RU61467U1

RU61467U1 - MULTI-LAYER RADIO-TRANSPARENT COVERAGE FOR ANTENNAS

Info

Publication number: RU61467U1
Application number: RU2006137170/22U
Authority: RU
Inventors: Юрий Петрович Виниченко; Юрий Георгиевич Гращенко; Евгений Викторович Малютин; Алла Ефимовна Туманская
Original assignee: Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Алмаз" имени академика А.А. Расплетина"
Priority date: 2006-10-23
Filing date: 2006-10-23
Publication date: 2007-02-27

Abstract

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в качестве укрытия для защиты антенн, преимущественно плоских фазированных антенных решеток (ФАР) от воздействия внешних факторов окружающей среды. Технический результат - уменьшении поляризационных искажений РПУ. Многослойное радиопрозрачное укрытие для антенн содержит N, расположенных параллельно друг другу, тонких слоев, между которыми помещены М=N-1 толстых слоев-наполнителей, выполненных в виде расположенных перпендикулярно тонким слоям перегородок. Тонкие слои и перегородки выполнены из одного или нескольких слоев одного и того же диэлектрического материала, например, стеклоткани, пропитанной клеем. Перегородки расположены в виде сотовой структуры из правильных шестигранников, размер сторон которых выбран меньшим половины длины волны в свободном пространстве. Эквивалентная диэлектрическая проницаемость N тонких слоев больше эквивалентной диэлектрической проницаемости М толстых слоев-наполнителей. 4 илл.The utility model relates to radio engineering and can be used as a shelter to protect antennas, mainly flat phased array antennas (PAR) from external environmental factors. The technical result is the reduction of polarization distortion RPU. The multilayer radiotransparent shelter for antennas contains N thin layers parallel to each other, between which M = N-1 thick filler layers are placed, made in the form of partitions arranged perpendicular to the thin layers. Thin layers and partitions are made of one or more layers of the same dielectric material, for example, fiberglass, impregnated with glue. The partitions are arranged in the form of a honeycomb structure of regular hexagons, the size of the sides of which is chosen to be less than half the wavelength in free space. The equivalent dielectric constant of N thin layers is greater than the equivalent dielectric constant M of thick filler layers. 4 ill.

Description

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в качестве укрытия для защиты антенн, преимущественно плоских фазированных антенных решеток (ФАР) от воздействия внешних факторов окружающей среды.The utility model relates to radio engineering and can be used as a shelter to protect antennas, mainly flat phased array antennas (PAR) from external environmental factors.

Известно радиопрозрачное защитное укрытие для антенной решетки, состоящее из пяти слоев, которые жестко соединены между собой с помощью смолы. Первый слой состоит из стеклопластикового материала, одна поверхность которого, соприкасающаяся с атмосферой, покрыта тефлоном, уменьшающим смачиваемость и поверхностное загрязнение, второй слой состоит из стеклопластикового армированного материала, пропитанного смолой, третий слой состоит из вспененного материала, четвертый слой состоит из стеклопластикового армированного материала, пропитанного смолой, пятый слой состоит из вспененного материала. Пятый слой контактирует с дипольными элементами антенной решетки, когда укрытие находится в рабочем положении, причем дипольные элементы антенной решетки образуют распределенную опору для укрытия. Первый, второй и четвертый слои тоньше третьего и пятого слоев. Толщины слоев выбираются так, чтобы минимизировать потери на отражение в определенном частотном диапазоне (US №4783666, H 01 Q 1/42, US C1. 343/872, 1988).A radio-transparent protective cover for an antenna array is known, consisting of five layers, which are rigidly interconnected by resin. The first layer consists of fiberglass material, one surface of which is in contact with the atmosphere, is coated with Teflon, which reduces wettability and surface contamination, the second layer consists of fiberglass reinforced material impregnated with resin, the third layer consists of foam material, the fourth layer consists of fiberglass reinforced material, impregnated with resin, the fifth layer consists of foam. The fifth layer is in contact with the dipole elements of the antenna array when the shelter is in the working position, and the dipole elements of the antenna array form a distributed support for the shelter. The first, second and fourth layers are thinner than the third and fifth layers. The thicknesses of the layers are selected so as to minimize reflection losses in a certain frequency range (US No. 4783666, H 01 Q 1/42, US C1. 343/872, 1988).

