книги из ГПНТБ / Каплун, В. А. Обтекатели антенн СВЧ (радиотехнический расчет и проектирование)
.pdfВ - A * H А Я Л
ОБТЕКАТЕЛИ
V
АНТЕНН СВЧ
«#■% ?
В. А. КАПЛУН
ОБТЕКАТЕЛИ АНТЕНН СВЧ
(РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ)
МОСКВА «СОВЕТСКОЕ РАДИО» 1974
УДК 621.396.67:629.7.028.6.001.4
h / - l 40? f
В. А. К а п л у н. Обтекатели антенн СВЧ (Радиотехнический расчет и проектиро вание). М ., «Сов. радио», 1974, 240 стр.
В книге рассматриваются вопросы электродинамического расчета обтекате лей СВЧ антенн, предназначенных для работы ііа современных летающих объек тах, а также пути и методы улучшения их радиотехнических характеристик. Существенное внимание уделено задачам прохождения электромагнитных волн через диэлектрические элементы различных конструкции, в том числе много слойные и с включенными в них периодическими решетками металлических элементов. Приведены данные по радиотехническому расчету некоторых кон кретных типов радиопрозрачных обтекателей.
Приведенный материал позволит выбрать наиболее рациональную конструкцию обтекателя для достижения нужных радиотехнических параметров в заданных диапазонах волн (в том числе и совмещенных) при учете новых специфических форм обтекателей и условий их эксплуатации.
Книга предназначена для специалистов, работающих в области обтекателей СВЧ антенн, а также в ряде других областей прикладной электродинамики; она может быть полезна для студентов и аспирантов соответствующих специаль ностей.
4 табл., 140 рис., 104 библ. назв.
Редакция литературы по вопросам космической радиоэлектроники
30404— 037 К 046(01)— 74 28-73
© Издательство «Советское радио», 1974
ПРЕДИСЛОВИЕ
В связи с широким использованием на современных летающих объектах средств радиолокации разработка радиопрозрачных обтекателей для них является доста точно важной и актуальной задачей.
Назначение обтекателей — защита антенных устройств радиолокационных станций от воздействия окружающей среды в условиях полета. Исходя из этого, обтекатели должны удовлетворять сложному комплексу противоре чивых требований: аэродинамических, термических, ра диотехнических, механических. Требования эти при сверхзвуковых скоростях полета современных объек тов существенно усложняются, так как улучшение аэродинамических форм, повышение механической проч ности и термостойкости обтекателей противоречит инте ресам радиотехники, приводя к значительному ухудше нию их радиопрозрачности и к искажениям диаграмм направленности антенн. Следствием этого является умень шение дальности действия РЛС и серьезные ухудшения их точностных характеристик. Особую роль при этом играют угловые ошибки, создаваемые обтекателями в оп ределении линии пеленга цели (являющиеся следствием искажений диаграмм направленности), приводящие час то к полному нарушению работы ряда типов РЛС.
Поэтому одной из важнейших задач при разработке обтекателей является решение радиотехнических вопро сов и, в частности, достижение необходимых уровней ра диопрозрачности/обтекателей и уменьшение искажений характеристик излучения антенн. Эти задачи при необхо димости должны решаться не только для фиксированной волны, но также для достаточно широкого диапазона волн или для нескольких разнесенных по частотной шка ле диапазонов.
Большие скорости полета объектов и повышенная ма невренность последних вызывают появление значитель ных механических нагрузок на обтекателях, сущест венный аэродинамический нагрев их поверхности (часто до 1000° С и выше), эрозию за счет атмосферных осад ков, а в некоторых случаях электризацию диэлектри ческой части обтекателей, их обледенение и т. п. Все эти факторы должны учитываться при решении основной за дачи — достижении требуемых радиотехнических пара метров обтекателей.
Таким образом, очевидно, что разработка современ ных обтекателей — сложная задача, требующая совмест-
ной работы ряда специалистов и использования послед них достижений прикладной электродинамики, материало ведения, технологии и т. д.
За последние годы в периодической, преимущественно зарубежной, печати появился ряд публикаций, посвя щенных обтекателям СВЧ антенных систем. Большинство материалов при этом посвящено вопросам технологии производства обтекателей и специальных диэлектриков для них, а также методам и результатам различных видов их испытаний’ (механических, термических, климати ческих, реже — радиотехнических).
Материалов же, посвященных вопросам электродина мического расчета обтекателей, улучшения их радиотех нических характеристик, методам наиболее рационально го их проектирования для достижения нужных радиотех нических характеристик в заданных диапазонах волн при учете новых специфических форм обтекателей и усло вий их эксплуатации, опубликовано чрезвычайно мало. Вышедшая в 1950 году переводная книга «Обтекатели антенн», посвященная этим вопросам, в настоящее время в значительной степени устарела и не отвечает требова ниям современной техники.
Настоящая книга имеет своей целью в какой-то мере восполнить этот пробел и систематизированно изложить накопленный за последние годы материал по вопросам электродинамического расчета и проектирования радиопрозрачных обтекателей, предназначенных для эксплуата ции на летающих объектах.
