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

1Федеральное государственное бюджетное учреждение наукиИнститут теоретической и прикладной электродинамики Российской академии наукНа правах рукописиБасков Константин МихайловичСовременное электродинамическое сопровождение проектирования и изготовления систем антенна – радиопрозрачное укрытиеСпециальность 05.12.07 – Антенны, СВЧ устройства и их технологииДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени кандидата технических наукНаучный руководительдоктор технических наукФедоренко Анатолий ИвановичМосква 20162СОДЕРЖАНИЕВведение …………………………………………………………………………….51 Диэлектрические радиопрозрачные укрытия антенн с большимиэлектрическими размерами………………………………………………………….211.1 Прохождение волны через плоскую слоистую бесконечнуюмагнитодиэлектрическую структуру….………………………….........................221.2 Оптимизация параметров слоев стенки радиопрозрачных укрытий………291.3 Исследование электродинамических свойств пятислойной стенки………..321.4 Максимально достижимые радиотехнические характеристикипятислойной стенки ..…………………………………………………………...........371.5 Метод физической оптики для анализа радиопрозрачных укрытийбольших волновых размеров….…………………………………………………..461.6 Снижение ошибки пеленга носового обтекателя самолёта с помощьюкомпенсационного слоя переменной толщины……………………………… …591.7 Выводы……………………………………………………………………….…682 Моделирование диэлектрических стенок радиопрозрачных укрытий сдифракционными решётками…….………………………………………………….692.1 Постановка задачи.

Вывод интегрального уравнения………………………702.2 Функция Грина для слоистых магнитодиэлектрических сред……………...732.3 Функция Грина для случая расположения точек наблюдения иинтегрирования в разных слоях диэлектрика…………………………………….752.4 Падающее поле в области многослойного диэлектрика, где находитсярешётка……………………………………………………………………………..782.5 Коэффициенты отражения и пропускания (коэффициенты Френеля)…......812.6 Интегральное уравнение для диэлектрика с объёмной решеткой…….……842.7 Численное решение интегрального уравнения………………………….…...902.8 Тестирование модели многослойной диэлектрической структуры,содержащей дифракционные решетки…………………………………………..1002.9 Частотно-избирательные решётки для снижения радиолокационной3заметности антенн дециметрового диапазона…………………………………..1112.10 Выводы……………………………………………………………………....1173 Радиопрозрачные укрытия антенн дециметрового диапазона длин волн…….1203.1 Электродинамическое моделирование радиопрозрачных укрытийдециметрового диапазона длин волн……………………………………………1213.2 Тестирование методики ………………………….………………………......1293.3 Стенки обтекателей с улучшенными радиотехническимихарактеристиками для антенн дециметрового диапазона длин волн….....…...1333.3.1 Общие замечания…………………………………………………….……..1333.3.2 Поверхностная проводимость индуктивного характера решёткииз прямых проводов………………………………………………………………1343.3.3 Зависимость эквивалентной индуктивности от параметров решетки......1373.3.4 Увеличение индуктивности поверхностной проводимости решеткиза счет искривления проводов в виде меандра……………………………………..1413.3.5 Увеличение индуктивности решеток за счет искривленияпроводов в виде соленоида…………………………………………..……….…..1493.3.6 Заключительные замечания………………………………………………...1513.4 Метаматериал с высокой механической прочностью идиэлектрической проницаемостью близкой к единице………………………...1523.4.1 Общие замечания……………………………………………………….…...1523.4.2 Расчёт эффективных электродинамических параметровметаматериала……………………………………………………………….…….1543.4.3 Учет потерь в диэлектрической матрице………………………………….1593.4.4 Проверка границ применимости формул для расчетаэффективных параметров метаматериала……………………………………….1613.4.5 Преимущества использования решёток из искривлённых проводов…....1653.4.6 Экспериментальное исследование метаматериала сдиэлектрической проницаемостью близкой к единице………………………...1683.4.7 Некоторые примеры применения метаматериала для созданиярадиопрозрачных укрытий……………………………………………………….17043.5 Выводы………………………………………………………………….……..176Заключение…………………………………………………………….…………….178Список сокращений……………………………………………………….………...182Список литературы……………………………………………………….…………183Приложение А……………………………………………………………….……….1895ВведениеС учетом современных требований к бортовым радиотехническим системамнеобходимо уделять особое внимание проектированию радиопрозрачных укрытий(РПУ), которые служат для защиты антенных устройств от внешних воздействующих факторов.

При правильной постановке задачи минимизации влияния РПУ(обтекателя) на характеристики излучения антенны необходимо рассматриватьего как неотъемлемую часть антенной системы. Проектирование РПУ состоит измногих этапов [1, 2, 3, 4]: подбор материалов, пригодных для производства; разработка конструкции стенки; разработка формы РПУ; оценка прочностныхсвойств; разработка технологии производства и др.Особое внимание при конструировании РПУ уделяется вопросам радиопрозрачности, а также вопросам минимизации искажений диаграммы направленности(ДН) антенны. Для достижения требуемой радиопрозрачности РПУ в заданномдиапазоне частот при разных углах падения электромагнитной волны (ЭМВ)необходимо подбирать подходящую конструкцию стенки, которая обеспечивалабы также нужную прочность РПУ.

