CC BY
54
УДК 621.396.67
ИССЛЕДОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ КВАЗИФРАКТАЛЬНОГО РАДИОПОГЛОТИТЕЛЯ НА ОСНОВЕ ЧАСТОТНО-ИЗБИРАТЕЛЬНЫХ РЕШЕТОК С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ
ПОТЕРЯМИ
С.А. Антипов,А.Ф. Латыпова, Ю.Г. Пастернак
Разработаны и исследованы возможные варианты конструкций
квазифрактальногооднослойногорадиопоглотителя, построенных на основе различных подходов к реализацииквазифрактальнойконфигурации частотно-избирательных решетокс распределенными потерями. С использованием численного моделирования показано, что на основе квазифрактальногорадиопоглотителя с гальванической связью между элементами ЧИР разного масштаба могут быть созданы тонкие и сверхширокополосные радиопоглотители с хорошей угловой стабильностью
Ключевые слова: квазифрактальныйрадиопоглотитель, коэффициент отражения, частотно-избирательная решетка
В последнее время возрос интерес к электромагнитным поглотителям волн, с помощью которых возможно решение проблем, связанных с электромагнитной
совместимостью электронных устройств и интерференцией, которая является главной помехой для радиочастотной идентификации [1,2]. В связи с этим актуальной задачей является разработка тонких и
сверхширокополосных радиопоглоти-телей.
Самым известным и простымтипом радиопоглотителей является экран Солсбери[3], который состоит из одиночного резистивного листа, располагающегося на расстоянии четверти длины волны от металлического экрана. Данный тип поглотителя обладает узкой полосой и относительно большой толщиной.Для расширения полосы поглощения предложен многослойныйЯуманна
поглотитель [4], состоящий из
несколькихэкранов Солсбери. Но такие структуры являются громоздкими, что не подходит для многих военных
приложений. Огромное количество зарубежных работ в настоящее время посвящено разработке поглотителей на основе частотно-избирательных решеток (ЧИР), с помощью которых возможна реализация тонких и сверхширокополосных радиопоглощающих покрытий. Поглотитель на основе печатныхЧИР с сосредоточенными нагрузками в виде резисторов позволяет получить сверхширокую полосу поглощения при
АнтиповСергейАнатольевич- ВГТУ, д-р физ.-мат.наук, профессор, тел. (473) 246-27-00
Латыпова Алина Фидарисовна - ВГТУ, аспирант, тел. 8(905) 657-08-51
Пастернак Юрий Геннадьевич - ВГТУ, д-р техн.наук,профессор, тел. (4732)43-77-29
толщине покрытия 0,138Х0 [5]. Однако, использование массива резисторов приводит к сложности производства.
Альтернативным методом создания радиопоглотителейявляется замена
проводящих ЧИР резистивными, которые обладают поверхностным сопротивлением, заданным в Ом/кв[6,7].Одиниз таких поглотителей предлагается в работе [7]. Данный поглотитель, состоящий из печатных тройных квадратных резистивных рамок, обеспечивает коэффициент перекрытия по частоте 3 при коэффициенте отражения -10 дБ.При этом толщинарадиопоглотителя составляет всего лишь 0,13^ от средней длины рассматриваемого частотного диапазона.
Расширение полосы поглощения поглотителей на основе ЧИР возможно за счет построения ЧИР в виде многослойных ЧИР или примененияЧИР с элементами сложной формы.
В настоящей работе для расширения полосы поглощениярадиопоглотителя на осно-веЧИР крестообразной формы предлагается использовать дваварианта конструкций:
1) использование квазифрактального построения ЧИРс последующим выбором наилучшей конструкции, обеспечивающей малый коэффициент отражения в сверхширокой полосе частот;
2) применениегальванической связи между элементамиквазифрактальнойЧИРразного масштаба дляквазифрактальнойконструкции, полученной на предыдущем шаге.В нашем случае, квазифрактальностьзаключается в способе размещенияэлементов ЧИР разного масштаба: на каждой итерациип к элементу большего размера добавляютсяс четырех сторон элементыЧИР крестообразной формыс масштабом, отличающимсяв кпраз, то есть,
ширина и длина элемента уменьшаются в одно и тоже число разкп .
Математическая модель
поглотителястроится на основе концепции бесконечной периодической решетки, используя модель канала Флоке. Под каналом Флоке понимается часть пространства, ограниченная вертикаль-ными стенками, на которых установлены периодические условия. В бесконечной периодической структуре поле в свободном пространстве имеет вид гармоник Флоке, каждая из которых является плоской волной, распространяющейся в пространстве под определенным углом. Анализ бесконечной структуры при этом сводится к анализу одного периода структуры (элементарной ячейки). Падающее поле в канале Флоке представлено фундаментальными типами волн Флоке TE(0,0) и ТМ(0,0).
