Эффективная площадь рассеяния вибраторной антенной решетки при применении излучателей с диэлектрическим покрытием Текст научной статьи по специальности «Физика»

Электродинамика, микроволновая техника, антенны

УДК 621.396.67

М. Б. Рыжиков

Научно-исследовательский институт радиоэлектронных комплексов

Эффективная площадь рассеяния вибраторной антенной решетки при применении излучателей с диэлектрическим покрытием

Оценивается возможность снижения эффективной площади рассеяния (ЭПР) вибраторной антенной решетки при использовании радиально-симмет-ричного диэлектрического покрытия излучателей. Приводятся результаты исследования влияния параметров радиально-симметричного диэлектрического покрытия на характеристики рассеяния. Представлены зависимости ЭПР вибраторных излучателей с диэлектрическим покрытием от длины волны падающего излучения.

Дифракция, вибраторная антенная решетка, диэлектрическое покрытие, эффективная площадь рассеяния

Изучение рассеивающих свойств антенн приобретает в последнее время все большее значение в связи с тем, что они существенно влияют на эффективную площадь рассеяния (ЭПР) объекта, на котором расположена антенна [1]. Большое внимание к снижению ЭПР антенн объясняется необходимостью обеспечить электромагнитную совместимость близкорасположенных антенн и антенных решеток (АР).

Один из возможных способов уменьшения ЭПР антенн вне рабочей полосы частот предполагает установку перед облучателем частотно-селективного экрана [2] (рис. 1). На рабочей частоте экран прозрачен и существенно не влияет на работу антенны. Для остальных частот коэффициент отражения от экрана возрастает и падающие на антенну волны отражаются экраном в сторону. В качестве экрана может быть использована вибраторная АР при соответствующем импедансном и поляризационном согласованиях. Однако при падении электромагнитной волны по нормали к такому экрану требуется снижать ЭПР самого экрана. В качестве способа снижения ЭПР вибраторной АР можно © М. Б. Рыжиков, 2004 3

Отраженная от экрана волна

Падающая волна

Частотно-селективный _ экран

/ Антенна Рис. 1

Диэлектрик Металл

использовать диэлектрическое покрытие излучателей.

Структура радиально-симметричной вибраторной антенны с диэлектрическим покрытием приведена на рис. 2. Антенна характеризуется следующими геометриче-х скими размерами: радиусом металлической части (а); внешним радиусом антенны (Ь) равным сумме радиуса металлической части и толщины диэлектрического покрытия; длиной вибраторной антенны (Ь).

Рассмотрим падение плоской волны с единичным значением напряженности электрической составляющей и линейной поляризацией параллельно оси симметрии вибраторной антенны, совпадающей с осью 2 цилиндрической системы координат (р, у, г). Тогда диаграмму рассеяния для значений ЭПР можно определить через энергетическую функцию рассеяния и^ (у) и асимптотическое значение ЭПР для цилиндра £, используя

соотношение а (у ) = £ (0)и^ (у ) ([3], [4]), в которой функции £ (о) и и (у) определяются следующим образом:

£ (0) = 2пЬЬ2/Х0 ,

Рис. 2

и ( V ) =

к0Ь

Е Тт (-1Г Ат (тУ )

т=0

(1)

где ^0 - длина волны в свободном пространстве; к0 = 2л/^0 ; Тт = 1 при т = 0 и Тт = 2 при т ф 0; у - угол поворота в цилиндрической системе координат, отсчитываемый от направления падения плоской волны. Коэффициенты Ат в формуле (1) определяются как

Ат 1 ]Ст

(2)

а коэффициенты Ст вычисляются с использованием функций Бесселя Jm и Неймана

N

т

С = ^т

41^т (к0Ь) [I ] - N'm (к)Ь ) [II ]

где

(к0Ь ) [I ] - J'm (к0Ь) [II ] ' [I] = Jm (ка)Nт (кЬ) - J'm (кЬ)Nm (ка); [II] = Jm (ка)Nm (кЬ) - Jm (кЬ)Nm (ка)

(к = 2ял/ёД).

Ряд, входящий в формулу (1), достаточно быстро сходится, и можно показать, что для определения поля рассеяния достаточно ограничиться значениями первых 25 слагаемых.

