Диссертация (Периодические СВЧ композитные структуры в бортовых антенных системах), страница 9

На рисунке 1.23 приведены зависимостиуглов падения плоской ЭМ волны, на которых возникает резонанс, рассчитанные по формуле(1.23). Также, на рисунке 1.23 приведены аналогичные зависимости, рассчитанные методомКЭ для модели ЧСС–проводящий экран.В таблице 1.3 приведены угловые положения резонансных лепестков ДОР длянекоторых частот, рассчитанные на основе модели резонатора Фабье-Перо, а такжемоделированием методом FDTD ДОР системы ЧСС–проводящий экран (рисунок 1.16).Рисунок 1.23 – К определению углового и частотного положения резонансных лепестков ДОР.42Таблица 1.3 – К определению положения резонансных лепестков ДОР.FEMДОР (рис.

28)f = 8.5 ГГц25°25°Двухрезонансаяf = 10.0 ГГц40°40°частотно-селективнаяf = 12.0 ГГц20°, 51°20°, 56°структура.f = 16.0 ГГц20°, 45°25°, 49°Нарисунке1.24приведенызависимости углов падения плоской ЭМ волны, на которых возникает резонанс, рассчитанныепо формуле (1.23). Также, на рисунке 1.24 приведены аналогичные зависимости, рассчитанныеметодом КЭ для модели ЧСС–проводящий экран. Для расчёта использовалась модель ячейкиФлоке.Рисунок 1.24 – К определению углового и частотного положения резонансных лепестков ДОР.В таблице 1.4 приведены угловые положения резонансных лепестков ДОР длянекоторых частот, рассчитанные на основе модели резонатора Фабье-Перо, а такжемоделированием методом FDTD ДОР системы ЧСС–проводящий экран (рисунок 1.20).Таблица 1.4 – К определению положения резонансных лепестков ДОР.FEMДОР (рис. 32)f = 5 ГГц40°35°f = 8.0 ГГц30°26°f = 12.0 ГГц40°40°°f = 13.0 ГГц20°, 50°22°, 50°f = 17.0 ГГц20°23°1.5 Макетирование и экспериментальные результатыДля исследования характеристик ЧСС был изготовлен макет, общий вид которогоприведен на рисунке 1.25.

Параметры макета ЧСС: период ЧСС d = 7.0 мм, размер печатныхэлементов w = 6.5 мм, ширина металлизации печатных элементов s1 = 1.1 мм. Однослойнаяоднорезонансная частотно–селективная структура (1) вытравленна на материале FR-4толщиной 1 мм.43Рисунок 1.25 – Однослойная частотно-селективная структура.На рисунке 1.26 приведена измеренная частотная зависимость коэффициентапрохожденияЧСС при нормальном падении плоской ЭМ волны (линия 1), а также,рассчитанная методом КЭ (линия 2).

Измерения проводились на широкополосномизмерительном стенде S параметров в ИТПЭ РАН [49]. Как видно, численные иэкспериментальные результаты практически совпадают графически.1 – измерения, 2 – метод КЭРисунок 1.26 – Частотная зависимость коэффициента прохождения ЧСС.На рисунке 1.27 приведены сравнения ДОР изготовленной ЧСС и ДОР металлическогоэкрана такого же размера. Измерения проводились в малой безэховой камере Институтатеоретической и прикладной электродинамике Российской академии наук (ИТПЭ РАН) (см.главу 2 рисунок 2.44). Видно, что в пределах рабочей полосы частот ЧСС (8.0…14.0 ГГц) ДОРЧСС и металлического экрана практически совпадают.

За пределами рабочей полосы частотпрозрачность ЧСС нарастает, значение ДОР ЧСС становится меньше ДОР металлическогоэкрана (например, при f = 3.02 ГГц).441 – металлическая пластина, 2 – ЧССРисунок 1.27 – Частотная зависимость коэффициента прохождения ЧСС.Выводы1. Синтезированы каскадные и многорезонансные периодические СВЧ композитные структурысчастотно-селективнымисвойствами,реализующиеполосно-заграждающиефильтрысантиметрового диапазона, последовательно реализуя этапы перехода от фильтра-прототипа насосредоточенных элементах к их высокочастотному аналогу.