Недостатком данного радиопрозрачного защитного укрытия является сложность конструкции, наличие в ее составе армированного стеклопластикового материала, что может приводить к существенным искажениям поляризационных характеристик проходящего через радиопрозрачное защитное укрытие электромагнитного поля.The disadvantage of this radiotransparent protective shelter is the complexity of the design, the presence of reinforced fiberglass material in its composition, which can lead to significant distortion of the polarization characteristics of the electromagnetic field passing through the radiotransparent protective shelter.

Наиболее близким к полезной модели (прототипом) является радиопрозрачное защитное антенное укрытие для защиты плоской антенны от обледенения, содержащее первый и второй тонкие слои (панели) из жесткого материала с небольшой диэлектрической проницаемостью, например, поликарбоната, расположенные параллельно плоскости антенны, и между ними - третий слой-наполнитель, выполненный в виде расположенных перпендикулярно первым двум слоям и параллельные друг другу перегородок, образующих каналы для циркуляции теплого воздуха, обеспечивающего оттаивание антенного укрытия (FR №2631745, H 01 Q 1/42, 1989).Closest to the utility model (prototype) is a radiotransparent protective antenna cover to protect a flat antenna from icing, containing the first and second thin layers (panels) of hard material with a small dielectric constant, for example, polycarbonate, parallel to the antenna plane, and between them - the third filler layer, made in the form of perpendicular to the first two layers and parallel to each other partitions, forming channels for the circulation of warm air, providing ttaivanie antenna shelters (FR №2631745, H 01 Q 1/42, 1989).

Причина, препятствующая достижению указанного ниже технического результата при использовании известного радиопрозрачного защитного антенного укрытия, заключается в следующем. Наличие параллельных перегородок для циркуляции воздуха приводит к искажениям поляризационных характеристик проходящего через радиопрозрачное укрытие (РПУ) электромагнитного поля вследствие существенного различия коэффициентов прохождения Кпр для перпендикулярной и параллельной составляющих поляризации поля. Это различие особенно велико на больших, до 60°, углах падения электромагнитной волны, что ухудшает качество работы антенны и подключенного к ней радиотехнического устройства.The reason that impedes the achievement of the technical result indicated below when using the known radio-transparent protective antenna cover is as follows. The presence of parallel baffles for air circulation leads to distortion of the polarization characteristics of the electromagnetic field passing through the radiolucent shelter (RPU) due to a significant difference in the transmission coefficients Kpr for the perpendicular and parallel components of the polarization of the field. This difference is especially large at large, up to 60 °, angles of incidence of the electromagnetic wave, which degrades the quality of the antenna and the connected radio equipment.

Задачей полезной модели является разработка и создание механически прочного и простого по конструкции РПУ с улучшенными поляризационными характеристиками для защиты антенн от воздействия внешних факторов окружающей среды. Технический результат, достигаемый при осуществлении полезной модели, выражается в уменьшении поляризационных искажений РПУ.The objective of the utility model is the development and creation of mechanically robust and simple in design RPU with improved polarization characteristics to protect the antennas from external environmental factors. The technical result achieved by the implementation of the utility model is expressed in the reduction of polarization distortions of the RPU.