Элементарная ячейка Флоке квазифрактального поглотителя на основе ЧИР на каждой итерации пи общий вид массива представлены на рис. 1.
Рис. 1. Конструкции квазифрактального поглотителя при разных итерациях: а) ячейка при 0-й итерации ЧИР, б) пример массива при 0-й итерации, в) ячейка при 1-й итерации ЧИР, г) пример массива при первой итерации, д) ячейка при 2-й итерации ЧИР, е) пример массива при второй итерации, ж) ячейка при 3-й итерацииЧИР, з) пример массива при третьей итерации, и) вид сбоку
Рис. 1. Продолжение
Представленные на рис. 1 варианты конструкцийпоглотителя имеют размеры, которые приведены в табл. 1. При исследовании квазифрактальных конструкций поглотителя размер L1 и материальные параметры подложки сохранялись постоянными, менялись лишь значения коэффициента масштабированиями размер ячейкиL. Максимальное количество итераций выбрано 3, поскольку дальнейшее уменьшение размеров приводит к физическойнереализуемости.
Таблица 1
_Размеры ячейкирадиопоглотителя
Параметр
Длина ЧИР ячейки Ь, мм
Длина исходнойЧИРЬ1, мм
Коэффициент масштабирования первой итерациик1, мм
Коэффициент масштабирования второй итерациик2, мм
Коэффициент масштабирования третьей итерациик3, мм
Толщина ЧИР большого размера мм
Интервал междуЧИРг, мм
Сопротивление ЧИР на квадрат Я, Ом/кв
Толщина диэлектрической подложки 1, мм
Значение
32
30
1,5
1000
0,5
Исследования характеристик поглотителя проводились путем численного моделирования с использованием метода конечного интегрирования (РтИеМеггаНопМе&оф,
описанного Вейландом в [8] для пространственно-временных координат решения соответствующей электродинамической задачи.
2
4
5
2
При моделировании конструкций поглотителя исследовались следующие их характеристики: зависимость входного сопротивления поглотителя (номограмма Вольперта-Смита), зависимость коэффициента отражения от частоты.
Исследуемая структура обладает независимостью от типа поляризации в силу ее симметричности. Поэтому частотнаязависи-мость коэффициента отражения приводится лишь для одного типа поляризации.
На рис. 2 представлены частотная зависимость коэффициента отражения поглотителя и диаграмма Вольперта-Смита входного сопротивления
квазифрактальногопоглотителя с
несоприкасающимися эле-ментами ЧИРпри разных итерациях.
|5ц|.ДБ
б)
Рис. 2. График частотной характеристики коэффициента отражения
квазифрактальногопоглотителя(а) и входной импеданс (б)с несоприкасающимисяЧИРпри п-й итерации: кривая 1 -0-я итерация ЧИР, кривая 2- 1-я итерация ЧИР, кривая 3-2-яитерацияЧИР, кривая 4-3-я итерацияЧИР
Одним из критериев радиопоглотителя является широкая полоса поглощения. Для оценки широкополосности радиопоглощающей структуры вводится коэффициент перекрытия по частоте, под которым понимается отношение верхней 1тах и нижней частот полосы. Значения коэффициента перекрытия по
уровню -10 дБ для каждой итерации квазифрактальной конструкции представлены в табл.2.
Таблица2
Коэффициент перекрытия по частоте при разных итерациях квазифрактальногопоглотителя
Номер итерации, п 0 1 2 3
Коэффициент перекрытия, К1 0 2.25 6.75 6,5
Как видно из табл.2, наибольшим коэффициентом перекрытия по частоте обладает конструкциярадиопоглотителя со 2-й
итерациейЧИР, что в 2,16 раз больше результата, достигнутого в работе [5] в случае применения резистивных тройных квадратных рамок.
Для поглотителей одним из условий поглощения является согласование входного импеданса квазифрактальногорадиопоглотите-ля с импедансом воздуха (377 Ом), т.е. входной импеданс поглотителя должен быть активным.По диаграмме Вольперта-Смита из рис. 2бвидно,что по мере увеличения итерацииреактивные составляющие
уменьшаются, и кривая входного импеданса поглотителя приближается к 1. Таким образом, за счет квазифрактального построения ЧИР возможно согласование входного импеданса поглотителя с импедансом воздуха в сверхширокой полосе частот.
Следующий этапзаключается в исследовании конструкцийполученного
однослойного квазифрактальногорадиопогло-тителясо2-й итерациейс гальванической связью между элементами ЧИР разного масштаба. На рис. 3 представлены
вариантыквазифрактального поглотителя с соприка-сающимися элементами ЧИР.