Чаще всего для обтекателей антенн СВЧ диапазона используют следующие конструкции стенок [3]:1. Однослойная стенка, толщина l которой много меньше длины волны (рисунок В.1а). Такая стенка применяется в РПУ, которое не испытывает сильныхнагрузок или в случае, когда рабочая длина волны антенны достаточно большая.Эти стенки могут работать в широком диапазоне частот. К сожалению, с увеличением рабочей частоты электрическая толщина стенки увеличивается, что приводит к увеличению отражения от нее ЭМВ и увеличению влияния РПУ на радиотехнические характеристики (РТХ) антенны.2. Однослойная n-полуволновая стенка (рисунок В.1б). Такие стенки используются в узком диапазоне частот, а полное электродинамическое согласование у них возможно только при одном угле падения ЭМВ.6,  l  ,l  n2б)а)1, l121, l21, l13, l32 1, l241, l43, l35, l5в)г)1, l121, l23, l341, l45, l51, l12, l23, l3реактивные решётки61, l67, l7е)д)Рисунок В.1 - Варианты конструкций стенок РПУ: а) монолитная тонкая стенка; б) монолитная полуволновая стенка; в) трехслойная стенка; г)пятислойная стенка; д)семислойная стенка; е) стенка с реактивными решётками3.

Трехслойная стенка (рисунок В.1в). Состоит из двух слоёв наружной обшивки и внутреннего слоя с малыми значениями диэлектрической проницаемости. Эта стенка обладает достаточно высокой механической прочностью, работаетв широком диапазоне частот. РПУ с такой стенкой имеет малый вес.74. Пятислойная стенка (рисунок В.1г). Наиболее часто используется в носовых обтекателях сверхзвуковых самолётов. Она состоит из трёх плотных диэлектрических слоёв (два внешних слоя обшивки и один центральный слой), междукоторыми находятся два слоя из материала с диэлектрической проницаемостьюблизкой к единице (обычно это сотовые слои). Применение такой конструкциистенки позволяет обеспечить радиопрозрачность РПУ в широком диапазоне частот при разных углах падения на неё ЭМВ.

Такая конструкция обладает высокоймеханической прочностью.5. Многослойная стенка (рисунок В.1д) с большим количеством слоёв.Обычно в РПУ антенн СВЧ диапазона она применяется редко из-за технологических сложностей, но с точки зрения теоретических исследований может быть интересна. Например, в [3] показано, что стенки с такой конструкцией могут бытьиспользованы для нескольких диапазонов частот.6.

Стенка с металлическими включениями (рисунок В.1е), применение которых позволяет повысить механическую прочность и улучшить РТХ обтекателей. Металлическими включениями могут быть сетки из проводов [1,3,5]. Такиесетки обладают реактивной проводимостью (индуктивного характера) и могутслужить в качестве согласующих слоёв. Использование реактивных решёток в составе стенки РПУ позволяет производить электродинамическое согласованиепроизвольных по толщине диэлектрических слоёв, что позволяет снизить уровеньотражения от них ЭМВ. Кроме того, металлические провода в решётках могутбыть использованы для обеспечения освещения или обогрева РПУ.

Помимо сетокиз проводов в стенки РПУ могут быть включены дифракционные решётки (ДР),выполняющие специальные функции: частотную и/или угловую селекцию сигнала антенны.Для хорошей работы системы антенна – РПУ надо найти такие параметрыслоёв стенки, которые обеспечивали бы минимальное искажение фронта падающей на неё ЭМВ во всем рабочем диапазоне частот антенны при всех углах падения. Если для однослойных и трехслойных конструкций оптимальные параметрыподобрать сравнительно несложно, то уже для пятислойных конструкций подбор8весьма затруднителен из-за большого количества варьируемых параметров.

Задача может быть решена путем численной оптимизации параметров многослойныхструктур. В [6] предложен общий алгоритм решения задачи оптимизации конструкции стенки РПУ, который описывает принцип оптимизации некоторогонормированного критерия качества обтекателя. Критерий качества обтекателя –это некоторый функционал, который ещё называют целевой функцией (ЦФ) в задачах оптимизации, зависящий от параметров стенки обтекателя, а также от некоторых весовых коэффициентов, подчёркивающих важность той или иной характеристики стенки. Оптимизируя параметры слоёв стенки, корректируя весовые коэффициенты, а также изменяя конструкцию стенки, можно приблизиться к наиболее простому варианту конструкции стенки, удовлетворяющему предъявляемым кРТХ обтекателя требованиям.Вопросам синтеза и оптимизации конструкций стенки РПУ посвященобольшое число работ, например [7,8].