Указанный технический результат достигается тем, что в известное радиопрозрачное укрытие, содержащее первый и второй тонкие слои, расположенные параллельно, и между ними - первый толстый слой-наполнитель, выполненный в виде расположенных перпендикулярно первым двум слоям перегородок, согласно изобретению дополнительно введены тонкие слои до общего их количества N и дополнительные толстые слои-наполнители до общего их количества М=N-1, расположенные вперемешку с тонкими слоями, при этом N тонких слоев и перегородки толстых слоев-наполнителей выполнены из одного и того же диэлектрического материала, например, стеклоткани, пропитанной клеем, причем перегородки толстых слоев-наполнителей расположены в виде сотовой структуры из правильных шестигранников, размер сторон которых выбран меньшим половины длины волны в свободном пространстве, а эквивалентная диэлектрическая проницаемость N тонких слоев больше эквивалентной диэлектрической проницаемости М толстых слоев-наполнителей.The specified technical result is achieved by the fact that in the known radiotransparent shelter containing the first and second thin layers located in parallel, and between them is the first thick layer of filler, made in the form of perpendicular to the first two layers of partitions, according to the invention, thin layers are added to the general their number N and additional thick filler layers up to their total number M = N-1, mixed with thin layers, while N thin layers and partitions of thick layers will fill Lei are made of the same dielectric material, for example, fiberglass impregnated with glue, and the walls of the thick filler layers are arranged in the form of a honeycomb structure of regular hexagons, the size of the sides of which is chosen to be less than half the wavelength in free space, and the equivalent dielectric constant N is thin layers more than the equivalent dielectric constant M of thick filler layers.

Полезная модель поясняется чертежами, на которых представлены: фиг.1 - схематичное изображение конструкции 9-слойного РПУ; фиг.2 - схематичное изображение 3-слойного фрагмента конструкции РПУ; фиг.3 - график расчетных СВЧ-потерь (L) энергии; фиг.4 - график изменения коэффициента эллиптичности (Ке) для электромагнитного поля круговой поляризации.The utility model is illustrated by drawings, in which: FIG. 1 is a schematic illustration of the structure of a 9-layer RPU; figure 2 - schematic representation of a 3-layer fragment of the design of the RPU; figure 3 is a graph of the calculated microwave losses (L) of energy; 4 is a graph of changes in the coefficient of ellipticity (Ke) for the electromagnetic field of circular polarization.

Многослойное радиопрозрачное укрытие для антенн (фиг.1) представляет собой Multilayer radiotransparent shelter for antennas (figure 1) is a

неразъемную конструкцию, которая содержит N расположенных параллельно друг другу тонких слоев, например, 1₁...1₅ для 9-слойного РПУ, между которыми помещены М=N-1 толстых слоев-наполнителей 2₁...2₄. Толстые слои-наполнители выполнены в виде установленных перпендикулярно тонким слоям 1 перегородок 3 в виде ячеистой структуры 4 из правильных шестигранников с воздушными промежутками по типу пчелиных сот (фиг.2). Тонкие слои 1₁...1_N и перегородки 3 выполнены из одного или нескольких слоев одного и того же материала диэлектрического материала, например, пропитанной клеем стеклоткани Т-3 ГОСТ 19170-80. В случае выполнения тонких слоев 1₁...1_N и перегородок 3 многослойными они скрепляются между собой с помощью такого же клея, в качестве которого может быть использован, например, клей марки БФ-2 ГОСТ 12172-74. Перегородки 3 своими торцами жестко соединены с тонкими слоями 1 при помощи указанного клея. Толщины d тонких слоев 1₁...1_N и высоты D слоев-наполнителей 2₁...2_м выбираются из условия минимизации потерь на отражение электромагнитной энергии при удовлетворении требований к механическим характеристиками РПУ. При этом длина S сторон правильного шестигранника ячейки сотовой структуры 4 в каждом слое-наполнителе 2 должна быть меньшей половины длины волны в диапазоне рабочих волн, а эквивалентная диэлектрическая проницаемость N тонких слоев - больше эквивалентной диэлектрической проницаемости М толстых слоев-наполнителей.one-piece construction, which contains N parallel thin layers, for example, 1 ₁ ... 1 ₅ for a 9-layer RPU, between which M = N-1 thick layers of fillers 2 ₁ ... 2 ₄ are placed. Thick layers-fillers made in the form of perpendicular to the thin layers 1 of the partitions 3 in the form of a cellular structure 4 of regular hexagons with air gaps according to the type of bee honeycombs (figure 2). Thin layers 1 ₁ ... 1 _N and partitions 3 are made of one or more layers of the same material of a dielectric material, for example, T-3 fiberglass impregnated with glue GOST 19170-80. In the case of thin layers 1 ₁ ... 1 _N and partitions 3 multilayer, they are fastened together using the same adhesive, which can be used, for example, adhesive brand BF-2 GOST 12172-74. Partitions 3 with their ends are rigidly connected to thin layers 1 using the specified glue. The thicknesses d of the thin layers 1 ₁ ... 1 _N and the height D of the filler layers 2 ₁ ... 2 _m are selected from the condition of minimizing the loss of reflection of electromagnetic energy while satisfying the requirements for the mechanical characteristics of the RPU. The length S of the sides of the regular hexagon of the cell of the honeycomb structure 4 in each filler layer 2 should be less than half the wavelength in the operating wavelength range, and the equivalent dielectric constant N of the thin layers should be greater than the equivalent dielectric constant M of the thick filler layers.

