РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ИЗВЛЕЧЕНИЯ, ОБРАБОТКИ И ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ (1087875), страница 29

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 29)

- при необходимости выполнения каких-либо дополнительных условий задачи в виде, например, заданной ширины полосы рабочих частот, ограничений на вес и габариты, на допустимые значения проницаемостей материалов, на виды их частотных зависимостей;

- при учёте условий эксплуатации устройств, а также технологических и экономических возможностей создания материалов с найденными параметрами.

За несколько десятилетий исследований и разработок в мире накоплен огромный теоретический и экспериментальный материал по созданию радиопоглощающих материалов и покрытий на их основе.

Вначале радиопоглощающие покрытия (РПП) проектировались для узкой полосы частот при нормальном падении волны. Простейшее диэлектрическое РПП представляет собой в этом случае резонансный поглотитель, состоящий из однородного слоя диэлектрика с комплексной проницаемостью, нанесенного на металл. Предлагалось также использование диэлектрических плёнок. Если на расстоянии в четверть используемой длины волны от металлического экрана помещена диэлектрическая плёнка, обладающая определённой толщиной и проводимостью, то такое покрытие практически не отражает падающую на неё волну. В дальнейшем, по мере ужесточения ограничений на допустимые габариты покрытий и разработкой новых материалов для нужд радиотехники и электроники, стали использоваться магнитодиэлектрические материалы [ ], позволяющие уменьшить толщину слоя.

Во всех РПП описанного типа определяющую роль в получении требуемых характеристик играют интерференционные процессы. Обратная волна, отражаемая слоем покрытия, нанесённым на металлический экран, формируется при сложении электромагнитных волн, отражённых от границы слоя со свободным пространством и от металла. Малый уровень отражения от РПП такого типа объясняется сложением двух таких волн с близкими амплитудами и с противоположными фазами.

Обеспечение указанных условий сложения волн с помощью однородных покрытий может быть осуществлено только в узкой полосе частот. Покрытия подобного рода получили название интерференционных.

Необходимость увеличения полосы частот, поглощаемых РПП, привело к использованию плоскослоистых структур на основе однородных диэлектриков и магнитодиэлектриков. Такие структуры позволяют при проведении оптимизации толщины слоёв и значений проницаемостей за счёт использования интерференции волн, отражённых от всех слоёв, значительно расширить полосу рабочих частот [ ].

Дальнейшее расширение полосы рабочих частот обеспечивают градиентные материалы, имеющие многослойную структуру с плавным изменением комплексной диэлектрической проницаемости по толщине. Условно к градиентным материалам относят также материалы с рельефной внешней поверхностью (образуемой выступами в виде шипов, конусов и пирамид). Уменьшению коэффициента отражения в них способствует многократное отражение волн от поверхностей шипов (с заметно меньшим единицы коэффициентом отражения в каждом случае). Используются также комбинированные материалы - сочетание материалов градиентного и интерференционного типов.

По отношению к частотным свойствам различают широкодиапазонные (широкополосные) покрытия - f_макс/ f_мин > 3 - 5, где f_макс и f_мин – максимальная и минимальная рабочие частоты, узко диапазонные (узкополосные) - f_макс / f_мин ~ 1,5  2,0 и рассчитанные на фиксированную длину волны. Покрытия с отношением f_макс / f_мин большим, чем указанные выше, относят к сверхширокополосным покрытиям.

Чем больше однородных слоёв используется для создания покрытия, тем больше появляется возможностей для оптимизации РПП по ширине полосы рабочих частот, по уменьшению общей толщины покрытия, по расширению сектора углов падения с малым коэффициентом отражения и другим характеристикам. Расширяются также возможности, связанные с обеспечением выполнения дополнительных требований к покрытиям, таких как ограничения на вес и габариты, ограничения на максимальные и минимальные значения действительных и мнимых частей комплексных диэлектрических и магнитных проницаемостей материалов и на их частотные зависимости.

В пределе, при дальнейшем увеличении числа слоёв, сохраняя неизменной общую толщину РПП, получаем плавнонеоднородные покрытия. РПП на основе плавнонеоднородных сред потенциально обладают лучшими характеристиками, чем однородные или покрытия на основе небольшого числа однородных слоёв.

В работах [ ] рассмотрен ряд частных случаев отражения электромагнитных волн многослойными структурами, в том числе с периодическими неоднородностями, по расчету коэффициента отражения шахтной структурой из проводящих полос, структурой с резистивной емкостной пленкой.

Улучшение характеристик РПП основывается также на увеличении диапазона значений магнитной и диэлектрической проницаемостей у используемых материалов [ ].