На рис. 4а представлена частотная зависимость коэффициента отражения, на рис. 4б - диаграмма входного импеданса.
В случае применения соприкасающихся элементов крупного и среднего масштаба или соприкасающихся элементов малого масштаба с элементами крупного и среднего масштаба ЧИР расширяется полоса поглощения в низкочастотной области рассматриваемого диапазона и уменьшается уровень отражения, как показано на рис. 4а. При этом в высокочастотной области положение граничной частоты не изменяется.
а)
в)
с:
::::::::::::
■ ^■мм!^!
■ и вй Ыи и ■
м. -у-0-и-
ЧВ 1Г11 1Г11 В Г ищ_щи ВЦ рв ■ Я
■ ГЬ||Г¥¥|ГЬ|
:::::::::::: вввв "ЧР" ■ ЧР ■
ж)
1з)
Рис.3. Конструкции квазифрактального поглотителя с гальванической связью между элементами разного масштаба ЧИР: а) ячейка с соприкасающимися элементами крупного масштаба, б) общий вид массива (ячейка а), в)ячейка с соприкасающимися элементамикрупного и среднего масштаба, г) общий вид массива (ячейка в), д) ячейка совсеми соприкасающимися элементами, е) общий вид массива (ячейка д), ж)ячейка с соприкасающимися элементами малого масштаба с крупными и средними элементами при несоприкасающихся между собой элементах крупного и среднего масштаба, з)общий вид массива (ячейка ж), и)ячейка с соприкасающимися элементами малого масштаба с крупными и средними элементами при соприкасающихся элементах крупного масштаба, й) общий вид массива (ячейка и)
в)
Рис. 4.Частотная зависимость коэффициента отражения квазифрактального поглоти-теля при гальванической связи между элементами ЧИР разного масштаба: а) соприкасающиеся элементы крупного масштаба- кривая 1, соприкасающиеся элементы крупного и среднего масштаба - кривая 2, все элементы соприкасающиеся- кривая 3, соприкасающиеся элементы малого масштаба с крупными и средними элементами при соприкасающихся элементах крупного масштаба - кривая 4, соприкасающиеся элементы малого масштаба с крупными и средними элементами - кривая 5; б)входной импеданс для конструкций а, в, д; в) входной импеданс для конструкций ж,и
В случае применения соприкасающихся элементов крупного и среднего масштаба или соприкасающихся элементов малого масштаба с элементами крупного и среднего масштаба ЧИР расширяется полоса поглощения в низкочастотной области рассматриваемого диапазона и уменьшается уровень отражения, как показано на рис.4а. При этом в высокочастотной области положение граничной частоты не изменяется.
Их всех представленных на рис. Звариантовконструкция 3ж является оптимальной, которая обеспечивает коэффициент отражения -20 дБ в сверхширокой полосе частот.
Анализируя графики, представленные на рис.2б,4б, 4в видно, чтоиспользование гальванической связи между элементами ЧИРквазифрактальногопоглотителяприводит к неплохому согласованию входного импеданса поглотителя в средней и низкочастотной области исследуемого диапазона, в то время как в высокочастотной области входной
импеданс по-прежнему носит выраженный индуктивный характер.
Немаловажным свойством поглотителя является хорошая угловая стабильность. Частотная зависимость коэффициента отражения от угла падения ЭМВ представлена на рис. 5, где видно, что угловая стабильность по уровню коэффициента отражения -10 дБ сохраняется в диапазоне углов -60° ^ 60°.
На рис. 6-9 представлены зависимости коэффициента отражения от частоты при различных значениях толщины, диэлектрической, магнитной проницаемости материала и электрической проводимости для выбранной
оптимальной конструкции
квазифрактальногорадиопоглотителя.
|5цЦБ
а 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33
£ ГГи
Рис.5. Зависимость коэффициента отражения от угла падения 0°: кривая 1- 0=0°, кривая 2- 0=20°, кривая 3-0=40°, кривая 4 - 0=60°, кривая 5- 0=80°
1-!ц|.ДБ
4> \ /
.......................-...............................1|.................:...........................Г- -..................- ■■..................
м-...........................................................I.................•...........................г..........................>..................