Книга будет полезна специалистам, работающим не только в области обтекателей СВЧ антенн, но и в ряде других областей прикладной электродинамики, а также студентам старших курсов вузов радиотехнического про филя и аспирантам.
Автор отдает себе отчет в том, что данная книга не ли шена недостатков; он с благодарностью воспримет все критические замечания. Несомненному улучшению книги способствовало тщательное ее рецензирование, выполнен ное профессором Д. И. Воскресенским и доктором техни ческих наук А. И. Шпунтовым. Автор выражает им глу бокую благодарность. Автор считает своим долгом также поблагодарить своих коллег кандидатов технических наук Л. М. Тимофеева и В. В. Абрамова, оказавших помощь при написании 4-й и 5-й глав книги.
ГЛАВА 1
ОБТЕКАТЕЛИ СВЧ АНТЕНН
1.1. ВЛИЯНИЕ ОБТЕКАТЕЛЕЙ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ АНТЕНН, ТИПЫ ОБТЕКАТЕЛЕЙ
Назначение обтекателей — защита антенных систем радиолока ционных станций от воздействия внешней среды. Их форма при разме щении налетающих объектах определяется конфигурацией антенных устройств, местом расположения последних и внешними обводами объекта.
Радиопрозрачные обтекатели должны удовлетворять сложному комплексу требований и их разработка включает в себя решение воп росов электродинамического, аэродинамического и технологического характера.
Оптимальное решение задачи должно привести к такой конструкции обтекателя, при которой наряду с хорошими аэродинамическими фор мами, достаточными механической прочностью, термостойкостью и стойкостью к воздействию климатических факторов он оказывал бы минимальное влияние на характеристики излучения антенны.
При заданной форме и прочностных характеристиках обтекателей основная тяжесть при их разработке ложится на решение вопросов электродинамического характера.
Электромагнитная энергия, излучаемая или принимаемая антен ной, частично проходит сквозь обтекатель, а частично поглощается и отражается им.
Благодаря .использованию на практике диэлектриков с достаточно малыми потерями, поглощением энергии стенками обтекателей в пер вом приближении можно пренебречь. Величина коэффициента про хождения энергии (или просто коэффициента прохождения) — мера качества обтекателя; разработчик должен стремиться к достижению максимального коэффициента прохождения. Энергия, не прошедшая через обтекатель, отражается его поверхностью и, рассеиваясь в про странстве, является причиной дополнительных помех в работе стан ции. Прошедшая и отраженная энергия (при отсутствии поглощения) связаны законом сохранения энергии.
Высокий коэффициент прохождения обтекателя должен сочетаться с возможно меньшими искажениями фазового фронта прошедшей вол ны, приводящими к изменениям формы и пространственной ориентации диаграммы направленности и, как следствие, к помехам в приеме сиг-
налов от цели (рис. 1.1). Фазовые искажения связаны с прохождением плоской волны через неплоскую поверхность обтекателя.
При работе обтекателей с антеннами, в которых пеленгация цели осуществляется с помощью конической развертки луча или моноим пульсной схемы, изменение направления максимального излучения и искажения формы главного лепестка диаграммы направленности при-
Рис. 1.1. Искажение фазового фронта волны обтекателем.
водят к смещению линии визирования цели (равносигнальной зоны антенны рис. 1.2). Так как при слежении за целью антенна перемещает ся внутри обтекателя, то в общем случае смещение Да Линии визиро вания является функцией угла поворота антенны а. Зависимость Да = = / (а) для плоскости сечения обтекателя I—I показана на рис. 1.3, а; для плоскости сечения II—II — на рис. 1, 3, б. Таким образом, видно,
Рис. 1.2. Угловая ошибка в визировании цели, обусловленная обтекателем.
что форма и крутизна кривой Да = / (а) (градиент угловой ошибки Да/а) зависит отщлоскости сканирования антенны и, благодаря век торному характеру электромагнитного поля, от ориентации относитель но этой плоскости вектора поляризации (рис. 1.3).
Смещение линии визирования цели обтекателем (и особенно боль шие градиенты этого смещения) в большинстве случаев приводит к су щественным ошибкам в работе различных радиолокационных систем.
Сложный характер кривых Да = / (а), их зависимость от формы обтекателя, поляризации электромагнитного поля, характера цели и т. п. чрезвычайно усложняют задачу коррекции угловых ошибок Да в станции электрическими способами. Почти единственный путь, ко торый представляется целесообразным в этом направлении, — разработ
6
ка обтекателей, создающих малые ошибки Да при всех положениях антенны. Часто эта задача является для конструктора обтекателей за дачей первостепенной важности.
Рассмотрим основные типы обтекателей.