Отличительной особенностью заявленного РПУ является то, что с одной стороны, тонкие слои 1₁...1_N и перегородки 3 толстых слоев-наполнителей 2₁...2_м выполнены из однородного материала, а с другой стороны, диэлектрическая проницаемость слоя-наполнителя в виде сотовой структуры 4 существенно меньше, чем у тонкого слоя, т.к. внутри него находится воздух. Сочетание правильной геометрии слоев РПУ и однородность материалов слоев обеспечивают изотропность пространства структуры РПУ в плоскости раскрыва антенны, следствием чего является уменьшение поляризационных искажений проходящей через РПУ электромагнитной волны. Кроме того, подбором количества N тонких и М толстых слоев РПУ достигаются его заданные прочностные характеристики.A distinctive feature of the claimed RPU is that, on the one hand, thin layers 1 ₁ ... 1 _N and partitions 3 of thick layers of fillers 2 ₁ ... 2 _{m are} made of a homogeneous material, and on the other hand, the dielectric constant of the filler layer in the form of a honeycomb structure 4 is significantly smaller than that of a thin layer, because inside it is air. The combination of the correct geometry of the RPU layers and the homogeneity of the layer materials ensure the isotropic space of the RPU structure in the aperture plane of the antenna, which results in a decrease in polarization distortions of the electromagnetic wave passing through the RPU. In addition, by selecting the number N of thin and M thick RPU layers, its desired strength characteristics are achieved.

Радиопрозрачность укрытия характеризуется коэффициентом прохождения Кпр по мощности в заданном секторе углов θ падения электромагнитной волны. Характеристики рассеяния электромагнитного поля при его прохождении через многослойное РПУ определялись путем решения граничной задачи электродинамики для системы плоских диэлектрических слоев. При наложении условий непрерывности тангенциальных составляющих электромагнитного поля на границах слоев исходная задача сводится к The radio transparency of the shelter is characterized by the transmission coefficient of CRC in power in a given sector of angles θ of incidence of the electromagnetic wave. The characteristics of the scattering of an electromagnetic field as it passes through a multilayer RPU were determined by solving the boundary-value problem of electrodynamics for a system of plane dielectric layers. When the conditions for the continuity of the tangential components of the electromagnetic field at the boundaries of the layers are imposed, the initial problem is reduced to