Предложены и обоснованыэлектродинамические модели синтезированных ЧСС и проведено их полноволновоемоделирование, включающие сопоставление различных методов расчета, оценку влияния45геометрических и электрофизических параметров на характеристики ЧСС и их зависимости отугла падения и поляризации волны.2.

Рассмотрен механизм образования лепестков обратного рассеяния ДОР в конечной системеЧСС–проводящий экран, обусловленный резонансными процессами между ЧСС и проводящимэкраном. Приведена методика, позволяющая определить частотное и угловое положениерезонансных лепестков ДОР.3. Проведено макетирование и экспериментальные измерения частотной зависимостикоэффициента прохождения ЧСС и ДОР ЧСС и металлического экрана на широкополосномстенде измерения S-параметров. Сравнение результатов измерений и численное моделированиепоказалоихудовлитворительное совпадение,полученных результатов.чтоявляется надежнойверификацией462 Частотно-селективные структуры для снижениядиаграммы обратного рассеяния ФАРАнтенна, как и любое тело, рассеивает падающее на неё электромагнитное поле.Полностью устранить рассеяние антенны в рабочем диапазоне невозможно.

Приближённымсоотношением,связывающимантеннуюсоставляющуюрассеянияантенныскоэффициентом усиления G, длиной волны  , эффективной поверхностью антенны Ae икоэффициентом отражения a , является [10, 12]:  G22 4 ,   42e 2 ,  4Ae2 a22 ,(2.1)при этом для первых двух формул предполагается, что принятая антенной мощностьполностью отражается от входа антенны. Выражение совпадает с выражением для плоскойметаллической пластины, расположенной перпендикулярно направлению прихода плоскойволны, что указывает на достаточно грубую оценку рассеивающих свойств антенны (терминалантенны имеет определённое согласование, коэффициент усиления реальной антенны зависитот частоты). При частичном согласовании антенны оценка производится по последнейформуле в (2.1), включив коэффициент отражения антенны a . Более содержательная оценка,включающая влияние всех трёх составляющих, имеет вид [2–3]:2   s  1  a   a e i ,(2.2)где  – полная характеристика рассеяния антенны (антенной решетки),  s – структурнаяхарактеристика рассеяния антенны при короткозамкнутом входе,  a – антенная характеристикарассеяния, учитывающая влияние импеданса порта введением коэффициента отражения a , – относительная фаза между двумя слагаемыми.Отметим специфику диаграммы обратного рассеяния антенных решеток [10, 12, 14, 50]:–определяется суперпозицией всех излучающих элементов с учетом взаимной связи; –терминальная составляющая зависит от схемы возбуждения элементов; – углы  nвозникновения дифракционных лепестков ДОР в пространстве для линейной АР с учетомдвойного пути определяются выражениемkDАР  sin  n  sin 0   2 n , n = 0, 1, 2, …,(2.3)где k = 2/ – волновое число свободного пространства; DАР – шаг АР; значение индекса n = 0соответствует зеркально отраженной волне.

Углы n возникновения дифракционных лепестков47ДОР с максимумами в обратном направлении определяются из (1) приn =0 :sin  0  n  2 DАР  , n = 1, 2,k0d  sin 0n  sin 0n   2n, n  1, 2,....(2.4)Эти дифракционные лепестки рассеяния [14] являются наиболее "опасными" с точки зрениярадиомаскировки и определяются из (2.4). В соответствии с терминологией, принятой ванглоязычной литературе, далее будем называть их лепестками Брэгга [10, 14, 48].На первом этапе рассмотрим возможность экранировки линейной периодическойструктуры (ЛПС) L-диапазона с помощью полосно-заграждающей ЧСС. При этом рассмотримдве модели ЛПС: ЛПС без проводящего экрана (рисунок 2.1 а) и ЛПС с проводящим экраном(рисунок 2.1 б)а)б)Рисунок 2.1 – общий вид ЛПС: а) – без проводящего экрана; б) – с проводящим экраном.На рисунке 2.2 приведена ДОР конечной ЛПС L-диапазона из восьми элементов приоблучении волной Х-диапазона в диапазоне углов зондирования 60. Параметры ЛПС: шагЛПС DAP = 96 мм, радиус элемента ЛПС r = 5 мм, длина элемента ЛПС ld = 68 мм, количествоэлементов ЛПС Nd = 8, расстояние от ЛПС до проводящего экрана h1 = 25 мм, длинапроводящего экрана lg = 768 мм, ширина проводящего экрана wg = 76.8 мм.

