КОНФОРМНАЯ СПИРАЛЬНАЯ АНТЕННА

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве одиночной конформной спиральной антенны или в составе антенных систем различного назначения, в частности в системах пеленгации и сопровождения.

Развитие конформных антенн, т.е. полностью повторяющих форму поверхности, на которой они размещены, связано с необходимостью установки под обшивкой летательных аппаратов (ЛА) антенн с большой апертурой и антенн, работающих в диапазонах очень высоких (ОВЧ) и ультравысоких (УВЧ) частот. Конформное исполнение существенно уменьшает размеры, занимаемые антенной в условиях ограниченного объема ЛА, часто делает принципиально возможной реализацию антенны, а также может обеспечить ее пригодность для использования в качестве скрытой антенны.

Форма конформных антенн определяется, прежде всего, не электромагнитными, а аэродинамическими требованиями к летательному аппарату, на котором они размещены, и в значительной степени зависит от места установки (А.Н. Дементьев, Д.С. Клюев, Ю.В. Соколова. Расчет входного сопротивления полоскового вибратора, конформно расположенного на диэлектрическом цилиндре. Радиотехника и электроника. 2017 г. том 62, 11. с. 1061-1066).

Так на самолете конформные антенны могут размещаться в нижней части фюзеляжа и иметь конфигурацию плоских или слабоизогнутых поверхностей. В носовой части летательного аппарата конформные антенны в большинстве случаев располагаются на поверхности конуса или вытянутого тела вращения. В условиях размещения большого количества антенн и радиоэлектронных средств различного назначения иногда целесообразно и единственно возможно установить антенны в кромках крыльев, килей и т.п. Антенны при этом помещают под обтекателями, являющимися частью крыла, киля и т.п. и имеющими малый радиус кривизны поверхности на кромках. В отдельных случаях антенне придают аэродинамическую форму и устанавливают ее перед кромкой крыла или киля.

Известна едва ли не первая конформная спиральная антенна, выполненная на базе плоских архимедовых спиралей, работающих в режимах осевого и нормального излучения (Сверхширокополосные антенны. Под редакцией Л.С. Бененсона. Издательство «Мир», Москва, 1964 г., стр. 193-217). В статье указано, что основная задача заключалась в разработке легкой не выступающей антенны. Антенна устанавливалась заподлицо с поверхностью высокоскоростных летающих объектов и ее снабжали обтекателем в виде дополнительной пластинки из фибергласа для защиты от внешних воздействий. Антенна имела удовлетворительные радиотехнические характеристики (РТХ) и нормально работала при средней мощности 500 Вт. К недостаткам антенны можно отнести ее плоское исполнение, исключающее конформную установку на криволинейных поверхностях.

Размещение сверхширокополосных спиральных антенн в кромках крыльев под обтекателями встречает значительные трудности, тем более что современные высокоскоростные летательные аппараты имеют тонкие крылья и, соответственно, длинные обтекатели с малыми радиусами кривизны поверхности на кромке. Известна сверхширокополосная спиральная антенна (патент РФ №2422954), представляющая собой комбинацию плоской и полусферической двузаходных спиралей. Форма антенны близка к полусферической без выступающих за пределы излучающей структуры элементов, что позволяет удобно вписываться в аэродинамически выгодную или целесообразную с точки зрения компоновки форму летательного аппарата. Габаритные размеры антенны (относительно λ_ниж - длины волны, соответствующей нижней частоте рабочего диапазона) - диаметр 0,16λ_ниж, длина 0,12λ_ниж. Даже такую электрически малогабаритную антенну разместить под обтекателем в отсеке длиной 0,5λ_ниж и высотой 0,3λ_ниж из-за возникших значительных искажений диаграмм направленности (ДН) не удается, антенны установлены перед кромками крыльев.

Трудности еще более возрастают при размещении антенн, работающих в УВЧ диапазоне вплоть до нижнего предела, когда высота отсека в длинах волн уменьшается до 0,25λ_ниж, а диаметр антенны не может превышать 0,15λ_ниж.

Наиболее близкой к предлагаемой конформной спиральной антенне является компактная спиральная антенна (патент РФ №2582908), содержащая плоскую спираль, симметрирующее устройство в виде «бесконечного» трансформатора, поглотитель и экран, которая может изгибаться по поверхностному профилю места ее размещения. Для улучшения радиотехнических характеристик (РТХ) в антенне используются малоразмерные спиральные структуры из тонкой проволоки, а выходные концы ветвей спирали удлиняются свободными концами, выходящими за габариты антенны. Антенна имеет удовлетворительные РТХ в диапазоне УВЧ с перекрытием по частоте 10:1. Недостатками данной антенны являются, усложненная конструкция спирали из-за применения малоразмерных спиральных структур из проволоки и удлиненные концы кабелей спирали, выходящие за габариты антенны. Кроме того, изготовление профилированного поглотителя необходимой кривизны технологически достаточно сложно. В связи с этим антенне может быть придана лишь форма поверхности с большим радиусом кривизны, как у тел вращения носовой части ЛА (усеченного конуса, как указано в описании изобретения).

