since such fairings, in addition to radio engineering, also have requirements for aerodynamic flow around. So, for example, for high-speed aircraft, pointed nose cones are used, with a shape close to conical, in which the angle at the top in some cases is 30 - 40 °. The angle of incidence of radio waves on the wall in such nose cones reaches 70 - 75°.

Одним из важнейших показателей обтекателя, характеризующих его совершенство, является такой показатель как потери электромагнитной энергии (ЭМЭ) при прохождении радиоволн через стенку обтекателя. Низкие значения потерь ЭМЭ способствуют повышению дальности радиолокации, надежности связи, наименьшему искажению диаграммы направленности антенн.One of the most important indicators of the fairing, characterizing its perfection, is such an indicator as the loss of electromagnetic energy (EME) during the passage of radio waves through the wall of the fairing. Low values of EME losses contribute to increasing the range of radar, communication reliability, and the least distortion of the antenna pattern.

Отражение ЭМЭ также является весьма важной характеристикой обтекателя, поскольку низкие значения отражения обеспечивают пониженные потери ЭМЭ, снижение радиотехнической заметности радиоэлектронного антенного оборудования, уменьшение уровня внутренних переотражений радиоволн в системе «антенна - обтекатель», оказывающих негативное влияние на электрические параметры системы.EME reflection is also a very important characteristic of the radome, since low reflection values provide reduced EME losses, a decrease in the radio technical visibility of radio-electronic antenna equipment, and a decrease in the level of internal re-reflections of radio waves in the "antenna - radome" system, which have a negative impact on the electrical parameters of the system.

Авторами данного изобретения проведены расчетные эксперименты, которые позволили установить, что использование данного изобретения ведет к значительному улучшению радиотехнических характеристик обтекателя - таблица 1. Приведенные иллюстративные расчеты выполнены для следующих условий: частота радиоволны f=10 ГГц, диэлектрическая проницаемость материала обтекателя ε=4,5, тангенс угла диэлектрических потерь tg δ=0,015. Рассмотрен случай перпендикулярной ориентации плоскости поляризации радиоволн к плоскости падения.The authors of this invention carried out computational experiments, which made it possible to establish that the use of this invention leads to a significant improvement in the radio performance of the fairing - table 1. The given illustrative calculations are performed for the following conditions: radio wave frequency f=10 GHz, dielectric constant of the fairing material ε=4.5 , dielectric loss tangent tg δ=0.015. The case of a perpendicular orientation of the plane of polarization of radio waves to the plane of incidence is considered.

Figure 00000005
Figure 00000005

Figure 00000006
Figure 00000006

Анализ приведенных данных показывает безусловные преимущества обтекателя, выполненного по изобретению, по сравнению с обтекателем, изготовленным по прототипу по таким характеристикам как потери ЭМЭ, отражение ЭМЭ, искажение фазового фронта радиоволн после прохождения через стенку обтекателя.The analysis of the given data shows the absolute advantages of the fairing made according to the invention compared to the fairing made according to the prototype in terms of such characteristics as EME losses, EME reflection, distortion of the phase front of radio waves after passing through the fairing wall.

В подавляющем числе случаев радиопрозрачные обтекатели изготавливают в виде трехмерных оболочек. В этих случаях угол падения радиоволн на стенку обтекателя является переменным даже для наиболее простых систем, включающих неподвижные, не сканирующие антенны - фиг. 1.In the vast majority of cases, radiotransparent fairings are made in the form of three-dimensional shells. In these cases, the angle of incidence of radio waves on the fairing wall is variable even for the simplest systems, including fixed, non-scanning antennas - FIG. one.

Схема прохождения радиолучей через криволинейную стенку радиопрозрачного обтекателя:Scheme of the passage of radio beams through the curvilinear wall of the radio-transparent fairing:

1. радиоволна;1. radio wave;

2. антенна;2. antenna;

3. нормаль к поверхности обтекателя;3. normal to the fairing surface;

4. фрагмент стенки радиопрозрачного обтекателя.4. Fragment of the radio-transparent fairing wall.

В случае использования сканирующих, поворотных антенн, антенн типа ФАР углы падения являются переменными и в случае плоских форм обтекателя при разных углах электронного сканирования - фиг. 2.In the case of using scanning, rotary antennas, PAA type antennas, the angles of incidence are variable and in the case of flat radome shapes at different angles of electronic scanning - fig. 2.

Схема прохождения через плоскую стенку обтекателя радиоволн, излучаемых антенной типа ФАР:The scheme of passage through the flat wall of the fairing of radio waves emitted by the antenna type FAR:

1. радиоволна;1. radio wave;

2. антенна;2. antenna;

3. нормаль к поверхности обтекателя;3. normal to the fairing surface;

4. фрагмент стенки радиопрозрачного обтекателя.4. Fragment of the radio-transparent fairing wall.

Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает преимущество перед известными способами.Thus, the proposed technical solution provides an advantage over known methods.

