ITMI942164A1 - COVER FOR RADAR ANTENNAS - Google Patents
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Abstract
La copertura per antenne radar, specialmente per antenne Plat - Plate e per antenne Array di aerei ed aeromobili è disposta distanziata davanti all'antenna e parallelamente ad esse e presenta due lastre piane, trasparenti per la radiazione radar, le cui dimensioni sono almeno pari alle dimensioni dell'antenna; la cavità fra le lastre è riempita con un gas ionizzabile laddove nella cavità lungo due bordi contrapposti sono disposti un catodo rispettivamente un anodo fra i quali con una corrispondente sollecitazione elettrica si forma un plasma, che riflette in maniera orientata l'onda radar in arrivo (Figura 2).The cover for radar antennas, especially for Plat - Plate antennas and for Array antennas of aircraft and aircraft is arranged spaced in front of the antenna and parallel to them and has two flat plates, transparent for radar radiation, the dimensions of which are at least equal to antenna size; the cavity between the sheets is filled with an ionizable gas where in the cavity along two opposite edges there is a cathode or an anode respectively between which with a corresponding electrical stress a plasma is formed, which reflects the incoming radar wave in an oriented manner ( Figure 2).
Description
DESCRIZIONE DESCRIPTION
La presente invenzione riguarda una copertura per antenne radar, specialmente per antenne Fiat-Piate e antenne Array per aerei e aeromobili che fa parte della Radom circon- ; dante l'antenna. The present invention relates to a cover for radar antennas, especially for Fiat-Piate antennas and Array antennas for planes and aircraft which is part of the Radom circum-; giving the antenna.
I moderni aerei da combattimento sono in misura cre: scente insensibile nei confronti della radiazione radar inviata su di essi, ossia di una radiazione radar nemica, come è no to specialmente dal bombardiare a cappa-bimeticaamericano. Un pun to debole nella schermatura contro raggi radar inviati è rappresentato ancora dalla antenna radar propria della aeromobile», poichè a causa della dispozione regolare di centri di retrodif fusione, ossia fessure od elementi di irradiazione, l'antenna stessa risulta radar, -visibile da ogni direzione, con adeguato adattamento di frequenza. Per tanto uneefficace protezione contro la retrodiffusione di radiazione radar nemica comporta un'efficace copertura dell'antenna radar propria degli aeromo bili. Modern fighter planes are increasingly insensitive to radar radiation sent upon them, that is, to enemy radar radiation, as is especially known from American bimetic hood bombing. A weak point in the shielding against transmitted radar beams is still represented by the aircraft's own radar antenna ", since due to the regular arrangement of backdiffusion centers, ie cracks or irradiation elements, the antenna itself is radar, visible from each direction, with adequate frequency adaptation. Therefore, an effective protection against the backscatter of enemy radar radiation entails an effective coverage of the radar antenna of the aircraft.
In radar di bordo sia di aeromobili guidati sia an-i che di aeree da combattimento per molteplici motivi si impiega no prevalentemente antenne in modalità costruttiva Fiat-Piate. Con questo tipo di antenna l'onda radar da irradiare si compo ne di una pluralità di singole onde,, che vengono prodotte coni fasi ed ampiezza adeguate da una disposizione regolare di sin _ goli radiatori . Nell antenna Fiat—Piate gli angoli di fase .dei singoli radiatori non sono regolabili . Invece questi valori per l'antenna Phased-Array possono essere modificati in modo che con ciò è possibile comandare il senso di radiazione in un grande intervallo angolare . In on-board radar of both guided and an-i aircraft and of combat aircraft, for many reasons, antennas in Fiat-Piate construction mode are mainly used. With this type of antenna the radar wave to be radiated consists of a plurality of individual waves which are produced with adequate phases and amplitudes by a regular arrangement of single radiators. In the Fiat — Piate antenna, the phase angles of the individual radiators are not adjustable. On the other hand, these values for the phased array antenna can be changed so that with this it is possible to control the direction of radiation over a large angular range.
