Особенности проектирования и изготовления защитных укрытий антенн Текст научной статьи по специальности «Физика»

Наука к Образование

МГТУ им. Н.Э. Баумана

Сетевое научное издание

Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2014. № 12. С. 128-136.

ISSN 1994-0408

Б01: 10.7463/0815.9328000

Представлена в редакцию: Исправлена:

© МГТУ им. Н.Э. Баумана

УДК 621.396.677.8

Особенности проектирования и изготовления защитных укрытий антенн

*

Голубцов М. Е., Потехина О. А., Клишин А. Н., Корниенко В. Н., Литун В. И.

##.##.2014 ##.##.2014

1МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия

В статье приводятся некоторые результаты исследования влияния однородных оболочечных защитных укрытий (ЗУ) в виде цилиндра с круговой образующей и сферы на характеристики излучения апертурных антенн. Оценка влияния толщины обтекателя проводилась по амплитуде поля, излученного в осевом направлении; уровню мощности, излучаемой в коническом секторе с углом полураскрыва 6°; ширине главного максимума по уровню половины мощности относительно случая без обтекателя. Отмечены особенности приведённых зависимостей. Показаны качественные отличия искажения диаграммы направленности разными типами ЗУ. Дана оценка итогового влияния смещения излучающего раскрыва из центра обтекателя вдоль оси системы.

Ключевые слова: обтекатель, защитное устройство, обнаружение, диаграмма направленности, антенная система

Введение

Проектирование защитных укрытий крупноапертурных антенн, работающих в сложных климатических условиях эксплуатации, широком диапазоне температур или же при наличии специфических требований по режиму эксплуатации оборудования, сопряжено с выполнением ряда требований, зачастую, уникальным для конкретного применения. Существует большое количество вариантов конструкционно-технологического исполнения ЗУ: от строений их дерева и объёмных плёночно-ферменных конструкций до цельных композитных вариантов. В качестве основных критериев выбора выступают [1, 6]: жёсткость конструкции, рабочий диапазон частот, характеристики по радиопрозрачности, требуемые особенности формы, величина ошибок позиционирования луча вследствие преломления, допустимое затенение апертуры элементами каркаса и т.д.

1. Постановка задачи

Методы анализа влияния антенных укрытий и обтекателей на характеристики излечения антенн варьируются в зависимости от электрического размера и сложности структуры

ЗУ [6]. Могут быть применены как строгие методы электродинамического анализа, так и квазиоптические приближения. Первые в большей степени применимы к системам малых и средних электрических размеров [1, 2]. Для крупноапертурных антенн наряду с ними справедливы приближения геометрической и физической оптики [1, 3]. Справедливость такого подхода подтверждена рядом исследований [1, 2, 7]. При этом в подавляющем большинстве случаев приближённые методы существенно выигрывают по времени вычислений у строгих [5, 7, 10]. Результаты вычислений служат основой для определения рабочей полосы частот ЗУ, выбора толщины основного и просветляющих слоёв.

Наиболее часто целью изучения является влияние на электрические характеристики системы таких факторов, как диапазон значений свойства обтекателя и структура электромагнитного поля [8, 9]. Для защитных укрытий больших электрических размеров исследования приоритетно уходят в область материалов электрически малой толщины [4].

Наличие максимумов в зависимости коэффициента прохождения сигнала через защитное укрытие в области толщин порядка длины полны в материале обтекателя является известным фактом [1, 2, 4], следующим для плоско-слоистых структур напрямую из соотношений Френеля.

Целью проведённого исследования являлось уточнение толщин резонансного согласования антенного обтекателя с образующей в виде дуги окружности для апертурной антенны с раскрывом порядка нескольких десятков длин волны в свободном пространстве (X). Второй задачей было установление взаимосвязи изменения характеристик диаграммы направленности системы со смещением раскрыва антенны относительно центра образующей ЗУ.

2. Модель антенной системы с защитным укрытием (обтекателем)

При реализации модели были применены следующие упрощения:

• излучающий раскрыв аппроксимирован синфазной линейно-поляризованным электромагнитной волной со спадающим к краю амплитудным распределением вида «косинус на пьедестале 0,05»;

• обтекатель - однослойная цилиндрическая (2D) или сферическая (3D) однородная оболочка конечной толщины;

• учёт переотражения волны раскрывом антенны не происходит;

• радиус апертуры антенны - 15Х;

• радиус образующей внутренней поверхности ЗУ - 20Х;

• относительная диэлектрическая проницаемость материала ЗУ - 2.