2

4

Оценить эффективность применения диэлектрического покрытия для снижения ЭПР вибраторной фазированной АР (ФАР) можно при помощи показателя эффективности -отношения ЭПР вибраторной ФАР при использовании излучателей с диэлектрическим покрытием к ЭПР такой же ФАР с излучателями без покрытия. Чтобы определить характеристики рассеяния для ФАР больших размеров, следует воспользоваться решением задачи о дифракции плоской электромагнитной волны на бесконечной периодической вибраторной решетке (2). АР можно рассматривать как совокупность из М х N одинаковых ячеек. Величина двухпозиционного поперечника рассеяния в этом случае описывается как функция от углов, задающих направления падающей и отраженной волн в сферической системе координат (рис. 3) соотношением

' н I н т II ' р I

nS i i2 9 i i2 |2

0Ар (9, Ф, 9q, Ф0) = (0q, Ф0) (1 + cos е)(MN)2 FK (9, Ф, 9q, Фд) Fp (9, ф, 9q, Фо) ,

где SK - площадь одной периодической ячейки; R|9 - коэффициент отражения по мощности излучателя в заданном направлении; Fñ (9,ф,9q,фд) и Fp (9, ф, 9q, фд) - множители

рассеяния ячейки и решетки соответственно.

Выражения для этих множителей имеют следующий вид:

sin ( 0хо +0х ) sin ( ©y0 +0y )

FK (9, ф, 9о, Фо) =

(0 хо + © х) (©

y0 +© y

Fp (0, Ф, 0о, Фо) =

sin (M0х0 + M0х) sin (N0yo + N0y)

М ^п (0 х0 + 0 х) N (0 уо +0 у)

где ©хо = (Мх/2) сое (фо) вт (9о); 0уо = (Му/ 2)^ (фо)^ (ео); йх осям х и у соответственно.

Показатель эффективности снижения ЭПР при использовании АР с излучателями, покрытыми диэлектрическим покрытием, можно определить как отношение коэффициентов отражения по мощности излучателей, что аналогично отношению, взятому по значениям ЭПР излучателей: Кэф = стп/ст, где ап - ЭПР вибраторной

антенны с диэлектрическим покрытием; а - ЭПР вибраторной антенны без покрытия. Таким образом, показатель эффективности снижения ЭПР для АР зависит от эффективности снижения ЭПР вибраторной антенны с диэлектрическим покрытием.

dy - шаги АР по

zi

___0 \

Л ' 1 1 -гГ —/—1- /

. /

./ I

Рис. 3

7.5

5.0

2.5 0

15.5 -

11.0 -

6.5 2.0

4 6 8 ^0' см 1 2 3 см

Рис. 4 Рис. 5

На рис. 4 представлена зависимость показателя эффективности снижения ЭПР АР при изменении длины волны от 4 до 10 см. Из нее следует, что для некоторых значений длин волн в резонансной области рассеяния излучателей величина ЭПР АР для металлической вибраторной антенны оказывается в несколько раз больше, чем для антенны с покрытием. Это объясняется увеличением геометрической площади излучателей из-за покрытия.

Для оценки возможности эффективного снижения ЭПР излучателей АР рассмотрим зависимость ЭПР вибраторной антенны с диэлектрическим покрытием от различных параметров: длины волны облучения, толщины диэлектрического покрытия, значений его диэлектрической проницаемости. На рис. 5 приведена зависимость ЭПР от длины падающей волны ^0 = 4 см для вибраторной антенны с диэлектрическим покрытием со следующими параметрами: радиус металлической части a = 3 см, толщина диэлектрического покрытия d = Ь - a = 0.3 см, диэлектрическая проницаемость в = 4.3, длина антенны L = 0.5 м. Представленный график показывает, что зависимость ЭПР при длинах волн (^0 < 2.3 см), меньших, чем радиус металлической части (a = 3 см), носит ярко выраженный резонансный характер, а при значениях ^0 > a - монотонно убывающий.

Характер пространственного распределения рассеянного поля в зависимости от длины волны падающего излучения проиллюстрирован рис. 6, где представлены диаграммы

рассеяния (ДР) на вибраторном излучателе с диэлектрическим покрытием в сечении, проходящем перпендикулярно оси излучателя. Исследование проводилось при тех же параметрах излучателя, что и при построении рис. 4, но использовались две разные длины волны падающего излучения. Кри-° вая 1 на рис. 6 отображает (качественно) распределение рассеянного поля в пространстве при длине волны, втрое превышающей диаметр излучателя с покрытием (^0 = 6 см), а кривая 2 - при длине волны,

270 меньшей размера цилиндра (^ = 175 см).

Рис. 6

150

180

210

2

ип, м

Волна падает с направления = 0° • Во втором случае достигается уменьшение ЭПР в

обратном направлении.

Рассмотренные ДР показывают, что распределение рассеянного поля в пространстве существенно зависит от соотношения длины волны и диаметра излучателя, что необходимо учитывать при проектировании частотно-селективных экранов.