Se ora un’antenna Fiat-Piate oppure Phased-Array viene illuminata da un radar nemico, allora l’onda incidente viene riflessa da ogni singolo radiatore dell'Array ._Si_ ottieni ne la risultante di questi singoli campi di retrodiffusione mediante addizione vettoriale dell'intensità di campo nel piai no numerico complesso. Con una regolare disposizione spaziale dei singoli radiatori per ogni senso di osservazione esiste una determinata frequenza radar, per la quale i campi di ri sione dei singoli radiatori si sommano a formare un campo com plessivo, che per quanto riguarda la sua intensità è confrontabile con il campo di retro-diffusione della lastra luminata verticalmente , ossia irradiata. Questo problema critico per aerei (Stealth) a cappa mimetica non può èssere nemmeno atte nuato prevedendo una disposizione irregolare di singoli radia' tori ; l'antenna radar propria per tanto costituisce il talloné di achilie dell'aereo Stealth. If now a Fiat-Piate or Phased-Array antenna is illuminated by an enemy radar, then the incident wave is reflected by each single radiator of the Array. field strength in the complex numerical plane. With a regular spatial arrangement of the individual radiators for each direction of observation, there is a certain radar frequency, for which the reaction fields of the individual radiators add up to form a total field, which in terms of its intensity is comparable with the back-scattering field of the vertically illuminated plate, i.e. irradiated. This critical problem for stealth aircraft with camouflage hood cannot even be mitigated by providing for an irregular arrangement of individual radiators; its own radar antenna therefore constitutes the Achilles' heel of the Stealth aircraft.
Se si copre l'antenna radar con un radum trasparen te a banda stretta per radiazione radar, allora essa è visibile soltanto ancora in una piccola gamma di frequenza. Un'aitra possibilità consiste nel coprire l'antenna radar con una foglia metallica arrotolatile, la cui parte elettroconduttiva viene srotolata prima della attivazione del radar. In entrambe le soluzioni è impossibile una schermatura dell'anteri na radar completa relativamente alla frequenza rispettivament al tempo di funzionamento, laddove la visibilità residua nel primo caso dipende dall'ampiezza della banda utile e dalla qua lità di filtrazione del Radom e con la seconda soluzione di— pende dalla durata relativa di variazione del radar e dalla ve locità di arrotolamento della foglia di copertura. If the radar antenna is covered with a narrow band transparent radar for radar radiation, then it is still visible only in a small frequency range. Another possibility is to cover the radar antenna with a roll-up metal sheet, the electroconductive part of which is unrolled before the radar is activated. In both solutions, it is impossible to shield the entire radar front with respect to the frequency respectively the operating time, whereas the residual visibility in the first case depends on the width of the useful band and the filtering quality of the Radom and with the second solution it depends on the relative duration of variation of the radar and on the rolling up speed of the cover sheet.
Il brevetto US-PS-4570 166 descrive una copertura per antenne radar di aerei e aeromobili, che fa parte del Rado circondante l'antenna. Il comportamento di attenuazione della copertura in tal caso non è variabile nel tempo. L'attenuazio ne dipende unicamente dall'angolo di incidenza della radiazio ne elettromagnetica. US-PS-4570 166 discloses a cover for aircraft and aircraft radar antennas, which is part of the Rado surrounding the antenna. In this case, the mitigation behavior of the hedge is not variable over time. The attenuation depends solely on the angle of incidence of the electromagnetic radiation.
Il DE—PS 3920 110 descrive una finestra elettroma gnetica per aerei ed aeromobile con una sorgente luminosa ed uno strato foto-sensibile, che con l’illuminazione con la sor gente_luminosa in maniera_rever_sib_ile passa dallo stato elettromagneticamente trasparente in uno stato riflettente. In tal caso si utilizza la variazione della conducibilità dello stra to foto-sensibile in caso di illuminazione. DE-PS 3920 110 describes an electromagnetic window for aircraft and aircraft with a light source and a photo-sensitive layer, which with illumination with the light source in a reversible manner passes from the electromagnetically transparent state to a reflective state. In this case, the variation of the conductivity of the photo-sensitive layer in the event of illumination is used.
Dal DE-PS 4007 986 è nota una struttura specialmen te per aerei, che nel caso_di una localizzazione radar è espo sta ad onda radar e presenta una o più cavità, che è riempita a scelta con materiale riflettente onde radar o assorbente onde radar. Le cavità possono essere montate su bordi anterio ri dell'ala o dell'impennaggio oppure essere praticate nella struttura di rivestimento. In tal modo è possibile modificare a scelta l'immagine radar del velivolo laddove in questo caso la variazione del materiale di copertura con i conseguenti modificati valori di conducibilità, costanti di dielettricità a altre gradezze fisiche, influenza il comportamento di assorbimei to e la trasparenza. From DE-PS 4007 986 a structure especially for aircraft is known, which in the case of a radar location is exposed to a radar wave and has one or more cavities, which is optionally filled with material reflecting radar waves or absorbing radar waves. The cavities can be mounted on the front edges of the wing or tail or be drilled into the skin structure. In this way it is possible to modify the radar image of the aircraft as desired, where in this case the variation of the covering material with the consequent modified values of conductivity, dielectricity constants at other physical grades, influences the absorption behavior and transparency.