Целью настоящего изобретения является разработка конформной спиральной антенны, располагающейся на части поверхностей, прилегающих к кромке крыла, киля и т.п.летательного аппарата и работающей в диапазоне УВЧ вплоть до нижней частоты.

Указанная цель достигается тем, что в спиральной антенне излучатель в виде двузаходной спирали, изготовленный методом фотохимического травления гибкой плоской поверхностно металлизированной диэлектрической пластины, изгибается по форме части поверхностей, прилегающих к кромке крыла, киля и т.п., и устанавливается вместо металлической обшивки.

На рис. 1 изображена конструкция конформной спиральной антенны, где 1 - излучатель, 2 - фидер, 3 - радиопрозрачная стенка, 4 - резонатор, 5 - поглотитель.

Излучатель (1) подключен к питающему фидеру (2). От внешних воздействий излучатель защищен радиопрозрачной стенкой (3), повторяющей его форму. Роль резонатора (4) выполняет отсек крыла, киля и т.п., внутренние стенки которого закрыты поглотителем (5). Кромка и прилегающие к ней части поверхностей крыла, киля и т.п., в общем случае, могут быть частью клиновидной или цилиндрической поверхности, направляющей которой служит кривая второго порядка - эллипс, гипербола, парабола (Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. ОГИЗ. Москва, Ленинград. 1948 г., стр. 228-237) или оживальная кривая. При этом кромка крыла, киля и т.п.должна совпадать с вершинами направляющих цилиндрических поверхностей (на большой оси эллипса или на действительной оси гиперболы, или на оси параболы) или с ребрами клиновидной или цилиндрической поверхности с оживальной образующей. Радиусы кривизны направляющих в виде кривых второго порядка в их вершинах на указанных осях минимальны и равны фокальным параметрам кривых. Радиусы кривизны клиновидной и цилиндрической поверхностей с оживальной образующей на их ребрах равны нулю.

Радиусы кривизны аппроксимирующих клиновидной и цилиндрических поверхностей, переменные и минимальные на кромке крыла, киля и т.п., могут быть очень малыми по сравнению с радиусами кривизны поверхностей тел вращения, аппроксимирующих фюзеляж и носовую часть летательного аппарата.

Удовлетворительные радиотехнические характеристики предлагаемой конформной спиральной антенны и ее работоспособность вплоть до нижней частоты диапазона УВЧ обеспечиваются тем, что излучатель антенны выполнен полноразмерным. Размер излучающей структуры определяется не высотой отсека, ограничивающей возможный диаметр антенны, помещенной внутрь него, а поверхностью, огибающей этот отсек. Диаметр двузаходной спирали, равный 0,36λ_ниж, при противофазном возбуждении ветвей спирали питающим фидером достаточен для получения осевого излучения с максимумом в направлении, перпендикулярном поверхности спирали даже на нижней частоте диапазона УВЧ при максимальной высоте отсека 0,25λ_ниж. Наличие резонатора обеспечивает однолепестковые диаграммы направленности антенны.

Таким образом, разработана конформная спиральная антенна, располагающаяся на части поверхностей, прилегающих к кромке крыла, киля и т.п. летательного аппарата, и работающая в сверхширокополосном диапазоне УВЧ вплоть до нижней частоты.

Изготовлен и проверен макет конформной спиральной антенны, расположенной на части поверхностей, прилегающих к передней кромке крыла высокоскоростного самолета. Верхняя и нижняя части поверхностей крыла аппроксимировались ветвями парабол с разными фокальными параметрами: верхняя - фокальный параметр и радиус кривизны на кромке равен 0,0065λ_ниж, нижняя - фокальный параметр и радиус кривизны на кромке равен 0,0045λ_ниж. Размеры отсека крыла в месте расположения антенны - высота 0,25λ_ниж, длина 0,4λ_ниж. Макет имеет удовлетворительные

РТХ в непрерывном диапазоне УВЧ с перекрытием 6:1 и работает вплоть до нижней частоты диапазона. Антенна с успехом может использоваться в составе приемного модуля амплитудного пеленгатора.