На рис. 7 представлены результаты исследования зависимости ЭПР от толщины диэлектрического покрытия при облучении вибраторной антенны с параметрами: a = 3 см, в = 4.3, L = 0.5 м при двух различных длинах волн. Внешний диаметр Ь изменяется от 3.2 до 5.2 см, что соответствует изменению толщины диэлектрического покрытия d от 0.2 до 2.2 см. Кривая 1 построена для длины волны ^о = 3 см , кривая 2 - для ^о = 6 см . Отметим, что значения ЭПР уменьшаются при увеличении длины волны, как уже упоминалось ранее. Кривая 1 также показывает возрастание значений ЭПР при увеличении внешнего радиуса, а следовательно, и габаритных размеров вибраторной антенны с диэлектрическим покрытием. Это отражает тот факт, что при увеличении площади поперечного распространению волны сечения тела, от которого происходит рассеяние электромагнитной волны, увеличивается и значение ЭПР.

Графики рис. 7 позволяют при прогнозируемой длине волны внешнего облучения выделить область или несколько областей значений толщины диэлектрического покрытия, выбор которых позволяет получить уменьшение ЭПР для данной длины волны. Например, выбрав значение d = 1.6 см, можно достичь уменьшения ЭПР одновременно для длин волн ^о = 3 и 6 см .

Рис. 7 Рис. 8

Следующий шаг исследования - построенная на рис. 8 зависимость ЭПР от значения диэлектрической проницаемости для двух значений длины волны. Параметры антенны a = 3 см, Ь = 3.3 см, длины волны ^о = 3 см (кривая 1) и ^о = 2.7 см (кривая 2). Представленные реализации похожи друг на друга по форме с учетом того, что одна из них сдвинута относительно другой. Отметим, что каждая из представленных реализаций имеет характерное значение диэлектрической проницаемости покрытия, при которой достигается четко выраженный минимум значения ЭПР. Для ^о = 3 см (кривая 1) этот минимум достигается при в = 9.5, для ^о = 2.7 см - при в = 8.5 . Таким образом, для меньших длин волн минимум находится при меньших значениях диэлектрической проницаемости.

Л

На рис. 9 представлен график зависимости ЭПР вибраторной антенны с диэлектрическим покрытием от длины волны и от толщины диэлектрического покрытия. На графике можно выделить две области. Первая - область значений длин волн, которые меньше диаметра вибраторной антенны или соизмеримы с ним, вторая - область, в которой значения длин волн превосходят его. В первой области зависимость ЭПР от длины волны носит колебательный характер (так называемая резонансная область рассеяния),

Рис. 9

во второй области наблюдается быстрое монотонное уменьшение ЭПР.

Результаты исследования показали, что эффективность снижения ЭПР вибраторной АР можно уменьшить в несколько раз для некоторых длин волн при использовании диэлектрических покрытий излучателей. При этом параметры диэлектрического покрытия можно подобрать таким образом, чтобы добиться снижения ЭПР АР для определенной длины волны. Результаты работы могут быть использованы при проектировании частотно-избирательных вибраторных АР, использующихся для уменьшения ЭПР антенн.

1. Бененсон Л. С., Фельд Я. Н. Рассеяние электромагнитных волн антеннами (обзор) // Радиотехника и электроника. 1988. Т. XXXIII, № 2. С. 507-514.

2. Кисель С. П. и др. Моделирование экранов с управляемой прозрачностью // Антенны. 2003. № 6. С 3-27.

3. Кобак В. О. Радиолокационные отражатели. М.: Сов. радио, 1975. 245 с.

4. Krasyuk V. N., Rizhikov M. B. Scattering cross section of dielectric cylinder by metallic core loading of millimeter waves. // Fourth international Kharkow Symposium Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves (MSMW - 2001): Proceedings. Kharkow: Kharkow National University, 2001. С. 75-84.

5. Пономарев Л. И., Шаталов А. В. Рассеяние плоской электромагнитной волны периодической решеткой вибраторов с сосредоточенными и распределенными нагрузками // Радиоэлектроника. 1986. Т. 29, № 2. С. 58-64.

M. B. Rizhikov

Scientific Research Institute of Radioelectronic Complexes

Scattering Cross Section of Dipole Array Antenna on Radiator with Dielectric Covering Application

Probability of reducing of scattering cross section (SCS) of dipole array antenna on application of radial symmetrical dielectric covering of radiators is estimated. Results of influence of parameters of dielectric covering on scattering characteristics are adduced. The SCS dependences for dipole with dielectric covering upon wave length of incident radiation are defined.

Библиографический список

Diffraction, dipole array antenna, dielectric covering, scattering cross section

Статья поступила в редакцию 11 декабря 2003 г.