CC BY
73
УДК 621.396.67
ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОСЛОЙНЫХ РАДИОПОГЛОЩАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ НА ОСНОВЕ ЧАСТОТНО-ИЗБИРАТЕЛЬНЫХ РЕШЕТОК С СОСРЕДОТОЧЕННЫМИ
ЭЛЕМЕНТАМИ
А.Ф. Латыпова, Ю.Г. Пастернак
Разработаны и исследованы возможные варианты многослойных радиопоглощающих конструкций, построенных на основе различных подходов к реализации конфигурации частотно-избирательных решеток с сосредоточенными потерями. С использованием численного моделирования показано, что на основе многослойных радиопоглощающих конструкций частотно-избирательных решеток с сосредоточенными потерями могут быть созданы легкие и простые в изготовлении сверхширокополосные радиопоглотители с приемлемой толщиной и угловой стабильностью
Ключевые слова: многослойная конструкция радиопоглотителя, коэффициент отражения, квазифрактальный подход, коэффициент перекрытия
Разработка сверхширокополосных поглотителей с приемлемой толщиной является актуальной задачей. Перспективными направлениями в области создания тонких радиопоглотителей являются разработки на основе резистивных или печатных частотно-избирательных решеток (ЧИР), что подтверждается много -численными публикациями в зарубежных научно-технических изданиях [1 - 7]. Наиболее популярными являются печатные ЧИР простой геометрической формы с сосредоточенными элементами или резистивные ЧИР [1 - 6]. Так, в работе [1] проде-монстрирована перспективность разработки радио-поглотителей на основе резонансных печатных ЧИР с сосредоточенными нагрузками. Толщина такого поглотителя достигает порядка 10 мм в диапазоне частот 1 - 5 ГГц. Одним из способов повышения эффективности поглощения ЭМВ и расширения полосы поглощения является использование многослойных конструкций радиопоглотителей, представляющих собой симметричные структуры, полученные чередова-нием слоев с одинаковыми электромагнитными характеристиками.
В работе [2] исследованы и разработаны многослойные конструкции радиопоглотителей с резистивными ЧИР на основе различных подходов к их проектированию. Авторами работы [2] предлагаются конструкции, в которых слои ЧИР разделены слоями воздуха, а периоды расположения и размеры ЧИР меняются в соответствии со следующим порядком: 1) пространственные периоды расположения ЧИР одинаковы; 2) неравные периоды расположения ЧИР на слоях связаны между собой рациональным числом, при этом период структуры сохраняется постоянным. В результате проведенных исследований авторами работы [2] выяснено, что использование
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
квазифрактального подхода к проектированию многослойной конструкции поглотителя на основе низкопрофильных резистивных ЧИР при оптимальной толщине 14.5 мм позволяет добиться наибольшего коэффициента перекрытия по частоте 10.63 по сравнению с другими подходами.
Однако поглотитель на основе резистивных пленок более сложен в реализации, к тому же технология нанесения резистивных ЧИР требует специального оборудования и особых условий нанесения таких пленок на подложки.
Поэтому в данной работе предлагаются варианты сверхширокополосных радиопоглощаю-щих многослойных квазифрактальных конструкций на основе печатных низкопрофильных ЧИР с сосредоточенными нагрузками, позволяющие существенно упростить технологию производства за счет использования производства печатных плат и увеличить полосу поглощения.
Предлагаемые многослойные радиопоглощаю-щие конструкции на основе печатных ЧИР, нагруженных с четырех сторон на сосредоточенные элементы, представлены на рис 1, 2. Конструкции отличаются конфигурацией ЧИР на каждом слое: на рис. 1 - конструкция с эквивалентными ЧИР, на рис. 2 - конструкция, построенная по квазифрактальному принципу, суть которого заключается в том, что каждый последующий слой содержит ЧИР в два раза меньшего размера, при этом период структуры остается неизменным.
Радиопоглотители состоят из 4-х слоев частотно-избирательных решеток с сосредоточенными нагрузками, разделенных слоями воздуха. Каждый диэлектрический слой содержит печатную частотно-избирательную решетку, элементы которой нагружены с четырех сторон на резисторы. Снизу вся конструкция экранирована слоем меди. Первый слой ЧИР расположен между слоями текстолитовых подложек толщиной Тс и диэлектрической проницаемостью ег = 4.3. Для получения максимально возможного коэффициента перекрытия по частоте по уровню коэффициента отражения -10 дБ проведена оптимизация с помощью двухуровневой процедуры, использующей
генетический алгоритм и метода Фиакко и Мак-Кормика (метод барьерных функций) толщин слоев и номиналов резисторов. В результате оптимизации получены оптимальные размеры
радиопоглощающей конструкции с эквивалентными ЧИР (таблица 1) и конструкции, построенной по квазифрактальному принципу (таблица 2).
