CC BY
140
Моделирование процессов электромагнитной маскировки объектов радиолокации при применении метаматериалов
Ключевые слова: моделирование процессов рассеяния, применение метаматериалов, эффективная поверхность рассеяния, электромагнитная маскировка, наносекундные технологии.
В настоящее время нанотехнологии затронули системы связи и радиолокации. Изделия на основе технологии UBW (Ultra Wide Band), іде используется импульс длительностью порядка наносекунды, технически проще большинства традиционных систем. Сигналы этой технологии получили название сверхширокополосных (СШП). Ряд потенциальных преимуществ UWB обеспечивают применения в таких областях как радиолокация, до резко повышается точность измерений и разрешающая способность по дальности, информативность РЛС; появляются возможности обнаружения малозаметных объектов. При этом уже практически достигли своего предела возможные уровни скрытности защищаемых объектов, в том числе обеспечивающие защиту излучающих объектов от средств пассивной локации и разведки. Здесь большое значение приобретает применение современных наноматериалов, в том числе метаматериалов, обладающих рядом уникальных свойств, делающих объект невидимым в диапазоне радиочастот. В последнее время появляется всё больше технических решений по практическому созданию метаматериалов. Описывается классификация метаматериалов, обращённые эффекты Доплера и Вавилова-Черенкова, приведены примеры использования метаматериалов. В радиолокации важной задачей является дифракция электромагнитной волны на объекте (самолет, корабль, автомобиль и т.д.) и определение его эффективной поверхности рассеяния (ЭПР). Описаны методы расчёта характеристик рассеяния объектов сложной формы. Приведены результаты моделирования при расчёте ЭПР объектов с применением покрытий, в том числе на основе метаматериалов, получены соответствующие выводы.
Будагян И.Ф., профессор, кафедра КПРЭС МГТУ МИРЭА, Кондратьев АА, аспирант, кафедра КПРЭС МГТУ МИРЭА
В настоящее время нанотехнологии затронули системы связи и радиолокации. Изделия на основе технологии UBW(Ultra Wide Band), где используется импульс длительностью порядка наносекунды, технически проще большинства традиционных систем. Сигналы этой технологии получили название сверхшироко-полосных (СШП). Ряд потенциальных преимуществ UWB обеспечивают применения в таких областях как радиолокация, где резко повышается точность измерений и разрешающая способность по дальности, информативность РЛС; появляются возможности обнаружения малозаметных объектов. При этом уже практически достигли своего предела возможные уровни скрытности защищаемых объектов, в том числе обеспечивающие защиту излучающих объектов от средств пассивной локации и разведки. Большое значение здесь приобретает применение современных наноматериалов, в том числе метаматериалов, обладающих рядом уникальных свойств, делающих объект невидимым в диапазоне радиочастот. В последнее время появляется всё больше технических решений по практическому созданию метаматериалов [1].
Метаматериалы - это искусственно сформированные и особым образом структурированные среды, обладающие электромагнитными свойствами, сложно достижимыми технологически, либо не встречающимися в природе. Приставка "мета" переводится с греческого как "вне", что позволяет трактовать термин "метаматериалы" как структуры, чьи эффективные электромагнитные свойства выходят за пределы
свойств образующих их компонентов. Все многообразие естественных и искусственных сред классифицируется в зависимости от эффективных значений их диэлектрической (в) и магнитной (ц) проницаемостей: DPS материалы е>0, ц>0 (обычные диэлектрики), ENG материалы е<0, ц>0 (в частности, плазма), MNG материалы £>0, ц<0 (гиротропные магнитные материалы), DNG материалы е<0, ц<0 [2].
Одной из привлекательных особенностей искусственных сред с одновременно отрицательными эффективными диэлектрической и магнитной проницаемостями представляется возможность наблюдения в них обращённого эффекта Доплера в СВЧ диапазоне при внесении в них нелинейных «вкраплений» для организации движущейся границы параметров среды. В средах с отрицательным коэффициентом преломления будет наблюдаться обращенный эффект Вавилова-Черенкова, т.е. происходит обращение фазовой скорости [3].
В процессе разработки и совершенствования методов расчета характеристик рассеяния, а также по мере развития вычислительных средств использовались различные методы моделирования поверхности объекта [4-7]. Однако и сейчас описание поверхности объекта сложной формы требует ручного труда в больших объемах. Основными методами моделирования поверхности объектов в настоящее время являются:
1. Метод тел вращения. Применим, например, для фюзеляжей самолетов или ракет, так как их форма часто может аппроксимироваться телом вращения.
2. Метод аналитического описания поверхности. Также может применяться для тел простой формы -например тел, поверхность которых описывается уравнениями второго порядка (шар, цилиндр, эллипсоид).