Электрические размеры данной системы можно считать электрически большими и

считать справедливым применение приближённых методов расчёта [1, 2, 4, 5]. Величина диэлектрической проницаемости выбрана так, чтобы материал было можно считать по свойствам достаточно близким к эквиваленту сендвич-панели А-типа с сотовой основой высокой плотности [1].

2. Влияние толщины обтекателя

Оценка влияния толщины обтекателя проводилась по нескольким параметрам: амплитуда поля, излученного в осевом направлении, приведённая к результатам моделирования антенны без ЗУ; уровень мощности, излучаемая в коническом секторе с углом полурас-крыва 6°; ширина главного максимума по уровню половины мощности относительно случая без обтекателя.

Зависимость нормированной амплитуды поля в осевом направлении показана на рис. 1. Её общий характер согласуется с классическими соотношениями Френеля, но положение максимумов и глубина провалов отличается. Стоит отметить, что при наличии обтекателя амплитуда главного максимума оказывается всегда меньше амплитуды поля антенны в свободном пространстве.

Особый интерес представляют толщины обтекателя, обеспечивающие формирование максимума поля излучения, для уточнения положения экстремумов. Минимальными величинами являются половина длины волны в среде и одна длина волны в среде. В окрестности них было проведено моделирование с малым шагом значения толщины. Доля мощность в коническом секторе для обоих случаев приведена на рис.2, 3.

98

82 -

0.5

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

Толщина обтекателя

Рис. 1. Зависимость амплитуды электромагнитной волны от толщины ЗУ

Толщина, длин волн

Рис. 2. Нормированная мощность в коническом секторе для обтекателя с толщиной около половины длины

волны в материале ЗУ

Толщина, длин волн

Рис. 3. Нормированная мощность в коническом секторе для обтекателя с толщиной около одной длины

волны в материале ЗУ

Как видно из графиков, абсциссы максимума мощности отличается от целого количества полуволн в среде, которое соответствует оптимальному плоскому ЗУ: 0,01 длины волны на каждую полуволну. Данный эффект обусловлен неплоской формой ЗУ, что приводит к различию углов падения на границу ЗУ для лучей, вышедших из центральной и крайних областей апертуры антенны. Величина смещения максимумов может изменяться при сравнении систем с разным амплитудным распределением поля по раскрыву.

С увеличением толщины ЗУ происходит рост ширины главного лепестка диаграммы направленности по уровню половины мощности. График зависимости изменения данного параметра относительно случая антенны без ЗУ показан на рисунке Р4.

Для цилиндрического и сферического ЗУ величины изменения ширины главного максимума и осцилляции амплитуды поля вдоль оси системы отличаются, но общий характер зависимостей близок.

Для иллюстрации качественного отличия влияния 2Б и 3Б обтекателей на характеристики ДН на рисунках Р5 и Р6 приведены результаты моделирования для цилиндрического и сферического обтекателей при толщине оболочки 6 и 10 полуволн в материале ЗУ. При малых толщинах обтекателя разница заметна мало, поэтому для наглядности выбраны достаточно большие толщины оболочек.

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Толщи на, длины волн в материале обтекателя

Рис. 4. Зависимость ширины главного максимума от толщины ЗУ

10-а

1

0.1

° 0.01 .о

13

° 1Е-3 о

1Е-4

1Е-5

1Е-6

1Е-7

-6 -4 -2 0 2 4 6

Угол, град

Рис. 5. ДН антенны с обтекателем толщиной 6 полуволны

ф о

о

0

1

3

о

10 ч 1

0.1 0.01 1Е-3-! 1Е-4 -! 1Е-5 -Ё 1Е-6-1 1Е-7-1Е-8

-2 0 2 Угол,град

Рис. 6. ДН антенны с обтекателем толщиной 10 полуволны

По зависимостям на рис. 5и 6 можно сделать вывод, что качественно отличие влияния сферического обтекателя от цилиндрического состоит в уменьшении мощности излучения в осевом направлении, большем искажении формы главного лепестка ДН, изменении углового положения и уменьшении уровня боковых лепестков. С увеличением толщины ЗУ уровень боковых лепестков для обоих случаев практически выравнивается, а соотношение уровня излучения вдоль оси сохраняется.

4. Влияние смещения раскрыва

В рамках данного исследования было рассмотрено смещение излучающей апертуры вдоль оси системы с обтекателем полуволновой и одноволновой толщины. В виду малого визуального отличия ДН, соответствующих различным величинам смещения апертуры, на рис. 7, 8 показаны отличия в диапазоне углов от случая без ЗУ.