б)
Рис. 1. Многослойная радиопоглощающая конструкция на основе низкопрофильных ЧИР, нагруженных с четырех сторон на сосредоточенные элементы: а) конфигурация печатных ЧИР, нагруженных на резисторы, б) схематичный вид многослойной конструкции с ЧИР эквивалентных размеров
Слой 2,3 а)
б)
Рис. 2. Квазифрактальная многослойная радиопог-лощающая конструкция на основе низкопрофильных ЧИР, нагруженных с четырех сторон на сосредоточенные элементы: а) конфигурация печатных ЧИР, построенных по квазифрактальному принципу, б) схематичный вид многослойной конструкции с ЧИР, построенных по квазифрактальному принципу
Таблица 1
Размеры многослойной конструкции радиопоглотителя с эквивалентными слоями ЧИР
d2, dз, Ф, w, а,
мм мм мм мм мм мм Ом мм
4.2 3.4 3.2 3.3 3.1 6.3 360 0.2
Таблица 2
Размеры элементов квазифрактальной многослойной радиопоглощающей конструкции
w1, W2, Wз, W4, а1, а2, а3, а4,
мм мм мм мм мм мм мм мм
16 8 5 2.5 4 2 5 2.5
ъ, R2, Rз, И4, d2, dз, d4,
Ом Ом Ом Ом мм мм мм мм
230 409 419 700 3.8 2 3.18 3.3
Численный анализ характеристик
радиопоглотителей на основе многослойных конструкций печатных ЧИР, нагруженных на резисторы, проведен с использованием метода конечного интегрирования, описанного Вейландом в [8] для пространственно-временных координат решения соответствующей электродинамической задачи с помощью модели канала Флоке. Канал Флоке представляет собой часть пространства, ограниченную вертикальными 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).
При моделировании различных конструкций радиопоглотителей исследовались частотные зависимости коэффициента отражения, которые приведены для одного типа поляризации ТЕ-волны, так как характеристики отражения одинаковы при нормальном падении ТЕ- и ТМ-волн.
На рис. 3 представлены частотные зависимости коэффициента отражения многослойных радио -поглощающих структур при нормальном падении ТЕ-волны.
Рис. 3. Частотные зависимости коэффициента отражения многослойных структур на основе печатных ЧИР, нагруженных с четырех сторон сосредоточенными элементами: ЧИР эквивалентного размера (штриховая
линия) и ЧИР, построенные по квазифрактальному принципу (сплошная линия)
Из графиков, представленных на рис. 3, легко заметить, что многослойная радиопоглощающая структура с ЧИР эквивалентных размеров на каждом слое обеспечивает по уровню отражения -10 дБ коэффициент перекрытия по частоте 3. При этом общая толщина покрытия достигает 14.5 мм. При квазифрактальном подходе к проектированию многослойных конструкций радиопоглотителей на основе низкопрофильных ЧИР с сосредоточенными нагрузками удается расширить полосу поглощения по уровню коэффициента отражения -10 дБ и получить коэффициент перекрытия по частоте = 3.68. При этом толщина многослойной конструкции достигает 12.7 мм.
На рис. 4. приведены частотные зависимости коэффициента отражения квазифрактальной многослойной радиопоглощающей конструкции при наклонном падении ТЕ- и ТМ-волн.
|RTMUB
а)
5
X J V. / ,'Т ч „
/ \ 1 Ч к .Я •л X..... ш/ M
У'< \V /\
м
2 >; 1п 1
i 1/
16 18 20 22
б)
26 28 f, ГГц
Рис. 4. Частотные зависимости коэффициента отражения многослойной квазифрактальной радиопогло-щающей конструкции на основе печатных ЧИР с сосредоточенными нагрузками при наклонном падении ТЕ-волны (а) и ТМ-волны (б): 1 - 9 = 0°, 2 - 9 = 20°, 3 - 9 = 40°, 4 - 9 = 60°, 5 - 9 = 80°
Как видно из рис. 4, радиопоглотитель на основе многослойной конструкции печатных ЧИР, построенных по квазифрактальному принципу и нагруженных на сосредоточенные элементы, обеспечивает уменьшение отражения на 10 дБ в секторе углов - 30° ^ 30°.