Зарубежные и отечественные фирмы выпускают широкую номенклатуру промышленных диэлектрических и магнитодиэлектрических радиопоглощающих и радиопрозрачных материалов и покрытий самого различного назначения для применения в самых разных условиях на земле, на летательных аппаратах, в космических условиях. Во многих странах зарегистрированы сотни патентов, содержащих описания искусственных материалов и покрытий поглощающих электромагнитные волны. Исследуются возможности создания покрытий на основе нетрадиционных материалов – плазменных образований [ ], нелинейных сред [ ].

Вместе с улучшением качества создаваемых покрытий растут и требования к их характеристикам. Появляются новые задачи, такие как обеспечение заданных угловых характеристик отражения для больших углов падения волн, для широких секторов углов падения при различных видах поляризации. Ставятся и решаются задачи создания покрытий для защиты криволинейных поверхностей при нормальном и наклонном падении электромагнитной волны.

Реальные объекты всегда имеют конечные размеры, и существенный вклад в отражённый сигнал начинают вносить краевые эффекты. Учёт краевых эффектов при отражении волн объектами сложной формы приводит к необходимости решать задачи по минимизации ЭПР тел, защищённых РПП, и громоздкие обратные задачи поиска двух – и трёхмерных распределений проницаемостей по объёму покрытия, обеспечивающих заданные требования к отражённой волне [41].

Эффективность РПП в значительной степени определяется формой исходного защищаемого объекта. В связи с этим появляются ещё более сложные задачи снижения ЭПР одновременно за счёт допустимых изменений формы объекта и оптимизации РПП.

Одной из наиболее передовых технологий создания малоотражающих радиоволны объектов в настоящее время считается стеллс-технология, использование которой базируется одновременно на придании защищаемому объекту оптимальной формы с точки зрения минимизации отражения радиоволн и на покрытии его слоем сверширокополосного РПП.

Для оптимизированной в соответствии со стеллс-технологией формы объекта характерно отсутствие острых углов в конструкции и наличие плоских участков поверхностей - большей или меньшей площади, которые соединяются между собой под тупыми углами. Подобное соединение плоских участков РПП значительно снижает вклад краевых эффектов в суммарный отражённый сигнал. РПП в этом случае защищает плоские или близкие к плоским участки отражающей поверхности. Наиболее важными в этом случае становятся характеристики отражения при нормальном и наклонном падении волны.

Вместе с совершенствованием поглощающих покрытий разрабатываются новые методы обнаружения и определения координат малозаметных радиолокационных целей, снижающие эффективность существующих широкополосных и сверхширокополосных РПП.

Следует отметить, что в настоящее время не существует единого общепринятого подхода к разработке покрытий различного назначения и искусственных материалов для них, позволяющего по заданным требованиям к покрытиям найти и оптимизировать их параметры и перевести разработку покрытий в практическую плоскость. Для создания такой теории необходимо решить ещё ряд фундаментальных проблем:

• найти и провести анализ решений для плоских покрытий на основе плавно неоднородного слоя при различных углах падения и для различных типов поляризации волны;

• найти и описать условия, обеспечивающие: - минимальный коэффициент отражения от границы плавно неоднородного слоя; - условия, обеспечивающие максимальный коэффициент прохождения волны;

• исследовать частотные характеристики покрытий;

• исследовать возможности оптимизации характеристик покрытий при условии их физической реализуемости.

На основе теории распространения волн в плавно неоднородных вдоль одного направления средах необходимо решить ещё ряд проблем по созданию покрытий:

• определить предельно достижимые характеристики поглощающих и просветляющих плоских покрытий с учётом заданных ограничений;

• разработать методы решения задач оптимизации РПП с ограничениями, описывающими дополнительные требования к характеристикам покрытий;

• исследовать возможности новых методов обнаружения и определения координат малозаметных радиолокационных целей, снижающих эффективность существующих широкополосных РПП в целях адаптации покрытий к возможности применения этих методов.

Развиваемый подход позволяет математически формализовать и унифицировать разнородные обратные задачи по разработке покрытий. Соответствующие задачи формулируются как задачи поиска оптимальных функций или функционалов с дополнительными условиями,

обеспечивающими:

• физическую реализуемость найденных решений;

• выполнение введенных ограничений, учитывающих дополнительные требования к разрабатываемым (в том числе искусственным) материалам: ограничения на максимальные и минимальные значения действительных и мнимых частей проницаемостей и на типы дисперсионных зависимостей;

• выполнение ограничений на размеры, вес, условия эксплуатации РПП и пр.