ка= 0,5;/=238 МГ'ц ка= 1;/=477МГ'ц ка=5\ /=2,4 ГГц
ф *
Рис. 3. Суммарная ЭПР плоской волны на шаре из диэлектрика без потерь (£г=36)
На низкой частоте рассеяние вперёд больше, но постепенно оно приближается к "релеевскому" рассеянию, которое симметрично по направлению вперёд-назад. На высокой частоте формируется вытянутый теневой лепесток.
ка= 0,5;/=238 МГц ка=\\/=4П МГц ка= 5;/=2,4 ГГц
(Ь1 ш 1 <
Рис. 4. Суммарная ЭПР плоской волны на шаре из бинегативного метаматериала (е=-1. ц= -1) с потерями (1® 5 = 1) Во всём диапазоне частот рассеяние вперёд больше рассеяния назад. С увеличением частоты теневой лепесток сужается.
ка= 0,5;/=238 МГц ка=5\]=2,4 ГГц ка= 10;^4,7 ГГц
О 3 £
Рис. 5. Суммарная ЭПР плоской волны на идеально проводящем усечённом цилиндре На низкой частоте преобладает рассеяние назад. С увеличением частоты появляется рассеяние вперёд
60 T-Comm, #11-2013
ka=\Q\_M,l ГГц
Рис. 6. Суммарная ЭПР плоской волны на проводящем усечённом цилиндре из бинегативного метаматериала (е=-1, ц= -1) с потерями (tg 8=1)
На низкой частоте рассеяние вперед-назад практически одинаково, тогда как в боковых направлениях оно отсутствует. С увеличением частоты формируется теневой лепесток. Рассеяние назад практически отсутствует.
Проведено качественное исследование суммарных ЭПР от объектов простейшей формы, выполненных из различных материалов: идеально проводящих, диэлектриков без потерь и бинегативных метаматериалов. Выявлены основные отличия в диапазоне волн. Показано, что
- поведение суммарной ЭПР от объектов, выполненных из идеально проводящих материалов, мало зависит от их формы;
- поведение суммарной ЭПР от объектов одной формы, выполненных из идеально проводящих материалов и диэлектриков, резко отличается на низких частотах и близко на высоких;
- наибольшее отличие в поведении суммарной ЭПР от объектов разной формы удается получить при применении бинегативных метаматериалов, когда на высоких частотах практически полностью удается устранить рассеяние назад на усечённом цилиндре.
Modeling the electromagnetic maskings of the radar objects at application of metamaterials
Budaghyan I.F., professor, KPRES MGTU MIREA,
Kondratyev A.A., aspirant, KPRES MGTU MIREA
Abstract. For reception highly directed radiations are widely applied the antenna arrays consisting of identical radiators, as a rule. As elements array can be used directed and leaky-wave radiators (symmetric vibrators, the cracks, the open ends of wave guides or horns, dielectric cores, spirals). Use of antenna arrays allows to raise essentially efficiency of modern onboard and land radio systems at the expense of realisation the fast inertialess review of space by beam scanning by electric methods (electric scanning); increases in factor of strengthening of the aerial; formations of the diagramme of an orientation with the demanded width and level of lateral petals by creation corresponding it is peak - phase distribution on aperture array; combination in it of several functions, for example: search, detection and purpose support. Thus the antenna array can serve as a primary link of processing (generally spatially-time) a signal and owing to it appreciably defines the basic characteristics of all system. Recently essential value gets introduction in educational process of business games. Such problems are put according to the Federal State educational standard and before a technical university education.
In work the method of interactive mathematical modeling of process of tracking a moving target by a flat antenna array with electric type of scanning is
described. For the first time the task in view also is created business game of a technical orientation on the basis of the developed program.
Keywords modelling, tracking a moving target, business games of a technical orientation, management of radiator's characteristics, the phased antenna array
Литература
1. Будагян И.Ф.. Илюшечкин M.H., Щучкин Г.Г. Анализ формы наносекундных сигналов. Излучение и распространение. - Palmarium Academic Publishing, 2012. - 132 с.
2. Слюсар В. Метаматериалы в антенной технике: история и основные принципы. - ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2009, №. 7.-С.70-79.
3. Кондратьев А.А. Электромагнитная маскировка объектов радиолокации при применении наноматериалов (обзор) // Научно-техническая конференция, посвящённая 65-летию университета, МГТУ МИРЭА Москва 2012, сборник трудов, ч.5, 2012. - С.23-29.
4. Коваленко В.Н., Владимиров Д.Н., Хандогина Е.Н. Многофункциональные экранированные объемы // Современные технологии безопасности. - М.: Радио и связь, 2003.
- 320 с.
5. Альтман Ю. Военные нанотехнологии. Возможности применения и превентивного контроля вооружений. - М.: Техносфера, 2006. - 416 с.
6. Владимиров Д.Н., Хандогина Е.Н. Электромагнитное экранирование радиоэлектронной аппаратуры // Экономика и производство, 2003. - 62-67 с.
7. Рассеяние электромагнитных волн воздушными и наземными радиолокационными объектами // Под редакцией О.И. Сухаревского. -Харьков: ХУПС, 2009. - 468 с.