—•—•—•—•—•—•—•—•—•—•—•—•—•—•—•—•—;—•—•—•—•—•—;—•—•—•—•—•—;—•—•—•—
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 И 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33
£ ГГц
Рис.6.Частотная зависимость коэффициента отражения при изменении толщины диэлектрической подложки: кривая 1- 1=0.5 мм, кривая 2 - 1=1 мм, кривая 3
-1=2 мм
|5ц|.ДБ
0 1 2 3 4 5 & 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33
Е ГГи
Рис.7.Частотная зависимость коэффициента отражения при изменении диэлектрической проницаемости ег: кривая 1- е=2, кривая 2-е=4,3, кривая 3- е=6
|5ц|,дБ
О 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33
£ ГГц
Рис.8.Частотная зависимость коэффициента отражения при изменении магнитной проницаемости цг: кривая 1 - ц=1, кривая 2 - ц=2, кривая 3- ц=4
|5ц|,ДЕ
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 И 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33
£ ГГц
Рис.9.Частотная зависимость коэффициента отражения при изменении электрической проводимостиое=0,1 См/м (пунктирная линия) и ое=0,001 См/м (сплошная линия)
Рис. 7,8 свидетельствуют о том, что увеличение значения диэлектрической и магнитной проницаемости материала подложки приводит к сдвигу резонанса в область низких частот и сглаживаниюхарактеристики отражения в случае увеличения магнитной проницаемости. Добавление диэлектрических потерь (рис. 9) приводит к уменьшению коэффициента отражения лишь в низкочастотной части рассматриваемого диапазона, а подбирая толщину подложки (рис. 6), можно расширить полосу поглощения в высокочастотной части диапазона.
Таким образом, с помощью численного моделирования продемонстрированавозмож-ность расширения полосы
поглощениярадиопоглотителяза счет
использования квазифрактального
построенияЧИРсгальва-нической связью между ее элементами. При этом выяснено, что конструкцияквазифрактального поглотителя на основе соприкасающихся элементов ЧИР малого масштабас элементами крупного и среднего масштаба (рис. 4 ж), между которыми нет гальванической связи, является наилучшей из всех представленных конструкций и обеспечивает коэффициент отражения -20 дБ в полосе частот от десятков МГц до 33 ГГц при толщине 0,05Х. Показано, что в качестве
подложки лучше использовать немагнитные материалы с небольшой относительной диэлектрической проницаемостью с потерями или без потерь.Несомненным преимуществом представленногопоглотителя является
сравнительно хорошая угловая стабильность, сохраняющаяся в пределах -60о^60о.
Литература
1. D. Y. Kim, H.-G. Yoon, B.-J.Jang, and J.-G. Yook, "Interference analysis of UHF RFID systems,"Prog.Electromagn.Res. B, vol. 4, pp. 115—126, 2008.
2. A. Lazaro, D. Girbau, and R. Villarino, "Effects of interferences inUHF RFID systems,"Prog. Electromagn.Res., vol. 98, pp. 425-443,2009.
3. R.L.Fante and M.T.McCormack,"Reflection properties of the Salisbury screen," IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 36, no. 10, pp. 1443-1454, Oct. 1988.
4. B. Munk, P. Munk, J. Prior, "On Designing Jaumann and Circuit Analog Absorbers (CA Absorbers) for Oblique Angle of Incidence,"IEEE Transaction on Antennas and Propagation,vol. 55, no. 1, January 2007.
5.J. Yang and Z. X. Shen, "A thin and broadband absorber using double-square loops,"IEEE Antennas Wireless Propag. Lett.,vol.6, pp. 388-391, 2007.
6. F.Costa,A.Monorchioand G.Manara, "Analysis and design of ultra thin electromagnetic absorbers comprising resistively loaded high impedance surfaces," IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 58, no. 5, pp. 15511558, May 2010.
7. Mei Li, ShaoQiu Xiao, Member, IEEE, Yan-Ying Bai, and Bing-Zhong Wang. An Ultrathin and Broadband Radar Absorber Using Resistive FSS IEEE Antennas And Wireless Propagation Letters, VOL. 11, pp. 748-751,2012,
8. Weiland T. A discretization method for the solution of Maxwell's equations for six-component fields / Electronics and Communication, 1977. - V. 31. PP. 116-120.
BopoHe^CKHHrocygapcTBeHHbiHTexHHHecKHHyHHBepcHTeT
RESEARCH OF DESIGNS OFQUASI FRACTAL RADAR ABSORBER BASED ON FREQUENCY SELECTIVE SURFACES WITH DISTRIBUTED LOSSES
S.A. Antipov,A.F.Latypova,Yu.G. Pasternak
Possible variants of designs of the of quasi fractal one layer radar absorber, constructedon the basis of various approaches to realization of quasi fractal configurationof frequency selective surfaces with distributed lossesare developed and researched. With use of numerical modelling it is shown, that on their basis can be created ultrathin andultrabroadbandradar absorbers with good angular stability
Key words: quasi fractal absorber, reflection coefficient, selective surface