DE-OS 41 40 944 descrive una struttura di assorbitore con caratteristica di assorbimento variabile per radiazione elettromagnetica, che si compone di uno strato di supporto, dotato di molecole a bipolo ferroelettriche, incorporate, nonché da elettrodi di comando disposti ai due lati deli to strato di supporto, di cui almeno l'elettrodo di comando lato-incidenza della radiazione è eseguito trasparente alla radiazione. Applicando una tensione di comando agli elettrodi di comando le molecole a bipolo, seconda del campo elettrico agente fra gli elettrodi di comando vengono orientate, per cui è possibile variare il profilo di assorbimento dell'assorbitore nell'ambito di limiti definiti. DE-OS 41 40 944 describes an absorber structure with variable absorption characteristic for electromagnetic radiation, which consists of a support layer, equipped with embedded ferroelectric bipole molecules, as well as control electrodes arranged on the two sides of the layer support, of which at least the radiation-incidence-side control electrode is made transparent to the radiation. By applying a control voltage to the control electrodes, the bipole molecules, depending on the electric field acting between the control electrodes, are oriented, so that it is possible to vary the absorption profile of the absorber within defined limits.
Dal precedente EP578 511 non prepubblicato è noto il fatto di coprire una antenna ed influenzarne da ultimo fluenza sulla sezione traversale della radiazione riflessa rada complessiva, poiché come menzionato all'inizio si dispone uno strato metallico scorrevole davanti all'antenna, che all'occor renza può essere aperta. From the previous unpublished EP578 511 it is known the fact of covering an antenna and ultimately influencing its fluence on the cross section of the overall reflected radiation, since as mentioned at the beginning a sliding metallic layer is arranged in front of the antenna, which if necessary can be opened.
Infine il brevetto EP 554847 descrive un filtro dirisonanza commutabile per radiazione ottica, con il quale è possibile influenzare l'effettiva costante di dielettricità selettivamente nell'intorno del sensore. La variazione delle costanti di dielettricità viene variando fra la distanza del sen sore e l'elettrodo sotto-stante. Finally, the patent EP 554847 describes a switchable resonance filter for optical radiation, with which it is possible to selectively influence the effective dielectricity constant around the sensor. The variation of the dielectricity constants is by varying between the distance of the sensor and the underlying electrode.
La presente invenzione si pone il compito di realiz zare una copertura per antenne radar di aeromobili, che è inseribile ed disinseribile entro pochi microsecondi e nello stai to inserito offre una protezione della propria antenna radar, rche non è per nulla inferiore alla protezione del rimanente aereo, The present invention has the task of providing a cover for aircraft radar antennas, which can be switched on and off within a few microseconds and in the switched state offers protection for its radar antenna, which is in no way inferior to the protection of the rest of the aircraft. ,
Partendo dalla copertura del genere menzionato dettagliatamente all'inizio la soluzione di questo problema viene1 ottenuta con le caratteristiche indicate nella parte caratteriz zante della rivendicazione 1; esecuzioni vantaggiosi sono deiscritte nelle sotto-rivendicazioni Starting from the coverage of the kind mentioned in detail at the beginning, the solution of this problem is obtained with the characteristics indicated in the characterizing part of claim 1; advantageous embodiments are described in the sub-claims
Un grande vantaggio della copertura secondo l'inven zione sta’ nel fatto che la corrente elettronica dal catodo ali l'anodo e quindi l'effetto di riflessione della copertura per la schermatura propria dell'aeromobile sono disinseribili ed inseribili riducendo rispettivamente aumentando la tesione anodica entro pochi micro-secondi; il tubo a scarica in gas adattato alle esigenze dell’aereo serve quindi da chiusura pia na ultra-veloce per antenna radar. In tal caso la corrente elet trodica viene conservata praticamente durante l'intera missio ne dell'aeromibile e solo negli intervalli di tempo estremameli te brevi, nei quali si dovrà irradiare o ricevere un'impulso radar, la copertura viene aperta per breve tempo A great advantage of the cover according to the invention lies in the fact that the electronic current from the cathode to the anode and therefore the reflection effect of the cover for the shielding of the aircraft can be switched off and switched on by reducing respectively increasing the anodic tension. within a few micro-seconds; the gas discharge tube adapted to the needs of the aircraft therefore serves as an ultra-fast flat closure for the radar antenna. In this case the electric current is conserved practically during the entire mission of the aircraft and only in the extremely short time intervals, in which a radar pulse must be radiated or received, the cover is opened for a short time
In seguito l'invezione viene illustrata dettagliatamente in base al disegno, in cui è rappresentato un esempio di realizzazione vantaggioso. In the following, the invention is illustrated in detail on the basis of the drawing, in which an advantageous embodiment is shown.