системе линейных алгебраических уравнений относительно комплексных амплитуд поля в каждом слое. Из решения этой системы определялись суммарные комплексные коэффициенты отражения Котр и прохождения Кпр многослойной структуры для параллельной и перпендикулярной поляризации плоской волны в зависимости от угла ее падения θ на РПУ. На основе полученных соотношений была создана математическая модель для анализа электрических характеристик РПУ, по которой проводились все последующие расчеты на ПЭВМ с выбором толщины d тонких слов 1 и высоты D толстых слоев-наполнителей 2, обеспечивающих минимальное отражение в заданном диапазоне частот и углов падения θ.a system of linear algebraic equations for the complex field amplitudes in each layer. From the solution of this system, we determined the total complex reflection coefficients of Kotr and the passage of Kpr of a multilayer structure for parallel and perpendicular polarization of a plane wave depending on its angle of incidence θ on the RPU. Based on the obtained relations, a mathematical model was created for analyzing the electrical characteristics of the RPU, according to which all subsequent PC calculations were performed with the choice of the thickness d of thin words 1 and the height D of thick filler layers 2, which provide minimal reflection in a given frequency range and incidence angles θ.

В примере осуществления полезной модели в виде 3-слойного РПУ (фиг.2) с толщиной d=1 мм тонких слоев 1₁, 1₂ и высотой D=15 мм слоя-наполнителя 2 получены следующие электрические характеристики:In an example implementation of a utility model in the form of a 3-layer RPU (FIG. 2), the following electrical characteristics were obtained with a thickness d = 1 mm of thin layers 1 ₁ , 1 ₂ and a height D = 15 mm of filler layer 2:

эквивалентная диэлектрическая проницаемость тонких слоев ε₁=3,5;the equivalent dielectric constant of thin layers ε ₁ = 3,5;

тангенс угла потерь тонких слоев tg δ₁=0,01;loss tangent of thin layers tan δ ₁ = 0.01;

эквивалентная диэлектрическая проницаемость слоя-наполнителя ε₂=1,08;equivalent dielectric constant of the filler layer ε ₂ = 1.08;

тангенс угла потерь слоя-наполнителя tg δ₂=0,0007.the loss tangent of the filler layer tg δ ₂ = 0.0007.

Расчетные потери электромагнитной энергии L и коэффициент эллиптичности Ке электромагнитного поля круговой поляризации, прошедшего через данное 3-слойное РПУ на частотах 1 ГГц и 2 ГГц, представлены в виде графиков, соответственно, на фиг.3, фиг.4. Видно, что для углов падения волны θ≤60° потери L не превосходят 0,15 дБ, а коэффициент эллиптичности Ке>25 дБ (Ке>0,97 по полю) в рабочей полосе, равной 67,3%.The calculated loss of electromagnetic energy L and the ellipticity coefficient Ke of the electromagnetic field of circular polarization transmitted through this 3-layer RPU at frequencies of 1 GHz and 2 GHz are presented in graph form, respectively, in Fig. 3, Fig. 4. It can be seen that for wave angles θ≤60 ° the loss L does not exceed 0.15 dB, and the ellipticity coefficient Ke> 25 dB (Ke> 0.97 in the field) in the working band equal to 67.3%.

Использование полезной модели позволяет обеспечить минимальные поляризационные искажения поля, защищенность укрываемой антенны от внешних неблагоприятных атмосферных факторов РПУ. Конструкции РПУ удовлетворяют заданным требованиям по радиопрозрачности и механической прочности, что обеспечивает их многолетнюю работоспособность в любых климатических условиях на суше и море.Using the utility model allows to ensure minimal polarization distortion of the field, the protection of the covered antenna from external adverse atmospheric factors of RPU. RPU designs meet the specified requirements for radio transparency and mechanical strength, which ensures their long-term operability in any climatic conditions on land and sea.

Claims

A multilayer radiotransparent shelter for antennas containing N, parallel to each other, thin layers, between which M = N-1 thick layers of fillers are placed, made in the form of perpendicular thin layers of partitions, while thin layers and partitions are made of one or more layers of the same dielectric material, for example, fiberglass, impregnated with glue, partitions are arranged in the form of a honeycomb structure of regular hexagons, the size of the sides of which is chosen to be less than half wave in free space, and the equivalent permittivity N thin layers of more than the equivalent dielectric constant M of thick layers of filler.