Решения описанных задач проводятся на основе нового подхода. Подход основан на использовании двух доказанных положений:

1) возможности представления с помощью введённой одной функции общего решения

одномерного волнового уравнения для плавно неоднородной магнитодиэлектрической среды в виде двух волн – падающей и отражённой;

1. существования физически реализуемой неоднородной полубесконечной среды, волновое сопротивление которой на её границе равно волновому сопротивлению свободного пространства при любых заданных значениях диэлектрической и магнитной проницаемости на этой границе. Указанное согласование волновых сопротивлений возможно на любой заданной частоте и заданном угле падения волны. В этом случае волна, падающая из свободного пространства на границу раздела, полностью, без отражения проходит в неоднородную среду.

В последнее время большое внимание специалистов привлекают разработки неоднородных покрытий на основе искусственных материалов из смесей магнитных и диэлектрических веществ, с возможным включением в состав смеси каких либо поглощающих или отражающих радиоволны элементов. Размер элементов по одной или двум осям выбирается сравнимым с длиной волны, по другим направлениям – много меньше. Описанное построение РПП и его обоснование было предложено, в частности, в работах [ ]. На основе такого рода композиционных материалов можно создавать широкополосные и сверхширокополосные РПП с заданными свойствами, а также согласующие и просветляющие покрытия.

При расчётах характеристик таких материалов обычно на основе соотношений компонентов смесей и, возможно, дополнительно включаемых в состав композиционного материала каких-либо структур, физически обосновывается электродинамическая модель взаимодействия составляющих композита. На основе модели выполняются расчёты по определению комплексных значений эффективных диэлектрической и магнитной проницаемостей [ ] и проводится оптимизация параметров полученных структур [ ].

Разработка и оптимизация подобных искусственных радиопоглощающих материалов, исследование их электродинамических параметров и определение эффективных значений характеристик покрытий на их основе, а также создание искусственных материалов с заданными свойствами требует проведения громоздких аналитических и численных расчётов.

16.3. Метод минимизации функционалов

Представлен новый относительно простой и в то же время достаточно точный метод расчёта характеристик неоднородных РПП на основе структур из дискретных элементов.

Предлагаемая методика решения позволяет определить оптимальные характеристики РПП для заданных в каждой конкретной задаче условий и реализовать их путём выбора оптимальных распределений комплексных проницаемостей по толщине слоя покрытия.

Проведенные аналитические исследования и результаты математического моделирования процессов, связанных с распространением электромагнитных волн в неоднородных средах, позволяют выработать требования к создаваемым искусственным материалам с заранее заданными свойствами для нужд современной техники, для научных исследований, для использования в области новых технологий.

Показано, что два линейно независимых решения волнового уравнения для неоднородных вдоль одного направления магнитодиэлектрических сред могут быть представлены с помощью одной функции g(z) в виде распространяющихся в среде прямой и обратной волн.

Коэффициенты поглощения, отражения и прохождения представлены в новом, удобном для анализа и численных расчётов виде с помощью функции g(z). Посредством g(z) выражены также распределения проницаемостей в неоднородной среде. В итоге, все основные требования к электродинамическим характеристикам покрытий и распределениям проницаемостей сведены к основным и дополнительным условиям, налагаемым на функцию g(z). На этой основе математически формализованы, унифицированы и корректно поставлены задачи определения оптимальных по различным критериям параметров плавно неоднородных сред как задачи поиска функции g(z).

Найдены граничные условия для функции g(z), порождающие распределения проницаемостей вблизи плоской границы неоднородной среды, которые обеспечивают полное, без отражения прохождение падающей волны в слой покрытия, несмотря на скачок значения проницаемости на границе раздела со свободным пространством. Предложен новый метод согласования волновых сопротивлений неоднородной и однородной сред. Выявлено существенное преимущество по ширине полосы рабочих частот предлагаемого метода согласования по сравнению с традиционными.

Найден и исследован единственный тип неоднородного слоя, описываемый волновым уравнением с постоянными коэффициентами. В явном виде получены выражения, описывающие процессы распространения, поглощения, отражения радиоволн, распределения проницаемостей по толщине, что позволило исследовать основные общие свойства плавно неоднородных покрытий. Описаны частотные и угловые характеристики отражения РПП на основе слоёв описываемого типа.

Найдены граничные условия для функции g(z), обеспечивающие полное отсутствие отражения от границы при наклонном падении волны из свободного пространства на полубесконечный плавно неоднородный слой. Теоретически обоснованы и проверены на моделях методы решения задач оптимизации угловых характеристик отражения тонких покрытий. Поставлены и решены задачи: - снижение интегрального коэффициента отражения в заданном секторе углов; - получение максимально широкого сектора углов падения с коэффициентом отражения не выше заданного. Решения при заданных ограничениях получены для перпендикулярной и параллельной поляризации, а также одновременно для поляризации двух типов.

Характеристики

Список файлов книги