Таким образом, показано, что отличие формы ДН составляет доли процента по мощности при смещении вдоль оси системы. Исходя из начальных упрощений, этот факт легко объясним тем, что для параллельных лучей, вышедших из апертуры, условия преломления на границе раздела воздух-ЗУ при смещении раскрыва вдоль оси остаются без изменений за исключением площади сечения лучевой трубки.

0.004

0.002

го |_

го

0.000

7 -0.002 .о

0 -0.004

ео ГО

о- -0.006

к ГО

1 -0.008

со со

О -0.010

£ -0.012

0

1

-0.014

-6 -4 -2 0 2 4 6

Угол, град

Рис. 7. Отличие ДН для полуволнового ЗУ при величине осевого смещения апертуры 1.0 (1), 2.0 (2), 3.0 (3),

4.5 (4), 5.0 (5), 5.5 (6) длин волн

-6 -4 -2 0 2 4 6

Угол, град

Рис. 8. Отличие ДН для одноволнового ЗУ при величине осевого смещения апертуры 1,0 (1), 2,0 (2), 3,0 (3),

4,5 (4), 5,0 (5), 6 (6), 7 (7) длин волн

Заключение

В результате проведённого исследования:

• продемонстрирован факт отличия оптимальной толщины выпуклого обтекателя, обеспечивающей максимальную амплитуду сигнала в осевом направлении, относительно аналогичной величины для плоского ЗУ;

• приведены зависимости амплитуды излученного сигнала в осевом направлении и зависимость ширины луча от толщины ЗУ;

• показана качественная разница влияния ЗУ цилиндрической и сферической формы на ДН;

• отмечен факт малого влияния смещения плоскости излучающего раскрыва из центра обтекателя вдоль оси системы на характеристики излучения.

Статья выпущена в рамках НИОКТР "Создание высокотехнологичного производства композитных агрегатов" выполняемого МГТУ им. Н.Э. Баумана совместно с ОАО «НПО «ЛЭМЗ» в рамках комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства, в целях реализации постановления Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 218 «О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений, государственных научных учреждений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства», при

финансовой поддержке по проекту Министерства образования и науки Российской Федерации.

Список литературы

1. Kozakoff D.J Analysis of Radome Enclosed Antennas, 2nd ed. Northwood: Artech House, Inc., 2010. 294 P.

2. Каплун В.А. Обтекатели антенн СВЧ. М.: Сов. радио, 1974. 240 С.

3. Карпов А.Г., Князев Н.С., Шабунин С.Н. Анализ влияния сферических укрытий больших зеркальных антенн и антенных решёток на характеристики излучения // 24-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2014). Севастополь, 7-13 сентября 2014 г.: материалы конф. В 2 т. Том 1. Севастополь: Вебер, 2014. С. 525-526.

4. С.И. Шалгунов, А.Н. Трофимов, В.И. Соколов, И.В. Морозова, Ю.С. Прохорова Особенности проектирования и разработки радиопрозрачных обтекателей и укрытий, работающих в сантиметровом и миллиметровом диапазонах радиоволн. Научный электронный журнал «Новости материаловедения. Наука и техника» №3, 2014. 14 с. [http://materialsnews.ru/plugins/content/journal/uploads/articles/pdf/79.pdf].

5. Князева Л.В. Методы расчета характеристик системы антенна-обтекатель // Антенны. 1998. Вып. 1 (40). С. 66-75

6. Каплун В.А. Антенные радиопрозрачные обтекатели (этапы исследований и разработок) // Радиотехника. 2002. №11. С. 11-15.

7. Грищенко С.Г. Алгоритм квазиоптического моделирования антенных обтекателей // Антенны. 2007. №5. С. 40-47.

8. Кабалин С.В. Исследование характера зависимости коэффициента прохождения электромагнитной энергии через радиопрозрачную крышку от частоты радиосигнала и типа поляризации // Антенны. 2013. №1. С. 41-45.

9. Кабаев А.К. Влияние нестабильности диэлектрических характеристик стеклопластика на радиотехнические параметры радиопрозрачного укрытия. Исследование зависимости коэффициента прохождения электромагнитной энергии от s, tg5 и угла падения // Антенны. 2013. №1. С. 37-40.

10. Колосов Ю.А., Левков Ф.Е. Об использовании метода стационарной фазы в экспресс-оценке влияния обтекателя на параметры антенны // Антенны. 2012. №1. С. 23-26.

Science and Education of the Bauman MSTU, 2014, no. 12, pp. 128-136.