Для повышения эффективности поглощения в более широком секторе углов предлагается многослойная конструкция из нагруженных патч -антенн. Такие антенны узкополосны, но обладают широким лепестком диаграммы направленности. Поляризация патч - антенн зависит от точки запитки нагрузки. Для получения круговой поляризации необходимо подключить нагрузки в двух точках,
отстающих по фазе на 90°, между излучателем и «землей». Расширение полосы в патч - структурах возможно за счет квазифрактального принципа построения патчей на каждом слое (рис. 5), при этом сосредоточенные нагрузки подключаются к патчам, располагающимся на верхнем и нижнем слоях. Размеры радиопоглощающей многослойной патч -конструкции, нагруженной резисторами с двух перпендикулярных сторон, представлены в таблице 3.
б)
Рис. 5. Многослойная квазифрактальная радиопогло-щающая патч - конструкция: а) конфигурация патчей, нагруженных на резисторы, б) схематичный вид многослойной патч - конструкции
Таблица 3
Размеры элементов квазифрактальной многослойной радиопоглощающей патч -конструкции
Wj, w2, w3, w4, а1 , мм а2, мм
мм мм мм мм
6.7 6.3 3 1.6 0.1 0.5
а3, мм а4, мм Я1,Ом Я2,Ом Я3,Ом R4, м
0.4 0.1 113 212 387 824
dj, мм d2, мм d3, мм d4, мм
4.2 3.4 3.2 3.3
Частотные характеристики отражения многослойной радиопоглощающей патч-конструкции при нормальном и наклонном падении ТЕ- и ТМ-волн представлены на рис. 6.
Rte L дБ
1
\\
V\ .....з..... /s'
Л.4 .... ,.
f, ГТц
а)
4,5 5 6 7 8 9 10 11 12 13
£ ГГи
б)
Рис. 6. Частотные зависимости коэффициента отражения многослойной радиопоглощающей патч -конструкции с сосредоточенными нагрузками при нормальном и наклонном падении ТЕ-волны (а) и ТМ-волны (б): 1 - 9=0°, 2 - 9=20°, 3 - 9=40°, 4 - 9=60°, 5 - 9=80°
Анализируя графики, представленные на рис. 4 и 6, можно сделать вывод, что многослойные радиопоглощающие патч - конструкции позволяют уменьшить коэффициент отражения в более широком секторе углов по сравнению с многослойными конструкциями на основе ЧИР, нагруженных с четырех сторон на сосредоточенные элементы, однако радиопоглощающие патч -конструкции сильно зависимы от типа поляризации волны и уступают по ширине полосы поглощения.
Таким образом, на основе полученных в ходе моделирования результатов, можно сделать вывод о перспективности использования квазифрактального принципа построения радиопоглощающих структур на основе простых в изготовлении и легких многослойных конструкций печатных ЧИР с сосредоточенными резистивными нагрузками.
Литература
1. Juan Yang and Zhongxiang Shen, A Thin and broadband absorber using double-square loop // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 6, 2007.
2. Alireza Kazemzadeh, Nonmagnetic ultrawideband absorber with optimal thickness// IEEE Transactions on Antennas and propagation, vol. 59, no. 1, january 2011.
3. Filippo Costa, Simone Genovesi, Agostino Monorchio and Giuliano Manara, Low-cost metamaterial absorbers for sub-ghz wireless systems// IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters.2014. № 13. Р.27-30.
4. Filippo Costa, Simone Genovesi, Agostino Monorchio, Giuliano Manara, A circuit-based model for the interpretation of perfect metamaterial absorbers// IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2013 г. №61. Р. 1201-1209.
5. Filippo Costa, A. Monorchio, Electromagnetic absorbers based on high-impedance surfaces: from ultranarrowband to ultra-wideband absorption//Advanced Electromagnetics. 2012. №. 3. Р.1-12.
6. Filippo Costa, Agostino Monorchio and Giuliano Manara, Analysis and design of ultrathin electromagnetic absorbers comprising resistively loaded high impedance Surfaces// IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2010. №. 5. Р.1551-1557.
7. Mei Li, ShaoQiu Xiao, Yan-Ying Bai and Bing-Zhong Wang, An ultrathin and broadband radar absorber using Resistive FSS// IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters.2012. №11.Р. 748-751,
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.
Воронежский государственный технический университет
RESEARCH OF MULTILAYER RADAR ABSORBING DESIGNS BASED ON FREQUENCY SELECTIVE SURFACE WITH LUMPED ELEMENTS
A.F. Latypova, Yu.G. Pasternak
Possible variants of designs of the multilayer constructions radar absorber based on the different approaches to the implementation of the configuration of the frequency selective surfaces with lumped elements are developed and researched. With use of numerical modelling it is shown, that on the basis of multilayer radar absorber with frequency selective surfaces with lumped elements can be created light and easy manufacture ultrawideband radar absorbers with allowable thickness and angular stability
Key words: multilayer construction radar absorber, reflectivity, quasi fractal approach, overlap ratio
