Методика оптимизации параметров логопериодических и конических логоспиральных антенн для пассивных радиолокационных отражателей Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.396.6

В. М. Гусаков, А. В. Михайловский, С. Е. Шалдаев,

МЕТОДИКА ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ЛОГОПЕРИОДИЧЕСКИХ И КОНИЧЕСКИХ ЛОГОСПИРАЛЬНЫХ АНТЕНН ДЛЯ ПАССИВНЫХ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ОТРАЖАТЕЛЕЙ

Представлены разработанные на основе методов теории частотно-независимых антенн методика и алгоритмы расчета радиолокационных характеристик лого-периодических и конических логоспиральных антенн, используемых в пассивных радиолокационных отражателях для имитации малоразмерных целей.

Ключевые слова: логопериодическая антенна, логоспиральная антенна, радиолокационные отражатели, радиолокационные цели.

Введение. Перспективным направлением исследований в области синтеза радиолокационных отражателей является их создание на основе турникетных логопериодических антенн (ЛПА) и конических логоспиральных антенн (ЛСА), используемых для имитации малоразмерных целей [1]. Применение таких антенн целесообразно в случае, когда условия работы требуют частотной независимости их радиолокационных характеристик одновременно в сантиметровом и дециметровом диапазонах длин волн. Такие структуры имеют, в отличие от существующих аналогов [2, 3], более широкий диапазон частот. Кроме того, их отличительной особенностью является возможность выполнения в виде разворачиваемых (раскрывающихся) конструкций, первоначально находящихся в компактном (сложенном) виде (см., например, рис. 1, а).

Неизменность характеристик данных антенн в широком диапазоне частот объясняется одним из положений теории излучения, в котором утверждается, что электрические характеристики излучающей системы определяются не только ее конфигурацией, но и соотношением ее размеров и длины волны. Для антенн данного типа отношение их размеров к длине волны не зависит от частоты внутри рабочего диапазона. Их входное сопротивление и диаграмма направленности (ДН) остаются неизменными при изменении частоты. Рабочий диапазон частот относительно длинных волн ограничен допустимыми размерами антенны, а относительно коротких — возможностью изготовления коротковолновых элементов антенны с высокой точностью и реализации плавного перехода от питающей линии к антенне [4], что обусловлено установлением режима бегущей волны в излучающей системе.

Таким образом, расчет и проектирование логопериодических и логоспиральных антенн, используемых в пассивных радиолокационных отражателях для имитации малоразмерных целей, неразрывно связаны с определением геометрических параметров антенн и обоснованием методов расчета их радиолокационных характеристик в широком диапазоне длин волн, что и является предметом исследования в настоящей статье.

Методика расчета радиолокационных характеристик логопериодической антенны. Разработка и проектирование пассивных радиолокационных отражателей основаны на использовании явления вторичного излучения электромагнитных волн от отражающих поверхностей. В качестве основной характеристики будем рассматривать эффективную площадь рассеяния (ЭПР) антенны — один из информативных признаков селекции радиолокационных целей, позволяющий обеспечить РЛС распознавание (в целях идентификации или классификации) ракетно-космических объектов. Рассмотрим также диаграмму обратного рассеяния — зависимость ЭПР от пространственных сферических углов облучения и частоты зондирующего сигнала при однопозиционной локации антенны.

В. М. Шкиль

Методика базируется на теории антенн [4, 5] и позволяет по диаграмме направленности рассчитать ЭПР антенны.

Образец антенны и ее геометрия представлены на рис. 1, а, б соответственно.

а)

б)

К

2

Рис. 1

Угол а при вершине антенны, определяющий размер решетки, выбирается из диапазона 10...20°. Безразмерный период решетки — коэффициент подобия т — определяется выражением

т = 1г-\/ Ь , 1 = 1>2,..., п, где ¡1 — длина 1-го плеча вибратора, п — количество вибраторов.

Входное сопротивление антенны определяется в основном волновым сопротивлением фидера и слабо зависит от частоты. Предполагается, что пассивная ЛПА работает в режиме короткого замыкания. Поэтому диаграмма направленности антенны будет определяться амплитудно-фазовым распределением в режиме короткого замыкания, а взаимным влиянием вибраторов можно пренебречь. Известно, что диаграмма ЭПР в произвольном направлении в сферической системе координат определяется соотношением

, 2

, (1)

Л А 2

о(ф, 9) = Я(ф, 9)- тахА

4п

где 9 — угол между осью антенны и направлением на цель, а ф — угол, определяющий направление на цель в плоскости, перпендикулярной оси антенны (см. рис. 1, в); Лтах — коэффициент направленного действия (КНД) антенны в направлении главного максимума ДН:

4п

Д,

2п п

(2)

| | ^2(ф, 9)^ 9- ёфё9

ф=09=0

Методика оптимизации параметров логоспиральных антенн 49

^(ф, 9) — КНД переизлученного поля в произвольном направлении:

£>(Ф, 9) = ^тах ^ 2(ф, 9); (3)

X — длина волны; ^ (ф, 9) — диаграмма направленности:

F (ф, 0) = U (Ф, 0)|2 +| F2(9, ö)|2

Z an+k exPj-i k=-m 1

-2 ctg (1 -Tk )(1 + cos 0)

+ ik n,

, (4)

где

cos I— sin 0 cos ф| cos I— sin 0 cos ф|

Жф, 0) = ~t2=2-=- F2^, 0) = i-T2^-= •

-\/1 - sin 0 cos ф \]1 - sin 0 cos ф

В сумме выражения (4) учитываются поля, создаваемые резонирующими вибраторами, а также ближайшими более короткими и длинными вибраторами; нумерация вибраторов k производится от резонирующего полуволнового (¡k ~ 0,47 А ). Количество коротких вибраторов выбирается равным m=0...3, длинных, как правило, — равным q=1. Выбор весовых коэффициентов an+k осуществляется по методике, изложенной в работе [5, с. 74].

С учетом представленной выше методики приведем алгоритм расчета ЭПР а логопе-риодической антенны при следующих исходных данных: f е(fmin.fmax) — диапазон частот; L — длина антенны; dmax — максимальный диаметр раскрыва антенны.

Алгоритм 1.

1. Выбираем по методике, изложенной в работах [4, 5], значения угла а и коэффициента подобия т исходя из оптимальной конструкции ЛПА.

2. Вычисляем минимальную и максимальную длину плеч вибраторов:

А А

¡ = ¡ = min ¡ = ¡ = max

1 _ min _ 4 ' n ~ max _ 4 •

Путем сравнения значений ¡max и dmax уточняем параметры а, т и Amax, при которых выполняется условие ¡max < dmax .

3. Вычисляем расстояние до первого вибратора (см. рис. 1, б):

R1 = ¡min/ctg (а2) .

4. Вычисляем количество n вибраторов по формуле

А max = ^1/%П 1.

5. Определяем длины плеч всех вибраторов и расстояния между ними:

¡' =4т; R=4г, i=^^n.

т т

6. Сравниваем расстояние Rn с заданной длиной L антенны и уточняем значение Xmax, при котором возможно реализовать заданные геометрические параметры антенны.

7. Для каждой частоты или длины волны определяем значение а в зависимости от пространственных координат (1).

Расчет радиолокационных характеристик логоспиральной антенны. Применим изложенную выше методику для расчета ЭПР конической логоспиральной антенны, используемой в пассивных радиолокационных отражателях, образцы которых представлены на рис. 2, а; геометрия антенны показана на рис. 2, б. Основными параметрами рассматриваемой структуры являются: 90 — угол при вершине конуса, а — угол намотки спирали, ^шах — диаметр основания конуса, — диаметр при вершине конуса, угол ф=0.. ,2п отсчитывается от оси ОХ к оси ОУ, а угол 0=0...п — от оси 02.

Металлические ветви антенны монтируются на диэлектрическом опорном конусе. В качестве диэлектрика может быть использовано теплозащитное покрытие с диэлектрической проницаемостью 8 = 1...3. Диаграмма направленности такой структуры зависит от угла 90 и в меньшей степени от угла а. При этом необходимо учитывать, что для углов 0о < 15° основное переотражение поля происходит в направлении вершины конуса.

С учетом изложенного приведем алгоритм расчета ЭПР логоспиральной антенны при исходных параметрах, заданных для алгоритма 1.

Рис. 2

определяем минимальным диаметр

Алгоритм 2.

1. По заданному диапазону длин волн Xт^п...Хг при вершине конуса: = Хтщ/2 .

2. Исходя из требуемых значений КНД или ширины ДН антенны по графикам, приведенным в работе [5, с. 6З], выбираем предельные значения углов 90 и а:

е0 * 10...30°, а * 5...25°. В рассматриваемом случае целесообразно выбрать е0 * 10.15°.

3. Для усиления переизлучающих свойств структуры выбираем диаметр основания конуса: ^тах ^ Хтах/2 .

4. Вычисляем нормированную ДН антенны по формуле [6, с. 64]

i (ф, е)

где

(

i (ф, е) = 1,25соб

р (ф, е) =

соб а Бт е

/max(Ф, е)

1 - Бт а соб е0 соб е

> ( 1п

2,25

1 - Бт а соб е0 соб е

Л

1 + Бт а соб е

0

^^ "У

5. Вычисляем КНД в направлении главного максимума с учетом того, что ДН в экваториальной плоскости изотропна:

2

^тах

| р2(е)Б1п е-ае

е=0

6. Используя формулы (1)—(3), определяем ЭПР а как функцию угла е и длины волны.

Результаты расчетов. Примеры рассчитанных зависимостей изменения ЭПР логопе-риодических и логоспиральных антенн при изменении угла е в определенном диапазоне для случая, когда вектор распространения электромагнитных волн совпадает с продольной осью антенн, приведены на рис. 3, 4 и 5, 6 соответственно и в сопутствующих таблицах.

