Автореферат (Современное электродинамическое сопровождение проектирования и изготовления систем антенна-радиопрозрачное укрытие)

На правах рукопuсuБЛСКОВ КОНСТЛНТИН МИХДЙЛОВIДIСОВРЕМЕННОЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЕСОПРОВОЖДЕНИЕПРОЕКТИРОВАНИЯ И ИЗГОТ ОВЛЕНИЯ СИСТЕМАНТЕННА - РАДИОПРОЗРАЧНОЕ УКРЫТИЕСпециальность 05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства и их технологииАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степеникандидата технических наукМосква -201бРабота выполнена в Федерапьном государственном бюджетном )ЕIреждениинауки Институт теоретической и прикJIадной электродинапdики Российскойакадемии наук (ИТПЭ РАН)Научпыйруководитепь: Федоренко Анатолий Ивановичдоктор технических наук, старший науrныйсотрудIик, главньй наушrьйитпэ рАнсотрудIикОфициалъныеКурочкиноппоненты:доктор технических наук, профессор, начапьникАлександрПетровичlотдела АО <<Концерн радиостроения ((ВегD)Гринёв Александр Юрьевичдоктор технических наук, профессор, профессоркафедры радиотехники, антенн и микроволновоЙтехники ФГБОУ ВО (МосковскиЙ авиационныЙинститут (национ€[пьный исследовательскийуниверситет)>Ведущая организацпя: ДОкНаl"цlо-исследоватеJьслотйприборостроениrIим.В.В.институгТихоN{рIровЕD)(г.

Хtlковский)Защита диссертаIIии состоится к ].5>декабря 20|6 г. в ].5 часов 30 мин. назаседании диссертшIионного совета Д212.157.05 при(МЭИ) по адресу:ФГБоУ Во нИУ111250, г. Москво, ул. Красноказарменн€lя,д. |'|, корпус А,ауд. А-402.С диссертаIIией можно ознакомиться в библиотеке ФГБоУ Во НИУ (МЭи).Автореферат разослан Z0 октябр" 2016 г.Учёный секретарь диссертационного советаД21'2.Т57.05, кандидат технических наукР.С.КуликовОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы.

С учетом современных требований к бортовымрадиотехническим системам особое внимание уделяется проектированию иизготовлению радиопрозрачных укрытий (РПУ) или антенных обтекателей,которые служат для защиты антенных устройств от внешних воздействующих факторов. Хорошо известно, что при правильной постановке задачиминимизации влияния обтекателя на характеристики излучения антеннынеобходимо рассматривать его как неотъемлемую часть антенной системы.Хотя разработчики антенных устройств такое положение хорошо знают давно, на практике, насколько известно автору по разработкам авиационныхкомплексов, такой важный принцип соблюдается далеко не в полной мере.Причин здесь несколько, но одна из основных - отсутствие и у разработчиков объектов, и у разработчиков антенн надежных экспериментальнорасчетных методик на базе высокопроизводительных вычислительных программ.

В настоящее время для качественного анализа влияния РПУ на характеристики антенной системы требуются адекватные трехмерные электродинамические модели систем антенна-обтекатель, на основе которых можнооценивать такие характеристики, как коэффициент пропускания (КП),ошибки пеленга (ОП), изменение уровня боковых лепестков диаграммынаправленности антенны. В ходе истории развития электродинамическогопроектирования обтекателей использовались различные подходы к моделированию систем антенна-обтекатель, основанные на определенных допущениях и приближениях, и, соответственно, пригодных для анализа радиотехнических характеристик (РТХ) определенного ограниченного класса антенных систем.

В частности, для обширного класса крупногабаритных обтекателей апертурных антенн (включая ФАР) больших волновых размеров в основе моделей традиционно используются асимптотические методы коротковолновой дифракции: либо лучевая трактовка с вынесенной за обтекательфиктивной апертурой, либо физикооптическое приближение с различными3вариантами математических вычислений (работы В.А. Каплуна, Ю.А.

Колосова, Е.А. Старкова, L.R. Lewis, D.C.F. Wu, R.C. Rudduck, Toru Uno с соавторами). С развитием вычислительной техники появлялись работы с применением элементов строгих подходов (методов интегральных уравнений, конечных элементов, FDTD), а также с использованием коммерческих программ. Из анализа практического применения известных методик моделирования системы антенна-обтекатель больших волновых размеров следуетнеобходимость дальнейшего совершенствования методического аппаратадля получения более точных расчетных результатов.Уникальными физическими свойствами обладают РПУ со стенками свмонтированными дифракционными решётками (ДР). В частности, появляются возможности электродинамического согласования произвольных потолщине диэлектрических слоёв, а также снижения радиолокационной заметности укрываемого объекта. В открытой печати упоминается, что носовые обтекатели БРЛС самолетов F-22 и Eurofighter с целью снижения радиолокационной заметности антенного отсека имеет резонансную полосу пропускания, что реализуется применением частотно-селективных поверхностей.Параметры ДР, используемые при моделировании стенки обтекателя,чаще всего находятся из представления решетки в виде бесконечной периодической структуры проводящих элементов, которые находятся внутри многослойного магнитодиэлектрика.