In particolare: In particular:
la fig. 1 mostra una vista dall'alto su una copertura secondo l'invenzione, e fig. 1 shows a top view on a cover according to the invention, and
ta fig. 2 mostra una sezione attraverso la copertu-· ra secondo l'invenzione lungo il piano A-A della fig. 1. ta fig. 2 shows a section through the cover according to the invention along the plane A-A of fig. 1.
Nelle figure in cui parti uguali sono dotate degli stessi contrassegni, con 9 è indicato il Radom di un'aeromobile ad esempio di un aereo da combattimento che è dotato di un'an tenna Array 5 disposta all'interno del Radom 5 e parallelamente a questo. Per proteggere questa antenna Array 5 dalla riflessione di radiazione radar nemica, in arrivo, illuminante l'aereo, secondo l'invenzione è prevista una copertura nella forma di un tubo modificato a scarico in gas, laddove la coper tura si compone di due lastre piane 3 e 4, disposte distanzia te davanti all’antenna Array 5, trasparenti per la radiazione radar, le cui dimensioni s_ono uguali .e superio_ri alle dimensio ni della antenna Array 5. Le due lastre 3 e 4 formano fra di loro una cavità riempita con un gas nobile di un modesto peso molecolare (ad esempio elio) oppure con idrogeno. Lungo due bordi contrapposti nella cavità fra le lastre 3 e 4 sono disposti un catodo 1, collegato con un sistema di riscaldamento elet trico e rivestito di ossidi, rispettivamente di un'anodo 2 colle gato con una sorgente di tensione positiva. Sollecitando corri spondentemente catodo ed anodo dal catodo 1 vengono prodotti elettroni, che migrano verso l'anodo 2 caricato positivamente e sul loro percorso collidono ivi con una parte degli atomi del gas di riempimento e così facendo lo ionizzano, cosicché si ottiene un plama elettroconduttivo,che riempie uniformemen te la cavità fra le due lastre piane 3 e 4. Se un'onda radar nemica monocromatica, dall'esterno incontra ora lo strato di plasma piano 7, allora il campo elettrico di questa ondulazione porta agli elettroni del plasma in una oscillazione sinusoida le, che si sovrappone al movimento termico degli elettroni. In the figures in which equal parts are equipped with the same markings, 9 indicates the Radom of an aircraft, for example of a fighter aircraft which is equipped with an Array 5 antenna arranged inside the Radom 5 and parallel to this . In order to protect this Array 5 antenna from the reflection of incoming enemy radar radiation illuminating the aircraft, according to the invention a cover is provided in the form of a modified gas exhaust tube, where the cover consists of two flat plates 3 and 4, spaced apart in front of the Array 5 antenna, transparent for the radar radiation, the dimensions of which are equal to and greater than the dimensions of the Array 5 antenna. The two plates 3 and 4 form between them a cavity filled with a noble gas of a modest molecular weight (eg helium) or with hydrogen. Along two opposite edges in the cavity between the plates 3 and 4 there is arranged a cathode 1, connected to an electric heating system and coated with oxides, respectively of an anode 2 connected to a positive voltage source. By pressing the cathode and anode correspondingly from the cathode 1 electrons are produced, which migrate towards the positively charged anode 2 and on their path collide there with a part of the atoms of the filling gas and in so doing ionize it, so that an electroconductive plate is obtained, which uniformly fills the cavity between the two flat plates 3 and 4. If an enemy monochromatic radar wave now encounters the flat plasma layer 7 from the outside, then the electric field of this ripple leads to the electrons of the plasma in an oscillation sinusoidal, which is superimposed on the thermal movement of electrons.
Gli elettroni oscillanti da parte loro producono di nuovo un campo di diffusione, che si sovrappone al campo delle onde radar in arrivo. In ogni strato del plasma paralle lo alle lastre 3 e 4 è costante fra le lastre 3 e 4 l'ampiezza: dell'oscillazione elettronica mentre la fase lungo lo strato varia linearmente. In tal modo ogni strato produce un campo di· diffusione fortemente concentrato in direzione di riflessione laddove con adeguata densità elettronica è suficiente spessore del plasma viene completamente riflessa l'onda radar incidente e tuttavia è relativamente modesta la radiazione rifles sa in direzione del radar di illuminazione. In particolare la densità elettronica dipende in primo luogo dalla corrente ano-· dica e dalla densità, ossia dalla pressione del gas di riempi mento . The oscillating electrons for their part again produce a scattering field, which overlaps the field of the incoming radar waves. In each plasma layer parallel to the plates 3 and 4 the amplitude of the electronic oscillation is constant between the plates 3 and 4 while the phase along the layer varies linearly. In this way, each layer produces a highly concentrated scattering field in the direction of reflection, where with adequate electron density the thickness of the plasma is sufficient, the incident radar wave is completely reflected and yet the radiation reflected in the direction of the illumination radar is relatively modest. . In particular, the electron density depends primarily on the anode current and the density, ie the pressure of the filling gas.