Вертикальнымипунктирными линиями отмечены положения лепестков Брэгга в соответствии с выражением(2.8). ДОР ЛПС рассчитаны методом FDTD. Для ЛПС без экрана количество ячеек длямоделирования составляло 6.2 млн., для расчета требовалось 2.1 ГБ памяти. Время одногорасчета составляло 31 минуту. Расчёт проводился в диапазоне углов 0 - 60 с шагом 0.5. ДОРЛПС рассчитаны методом FDTD.

Для ЛПС без экрана количество ячеек для моделированиясоставляло 6.2 млн., для расчета требовалось 2.1 ГБ памяти. Время одного расчета составляло31 минуту. Расчёт проводился в диапазоне углов 0 - 60 с шагом 0.5 градусов. FDTD. ДляЛПС без экрана количество ячеек для моделирования составляло 6.2 млн., для расчета48требовалось 2.1 ГБ памяти. Время одного расчета составляло 31 минуту.

Расчёт проводился вдиапазоне углов 0 - 60 с шагом 0.5.1 – ДОР ЛПС с экраном, 2 –ДОР ЛПС без экранаРисунок 2.2 – ДОР ЛПС из восьми элементов.2.1 Краткий аналитический обзорДля снижения ЭПР и ДОР антенн и антенных решеток используются частотноизбирательные антенные обтекатели, имеющие низкую характеристику рассеяния в заданныхчастотном и угловом диапазонах. В состав таких обтекателей входят ЧСС, выполняющиефункцию заграждающих фильтров для частот которые лежат вне рабочей полосы ФАР.

Темсамым вне рабочей полосы частот, где обтекатель является отражающим, достигаетсяснижение заметности ФАР, помещенной под обтекателем с ЧСС [19]. Отметим некоторыеработы, посвященные интеграции антенн и антенных решеток с частотно-избирательнымиобтекателями [51-59].Полосно-пропускающие ЧСС используются в частотно-избирательных обтекателях дляуменьшения моностатической ЭПР путем отражения падающей электромагнитной вбистатическом направлении [52-54].

В [52] приведена антенна типа монополь укрытаяконическим обтекателем на основе частотно-селективной структуры. На основе теориифильтров на связанных резонаторах синтезирована полосно-пропускающая ЧСС (рабочаяполосапропускания5%)снизкойчувствительностьюкуглупаденияплоскойэлектромагнитной волны. Исследовано влияние обтекателя на основе ЧСС на антенну типамонополь. Численные и экспериментальные результаты показали, что представленная антеннасистема имеет требуемые характеристики направленности и согласования в окне прозрачностиобтекателя и отражает сигнал в полосе заграждения. Результаты могут быть использованы дляобеспечения электромагнитной совместимости и уменьшения радиозаметности.

отмечено, чтонеобходимы дальнейшие исследования для интеграции ЧСС с фазированными антеными49решетками. В [54] рассмотрен частотно-избирательный обтекатель на основе полоснопропускающей двухслойной ЧСС. Двухслойная частотно-селективная структура на основещелевого крестообразного элемента с гексагональной сеткой размещения имеет рабочуюполосу частот 8 –12 ГГц по уровню -3 дБ коэффициента прохождения и устойчива кразличным углам падения. Рассмотрена интеграция разработанной ЧСС с щелевой антеннойрешеткой.

Показано, что использование ЧСС позволяет уменьшить амплитуду незеркальноголепестка диаграммы ЭПР на 20 дБ (при нормальном падении плоской ЭМ волны).Полосно-заграждающиеЧССимеютограниченноеприменениедляснижениярадиолокационной заметности и, как правило, используются в качестве проводящегооснования антенны [55, 56]. В работе [55] рассмотрено использование полосно-заграждающейЧСС в качестве проводящего основания вибраторной антенной решетки, состоящей из 4×2элементов, для снижения ее радиолокационной заметности.