Исследованию бесконечных периодических структур в литературе уделено большое внимание (работы таких авторов, как Е.Н. Васильев, В.И. Шестопалов, М.Ю. Червенко, Т.Н. Лазарева,А.О. Касьянов, R. Mittra, John F. Pedersen, Changhua Wan и др.). Чаще всегозадачи дифракции электромагнитной волны (ЭМВ) на бесконечных периодических структурах решаются методом интегральных уравнений (ИУ). Длярешения задач дифракции ЭМВ на многослойных ДР, находящихся внутримногослойного магнитодиэлектрика, даже при современном развитии вычислительной техники требуется достаточно большие затраты машинного4времени из-за необходимости определять токи на всех границах слоистогомагнитодиэлектрика.В последнее время патентуется много конструкций стенок РПУ, в составе которых имеются ДР с индуктивной проводимостью, что свидетельствует о перспективности такого способа повышения качества РПУ. Примером таких решёток являются сетки из проводов, электродинамические свойства которых изучаются с середины 20-го века.

Ещё John Brown в 1953 годузаметил, что сетки из проводов по своим свойствам схожи со свойствомплазмы с отрицательной диэлектрической проницаемостью, а значит, могутбыть использованы для электродинамического просветления слоёв диэлектрика. Конструкции стенок с решёткой из проводов, а также способы расчёта их электродинамических характеристик детально рассматривались в работах В.А. Каплуна.Учитывая растущие требования к РТХ РПУ, задача разработки эффективных и универсальных методов электродинамического анализа систем антенна – РПУ, а также поиска новых конструкций стенок РПУ, являетсявесьма актуальной.Целями диссертационной работы являются: разработка и совершенствование методик расчета РТХ систем антенна-РПУ для проектированияконструкций стенок РПУ с улучшенными радиотехническими и специальными свойствами, а также для совершенствования технологий производстваРПУ; апробация и доводка методик в процессе проектирования реальныхРПУ; исследование РТХ стенок РПУ с вмонтированными ДР; разработка иисследование новых конструкций стенок РПУ.Для достижения указанных целей в диссертации решались следующиеосновные задачи:1.

Разработка новых методик расчёта РТХ системы антенна – РПУбольших волновых размеров и в резонансном диапазоне.2. Исследование максимально достижимых РТХ пятислойной конструкции стенки.53. Разработка и апробация методики коррекции ОП с помощью специального компенсационного слоя (КС).4. Совершенствование электродинамической модели многослойной ДР,находящейся внутри многослойного магнитодиэлектрика.5.

Исследование радиотехнических свойств стенок РПУ с решётками изпрямых и искривлённых проводов.6. Разработка и исследование метаматериала с диэлектрической проницаемостью близкой к единице.Методы исследования. При решении поставленных задач использовались коротковолновый метод физической оптики (ФО), строгий метод ИУ,метод длинных линий, метод Галеркина для численного решения ИУ, методнаискорейшего спуска (метод Коши) для отыскания локального максимумафункции многих переменных.Научная новизна диссертационной работы:1. Предложена новая методика, основанная на принципах ФО, позволяющая в отличие от существующих методик более точно рассчитывать РТХсистемы антенны – РПУ.2.

Предложена методика, позволяющая эффективно снижать ОП, вносимую обтекателем.3. Впервые исследованы электродинамические свойства стенок РПУ,содержащих решётки из искривлённых проводов.4. Впервые исследованы электродинамические свойства метаматериалас диэлектрической проницаемостью близкой к единице.5. Детально исследованы максимально достижимые РТХ стенок пятислойной конструкции для носовых обтекателей самолётов.Практическая значимость работы:1. Проведенные исследования и разработанные электродинамическиемодели позволяют эффективно решать широкий круг задач, связанных с разработкой и производством РПУ различных конструкций и назначения, что, в6свою очередь, сокращает объем, а, следовательно, время и стоимость экспериментальных радиотехнических доводок.2. Применение разработанной методики снижения ОП с помощью КСпозволяет существенно повысить радиотехническое качество носовых самолётных обтекателей.3.

Разработанная электродинамическая модель многослойной ДР, находящейся внутри многослойного магнитодиэлектрика, позволяет существенно сократить время вычислений электродинамических параметров стенкиРПУ, в состав которых включены ДР.4. Применение в конструкции стенки решёток из искривлённых проводов позволяет повысить радиотехническое качество РПУ объектов, работающих в дециметровом и нижней части сантиметрового диапазонов.5. Представление многослойной диэлектрической структуры, содержащей решётки из искривлённых проводов, в виде метаматериала с диэлектрической и магнитной проницаемостью, зависящими определённым образомот частоты и угла падения волны, позволяет достаточно просто конструировать РПУ с улучшенными РТХ.Достоверность основных положений, результатов, выводов и рекомендаций работы подтверждены как экспериментальными исследованиями и сравнением с данными, опубликованными в других работах, так и успешным внедрением разработок автора в практику проектирования и изготовления самолетных антенных обтекателей.