Claims (4)

Радиопрозрачный обтекатель, выполненный с однослойной конструкцией стенки криволинейной формы из диэлектрического материала, отличающийся тем, что оптимальная толщина d стенки обтекателя, предназначенного для работы в широком диапазоне значений угла падения ϑ в различных зонах обтекателя от минимального значения ϑмин до максимального значения ϑмакс, рассчитывается по уравнению:A radio-transparent fairing made with a single-layer curvilinear wall structure made of a dielectric material, characterized in that the optimal wall thickness d of the fairing designed to operate in a wide range of angles of incidence ϑ in different areas of the fairing from the minimum value ϑ min to the maximum value ϑ max , is calculated according to the equation:
Figure 00000007
Figure 00000007
где n=1, 2, … - целое число, порядок полуволновой стенки; λ - длина радиоволны в свободном пространстве (воздухе); ε - диэлектрическая проницаемость материала; rмин и rмакс - коэффициенты Френеля;where n=1, 2, … is an integer, the order of the half-wave wall; λ is the length of the radio wave in free space (air); ε is the dielectric constant of the material; r min and r max - Fresnel coefficients;
Figure 00000008
Figure 00000008
RU2021106081A 2021-03-10 Radiotransparent fairing RU2772671C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2772671C1 true RU2772671C1 (en) 2022-05-24

Family

ID=

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5691736A (en) * 1995-03-28 1997-11-25 Loral Vought Systems Corporation Radome with secondary heat shield
US6028565A (en) * 1996-11-19 2000-02-22 Norton Performance Plastics Corporation W-band and X-band radome wall
RU2364998C1 (en) * 2008-02-05 2009-08-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" Broad-band blister
RU2647563C1 (en) * 2017-03-10 2018-03-16 Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г. Ромашина" Broadband "antenna-fairing" system
RU2653185C1 (en) * 2017-05-30 2018-05-07 Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г. Ромашина" Method of optimizing radio engineering characteristics of antenna fairing made of multicomponent material
RU2697516C1 (en) * 2018-10-22 2019-08-15 Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г. Ромашина" Antenna fairing (versions)

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5691736A (en) * 1995-03-28 1997-11-25 Loral Vought Systems Corporation Radome with secondary heat shield
US6028565A (en) * 1996-11-19 2000-02-22 Norton Performance Plastics Corporation W-band and X-band radome wall
RU2364998C1 (en) * 2008-02-05 2009-08-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" Broad-band blister
RU2647563C1 (en) * 2017-03-10 2018-03-16 Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г. Ромашина" Broadband "antenna-fairing" system
RU2653185C1 (en) * 2017-05-30 2018-05-07 Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г. Ромашина" Method of optimizing radio engineering characteristics of antenna fairing made of multicomponent material
RU2697516C1 (en) * 2018-10-22 2019-08-15 Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г. Ромашина" Antenna fairing (versions)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110085975B (en) Wing-borne low-scattering ultra-wideband conformal phased array based on strong coupling effect
CN112259961B (en) Multi-octave ultra-wideband antenna and conformal array antenna
Wang et al. A wideband conformal end-fire antenna array mounted on a large conducting cylinder
CN103700932B (en) A kind of miniaturized very high frequency(VHF) monopole type antenna
EP1958290A1 (en) Patch antenna element and application thereof in a phased array antenna
CN110176665B (en) Phased array antenna and phased array radar
Nayak et al. Design and simulation of compact UWB Bow-tie antenna with reduced end-fire reflections for GPR applications
WO2019090927A1 (en) Antenna unit and antenna array
Li et al. An L-band ultra wide-band Vivaldi antenna with wide beam angle
CN114094318A (en) Structure for realizing wide-band wide-angle scanning of microstrip antenna and microstrip antenna unit
RU2772671C1 (en) Radiotransparent fairing
Zhou et al. Radar cross section reduction for microstrip antenna using shaping technique
Wu et al. A novel conical horn antenna loaded with ball cone dielectric
Hong et al. A millimeter-wave radome with variable thickness for improvement of radiation patterns
CN209822869U (en) Coaxial transmission line directional antenna
Kisel et al. Reduction of the Radar Cross Section of Conformed Microstrip Antennas Using Metamaterials
Badawy et al. Slotted waveguide antenna integrated with printed Yagi-Uda director array
AU2021103887A4 (en) Multi-octave ultra-wideband antenna and conformal array antenna
De et al. Design and development of a unit element planar folded dipole end-fired antenna for aircraft collision avoidance system
Qiang et al. A conformai low-profile series-fed microstrip array for aircraft applications
RU217650U1 (en) Radiotransparent fairing of the navigation antenna system of the helicopter
Hamouda et al. Development of a miniaturized broadband blade antenna for aeronautical applications
Wen et al. Step-shaped cavity-backed antenna and wideband wide-angle impedance matching in planar phased array
KR102674283B1 (en) Phased Array Antenna Apparatus for Reducing Radar Cross Section
Gupta et al. Design and performance analysis of conformal antenna for C band wireless applications