Dalla relazione di fase fra l'onda radar incidente e l'onda riflessa sullo strato 7 del plasma è possibile defin:, re un'effettivo piano di riflessione 8. Una foglia elettrocon duttiva, applicata in corrispondenza del punto del tubo a sca rica in gas in qusto piano, produrrebbe lo stesso piano di rii flessione come il plasma. From the phase relationship between the incident radar wave and the wave reflected on the plasma layer 7 it is possible to define an effective reflection plane 8. An electroconductive foil, applied at the point of the discharge tube in gas in this plane would produce the same reflection plane as plasma.
La copertura secondo l'invenzione è disposta nella struttura piana del Radom 9 in modo tale che il piano elettroconduttirice della superficie conduttiva di questo Radom coincide con l'effettivo piano di riflessione del plasma. Conseguen temente viene minimizzata la radiazione riflessa radar dell'an tenna Array coperta elettricamente. The cover according to the invention is arranged in the plane structure of the Radom 9 in such a way that the electroconducting plane of the conductive surface of this Radom coincides with the actual reflection plane of the plasma. Consequently, the reflected radar radiation from the electrically covered array is minimized.
La densità degli elettroni, necessaria per una com pietà riflessione, nello strato di plasma e lo spessore mini mo del plasma possono essere facilmente determinati sperimentalmente, al pari delle superfici necessarie di catodo ed ano do nonché della potenza elettica per la conversione del tubo del gas. Il requisito minimo inpostoalla densità E richiede che questa soddisfi alla seguente relazione: The density of the electrons in the plasma layer required for full reflection and the minimum thickness of the plasma can be easily determined experimentally, as can the required cathode and anode surfaces as well as the electrical power for the conversion of the gas tube. . The minimum requirement for density E requires it to satisfy the following relationship:
ED f2 eme 2 ED f2 heme 2
laddove m rappresenta la massa dell'elettrone, e lacarica del l'elettrone e la costante di elettricità nel vuoto ed f la masi sima frequenza delle onde radar da rilfettere. Per 18 GHz la deni sità elettronica minima è 4 x 10 cm utilizzando elio come gas di riempimento questo valore viene raggiunto per 1033 Pa per una densità di corrente di 0,2 A/cm e una intensità di campo di 1 V/cm. La densità elettronica dovrà essere tale che la profindità di penetrazione dell'onda radar incidente è paril solo ad una frazione di questa lunghezza d'onda radar. Lo spes! sore delle due lastre 3 e 4 va scelta in modo che sia portare sicuramente il carico risultante dalla differenza di pressione fra atmosfera e plasma. I pochi sostegni 6 indicati in fig. 2 servono a tenere il più possibile modesto lo spesi sore delle lastre . La distanza fra le lastre 3 e 4 inoltre dovrà essere scelta in modo che risulta il più possibile alta la trasparenza per le onde radar irradiate dalla propria ante na, a seconda dello spessore delle lastre e dell'angolo di usci ta rispettivamente di incidenza la distanza ottimale è compre sa fra il 20 e il 30% della lunghezza d'onda radar where m represents the mass of the electron, and the charge of the electron is the constant of electricity in a vacuum and f is the maximum frequency of the radar waves to be reflected. For 18 GHz the minimum electronic density is 4 x 10 cm using helium as filler gas this value is reached for 1033 Pa for a current density of 0.2 A / cm and a field strength of 1 V / cm. The electron density should be such that the penetration depth of the incident radar wave is only a fraction of this radar wavelength. Spes it! sore of the two plates 3 and 4 must be chosen in such a way that it is safe to carry the load resulting from the pressure difference between the atmosphere and the plasma. The few supports 6 indicated in fig. 2 serve to keep the thickness of the plates as low as possible. Furthermore, the distance between the plates 3 and 4 must be chosen so that the transparency for the radar waves radiated by its door is as high as possible, depending on the thickness of the plates and the exit angle respectively of incidence the distance optimal is between 20 and 30% of the radar wavelength
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