Во-первых, следует выделить группу носовых обтекателей, уста навливаемых в передней части летающего объекта и имеющих форму вытянутого тела вращения (рис. 1.4, а). Эти обтекатели, подверженные наибольшим механическим и термодинамическим нагрузкам, должны вместе с тем удовлетворять жестким радиотехническим требованиям. Основные из них — хорошая радиопрозрачность, малая величина
В плоскости 1-1
Рис. 1.3'. Характеристики угловых ошибок антенны в различных плоскостях пеленга:
а — в плоскости 1—1; б — в плоскости II—II.
угловых ошибок и в некоторых случаях малый градиент этих ошибок. Требования должны выполняться на одной или нескольких разнесен ных частотах. Размеры обтекателей — от небольших конусов с диамет ром основания (4—5) Кдо крупногабаритных тел вращения с параболи ческой или оживальной образующей с диаметром основания (20— 40) X*.
Во-вторых, можно отметить группу обтекателей, устанавливаемых в нижней части фюзеляжа объекта (рис. 1.4, б) и используемых для за щиты антенных устройств навигационных или сходных с ними РЛС. Предъявляемые к ним радиотехнические требования сводятся к полу чению достаточно высокой радиопрозрачности и малых искажений диаграммы направленности при работе на одной или нескольких вол нах. Размеры обтекателей этой группы, как правило, достаточно боль шие (длина ~ 2,5 — 3 м и более); к ним предъявляются также жест кие механические требования.
В-третьих, следует выделить обтекатели, имеющие конфигурацию плоских или слабо изогнутых поверхностей (рис. 1.4, в), закрывающих вырезы в фюзеляже объекта. Основные из предъявляемых требований—
* Здесь X — длина рабочей волны в воздухе.
7
высокая радиопрозрачность, в ряде случаев малые искажения диаграм мы направленности в широком диапазоне волн, достаточная механи ческая прочность и стойкость к термодинамическим нагрузкам.
Кпоследней группе можно отнести все остальные типы обтекателей,
ккоторым в зависимости от их назначения предъявляются различные радиотехнические, механические и тепловые требования.
В)
Рис. 1.4. Основные типы обтекателей.
1.2. ВОПРОСЫ МЕХАНИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ОБТЕКАТЕЛЕЙ
Механический расчет обтекателей выходит за рамки настоящей книги, и поэтому, не затрагивая этой проблемы в целом, мы только отметим основные вопросы, на которые следует обращать внимание при их конструировании.
Следует подчеркнуть, что точный расчет механических параметров обтекателя невозможен из-за сложности его конструкции, неравно мерного распределения нагрузок, анизотропности материала и измене
8
ния его физических свойств в пределах одного и того же обтекателя, происходящих в связи с изменением температуры и давления в процес се полета объекта и т. п.
Механический расчет должен дать два важных результата: во-пер вых, гарантию того, что при всех наиболее неблагоприятных условиях обтекатель останется неразрушенным и, во-вторых, что при тех же не благоприятных условиях зазор между его стенками и подвижной ан тенной обеспечит надежную работу последней.
Сложность задачи заставляет при расчетах прибегать к упроще ниям, заменяя реальный обтекатель эквивалентным с обводами, для которых существуют необходимые расчетные соотношения (т. е. пере ходить к полусфере, цилиндру, конусу и т. п.). Приходится также поль зоваться найденными опытным путем механическими константами для конструкционных материалов, используемых в конкретном обтекателе. При расчете распределения аэродинамических нагрузок на обтекателе необходимо учитывать продольные и поперечные ускорения, дости гающие иногда величины 20g и больше, а также ударные импульсные перегрузки, возникающие при взлете и посадке объектов. Получаю щиеся при таких расчетах представления о максимальном давлении на поверхности позволяют для простых по форме обтекателей дать ответ на два указанных главных вопроса: о целостности обтекателя и о за зорах.
Однако приближенность расчетов и необходимость полной гарантии безопасности работы заставляет полученные' нагрузки увеличивать, как правило, на 100—150%. И несмотря на это, надежным критерием годности обтекателя следует считать лишь результаты эксперименталь ных испытаний, при которых имитируется распределение на нем сило вых нагрузок. Нагрузки увеличиваются до величин, соответствующих разрушению обтекателя, и лишь в том случае, если поломка произошла при усилиях, на 100—150% превосходящих расчетные, обтекатель счи тается пригодным к использованию.
Необходимые практические рекомендации для расчета механических параметров обтекателей, расчетные соотношения, а также методиче ские указания по проведению механических испытаний можно найти в специальной литературе [1,3, 7].
1.3. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ОБТЕКАТЕЛЕЙ ПРИ СВЕРХЗВУКОВЫХ СКОРОСТЯХ ПОЛЕТА
Создание антенных обтекателей для современных сверхзвуковых объектов требует решения следующих новых задач, не возникавших ранее. Такими задачами являются:
' а) решение вопросов, связанных с аэродинамическим нагревом внешней поверхности обтекателя и прогревом его стенок по толщине. Сюда относится разработка термостойких материалов, изыскание ме тодов охлаждения объема внутри обтекателя для создания нормаль ных условий работы антенного устройства, изучение особенностей по ведения обтекателей при тепловом ударе и т. п.;
9