Х= 0,03 м, а/2 = 20°, т = 0,75, Кп = 0,59 м

120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240

„110

10090 80

70

60

30 20 10 0

350 340 330 320 310

е, а(ф=0,е), м2-10-4 е, а(ф=0,е), м2-10-4

0 4,741 33 3,25

3 4,728 36 2,994

6 4,689 39 2,728

9 4,624 42 2,456

12 4,534 45 2,183

15 4,419 48 1,912

18 4,278 51 1,648

21 4,114 54 1,395

24 3,927 57 1,158

27 3,72 60 0,939

30 3,493

250

260270280

290

300

п

Рис. 3

Х = 0,7 м , а/2 = 20°, т = 0,75 :

12

11

10 9 8

15 16

17

18

19

20 21

К = 0,59 м

П 5

3

2

1

0 35 34 33

9, ст(ф=0,9), м2 9, ст(ф=0,9), м2

0 0,258 33 0,177

3 0,257 36 0,163

6 0,255 39 0,149

9 0,252 42 0,134

12 0,247 45 0,119

15 0,241 48 0,104

18 0,233 51 0,09

21 0,224 54 0,076

24 0,214 57 0,063

27 0,203 60 0,051

30 0,19

24

25 26 27 28 29

30

Рис. 4

X = 0,03 м, а

105

15°, 90=30°, 1=1,334 м 90 75

60

45

165

180

195

15

345

210

330

255 270 285

X = 0,7 м , а = 15°, 90=30°, L=1,334 м

105 90 75

Рис. 5

9, ст(ф=0,9), м2-10-5 9, ст(ф=0,9), м2-10-5

0 8,852 33 6,702

3 8,831 36 6,362

6 8,77 39 6,015

9 8,669 42 5,664

12 8,529 45 5,312

15 8,353 48 4,965

18 8,143 51 4,623

21 7,902 54 4,292

24 7,634 57 3,973

27 7,342 60 3,668

30 7,03

150 165 180 195 210

15 0

345

330

9, ст(ф=0,9), м2 9, ст(ф=0,9), м2

0 0,048 33 0,036

3 0,048 36 0,035

6 0,048 39 0,033

9 0,047 42 0,031

12 0,046 45 0,029

15 0,045 48 0,027

18 0,044 51 0,025

21 0,043 54 0,023

24 0,042 57 0,022

27 0,04 60 0,02

30 0,038

255

285

Рис. 6

7

0

Анализ представленных зависимостей показал, что диаграмма обратного рассеяния в силу симметрии структур антенн от угла ф не зависит. При этом значения а для ЛСА в среднем на порядок ниже, чем для ЛПА.

Таким образом, путем выбора геометрических параметров антенн можно гибко и в широком диапазоне длин волн управлять характеристиками рассеянного поля и обеспечить их подобие по ЭПР реальным малоразмерным целям.

Используя представленные в статье методику и алгоритмы расчета радиолокационных характеристик логопериодических и логоспиральных антенн можно рассчитать диаграмму обратного рассеяния и эффективную площадь рассеяния антенн при произвольных направлениях распространения падающей волны.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Великанов Д. В. и др. Радиотехнические системы в ракетной технике. М.: Изд-во МО СССР, 1974.

2. Масалов С. А., Рыжак А. В., Сухаревский О. И., Шкиль В. М. Физические основы диапазонных технологий типа „Стелс". СПб: ВИКУ им. А. Ф. Можайского, 1999.

3. Котляр А. Ф., Шалдаев С. Е., Шкиль В. М. Дифракция электромагнитных волн на неидеально проводящем эшелетте с ламелями // Антенны. 2005. Вып. 4 (95). С. 51—55.

4. ЖукМ. С., Молочков Ю. Б. Проектирование антенно-фидерных устройств. М.: Энергия, 1966.

5. Грибов А. М., Москалёв В. М., Невзоров В. И. Расчет и проектирование антенн. СПб: ВИКА им. А. Ф. Можайского, 1996.

6. Алексеев А. Г., Штагер Е. А., Козырев С. В. Физические основы технологии „Stealth", СПб: ВИКУ им. А. Ф. Можайского, 1998.

Сведения об авторах

Виктор Михайлович Гусаков — адъюнкт; Военно-космическая академия им. А. Ф. Можайского,

кафедра антенно-фидерных, передающих устройств и средств СЕВ, Санкт-Петербург

Алексей Владимирович Михайловский — Военно-космическая академия им. А. Ф. Можайского, кафедра

комплексов и средств информационной борьбы, Санкт-Петербург; инженер; E-mail: a-mik@yandex.ru

— канд. техн. наук; Военный институт (НИ) Военно-космической академии им. А. Ф. Можайского, Санкт-Петербург

— д-р техн. наук, профессор; Военно-космическая академия им. А. Ф. Можайского, кафедра антенно-фидерных, передающих устройств и средств СЕВ, Санкт-Петербург

Поступила в редакцию 21.04.10 г.

Сергей Евгеньевич Шалдаев Виктор Михайлович Шкиль

Рекомендована кафедрой антенно-фидерных, передающих устройств и средств СЕВ