DOI: 10.7463/0815.9328000

Received: Revised:

##.##.2014 ##.##.2014

Science^Education

of the Bauman MSTU

I SS N 1994-0408 © Bauman Moscow State Technical Unversity

Features of Antenna Protection Cover Design and Manufacture

*

M.E. Golubcov, O.A. Potekhina, A.N. Klishin, V.N. Kornienko, V.I. Litun

:Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia

Keywords: streamlined antenna cover, protection device, detection, antenna pattern, antenna system

The paper sets a task to design protection covers (PC) of large aperature antennas to be used in difficult climatic conditions of operation, wide range of temperatures or under specified requirements for the operation mode of equipment. Methods to analyse the influence of antenna covers and radomes on characteristics of antennas radiation vary depending on the electrical size and complexity of the PC structure. Both strict methods of the electrodynamic analysis, and quasioptical approximations can be applied.

The aim of research was to define the influence of thickness of a single-layer radome in the form of a cylindrical or spherical cover on radiation characteristics of the aperture antenna with antenna mouth of about several tens wavelengths in free space (X). The second task was to establish the interrelation between the change of the directional pattern and shift of the antenna mouth with respect to the center of PC generatrix.

Influence of radome thickness was assessed according to several parameters such as amplitude of the field radiated in the axial direction, reduced to results of modeling antenna without PC; level of power radiated in the conic sector with angular half-aperture of 6 width of the main maximum at half power with regard to the case with no radome.

It is found that with increasing PC thickness there is growth of the principle pattern width at half power. Thus, it is defined that, qualitively, a difference in influence of the spherical ra-dome and cylindrical one consists in reduction of radiation power in the axial direction, more distorted principle pattern shape, change of minor-lobe angle, and reduction of minor-lobe level. With increasing PC thickness the minor-lobe level for both cases becomes almost even, and the ratio of radiation level along the axis remains unchanged. It is shown that difference in the pattern shape gives fractions of percent for power with a shift along a system axis. Proceeding from initial simplifications, this fact can be easily explained that for the parallel output beams of an aperture, refraction conditions at the air-PC boundary with a shift of antenna mouth along the axis remain unchaged except for the beam cross section area of a display tube.

Список литературы

11. Kozakoff D.J Analysis of Radome Enclosed Antennas, 2nd ed. Northwood: Artech House, Inc.,

2010. 294 P.

12. Каплун В.А. Обтекатели антенн СВЧ. М.: Сов. радио, 1974. 240 С.

13. Карпов А.Г., Князев Н.С., Шабунин С.Н. Анализ влияния сферических укрытий боль-

ших зеркальных антенн и антенных решёток на характеристики излучения // 24 -я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2014). Севастополь, 7-13 сентября 2014 г.: материалы конф. В 2 т. Том 1. Севастополь: Вебер, 2014. С. 525-526.

14. С.И. Шалгунов, А.Н. Трофимов, В.И. Соколов, И.В. Морозова, Ю.С. Прохорова Осо-

бенности проектирования и разработки радиопрозрачных обтекателей и укрытий, работающих в сантиметровом и миллиметровом диапазонах радиоволн. Научный электронный журнал «Новости материаловедения. Наука и техника» №3, 2014. 14 с. [http://materialsnews.ru/plugins/content/journal/uploads/articles/pdf/79.pdf].

15. Князева Л.В. Методы расчета характеристик системы антенна-обтекатель // Антенны.

1998. Вып. 1 (40). С. 66-75

16. Каплун В.А. Антенные радиопрозрачные обтекатели (этапы исследований и разработок)

// Радиотехника. 2002. №11. С. 11-15.

17. Грищенко С.Г. Алгоритм квазиоптического моделирования антенных обтекателей // Ан-

тенны. 2007. №5. С. 40-47.

18. Кабалин С.В. Исследование характера зависимости коэффициента прохождения элек-

тромагнитной энергии через радиопрозрачную крышку от частоты радиосигнала и типа поляризации // Антенны. 2013. №1. С. 41-45.

19. Кабаев А.К. Влияние нестабильности диэлектрических характеристик стеклопластика на

радиотехнические параметры радиопрозрачного укрытия. Исследование зависимости коэффициента прохождения электромагнитной энергии от s, tg5 и угла падения // Антенны. 2013. №1. С. 37-40.

20. Колосов Ю.А., Левков Ф.Е. Об использовании метода стационарной фазы в экспресс-

оценке влияния обтекателя на параметры антенны // Антенны. 2012. №1. С. 23-26.