CC BY
0
УДК 537.876.4
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-203-204
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТАМАТЕРИАЛА ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ РАДИОЗАМЕТНОСТИ МИКРОПОЛОСКОВОЙ АНТЕННЫ
М.И. Повещенко
Актуальность данной статьи связана с необходимостью защиты своих объектов от обнаружения. На основе моделирования изучается ряд структур метаматериала и его влияние на основной параметр представляющий интерес - эффективная поверхность рассеяния (ЭПР). В результате работы было достигнуто снижение ЭПР антенны на определенных диапазонах частот, а также проведен сравнительный анализ данных структур.
Ключевые слова: метаматериал, антенны, эффективная поверхность рассеяния, ЭПР, микрополосковые
антенны.
Радиолокация по мере своего развития полностью перекраивает принципы ведения войны в современных условиях. Это связано с тем, что обладание информацией о размещении военной техники и живой силы противника является залогом успешного ведения боевых действий.
Основным параметром, представляющим интерес для исследования, является эффективная поверхность рассеяния антенны (ЭПР). ЭПР - это площадь некоторой фиксированной плоской поверхности, расположенной нормально к направлению падающей волны и являющейся идеальным и изотропным переизлучателем, которая, будучи перемещена в точку расположения цели, создает на месте расположения антенны радиолокационной станции ту же плотность потока мощности, что и реальная цель. Чем больше количественный показатель эффективной поверхности рассеяния, тем больше расстояние, на котором можно обнаружить цель, тем легче проводить ее сопровождение. Именно поэтому, наряду с активным развитием радиолокационных систем, не менее активно развиваются системы защиты своих объектов от обнаружения. А сокрытия своих целей от РЛС противника можно добиться в первую очередь с помощью максимального снижения их ЭПР.
Рис. 1. Антенны и модели метаматериала, которые будут использоваться в работе
Для моделирования использовалась среда FEKO. Результаты моделирования представлены на Рис.2.
Frequency [GHz]
Без метаматериала Метаматериал (тиг 1) Метаматериал (тип 2)
Рис. 2. Частотная зависимость ЭПР для нескольких моделей микрополосковых антенн
203
Известия ТулГУ. Технические науки. 2023. Вып. 9
Метаматериалы - частотно-селективные поверхности (ЧСП) играют роль фильтра электромагнитных волн за счет своих геометрических свойств. ЧСП свободно пропускают сигналы на частоте близкой к собственной резонансной частоте. При этом сигналы, с частотой не попадающей в полосу пропускания будут отражены. Это объясняется структурой ЧСП. ЧСП представляют собой периодические решетки проводящих или апертурных элементов, расположенных в узлах периодической решетки (прямоугольной или гексагональной). Получается нечто вроде колебательного контура, где решетки элементов выполняют роль индуктивности, а промежутки между ними -емкости. Иными словами, угловые, частотные и поляризационные свойства ЧСП можно регулировать, изменяя расстояние между ячейками, их форму и размеры, а также толщину периодической решетки.
В данной работе будут построены и рассмотрены следующие модели антенн, представленные на Рис. 1.
На рис.2 показаны однопозиционные диаграммы ЭПР трех моделей микрополосковой антенны при нормальном падении плоской волны на микрополосковую структуру. Как видно из приведенных результатов, для Модели 1 имеется две области снижения ЭПР в окрестности 8,3 ГГц и 10,5 ГГц и для модели 2 - одна область снижения ЭПР в окрестности 7,9 ГГц. Эффективность снижения ЭПР составляет от -5 дБ до -15 дБ.Анализ периодических решеток, выполененных из элементов модели 1 и 2 показал, что области снижения ЭПР полностью совпадают с областью снижения коэффициента отражения бесконечной периодической решетки из элементов, составляющих метатматериал. Использование принципа фрактальности при построении формы элементов метаматериала (модель 1) позволяет получить дополнительную частотную область снижения ЭПР по сравнению со случаем Модели 2. Выбор таких элементов (модель 1) позволяет путем изменения геометрических размеров смещать частотную область снижения ЭПР.
Итак, была достигнута поставленная цель - снижение ЭПР микрополосковой антенны.
Сравнение характеристики ЭПР при угле облучения 30°
Чтобы изучить характер изменения эффективности метаматериала от угла облучения, было проведено еще несколько расчетов ЭПР под углами 30 и 60 градусов (Рис. 3 - 4).
Frequency [GHz]
Без мета мате риал а Метаматериал (тип 1) Метаматериал (тип 2)
Рис. 3. Сравнение результатов моделирования антенн при угле облучения равном 30°
На рис. 3 можно увидеть, что при изменении угловых координат точки облучения на 30° было получено длительное снижение ЭПР антенны. Метаматериал (тип 1) позволил добиться снижения обратного излучения на 10 дБ на частоте 8.3 ГГц. Метаматериал (тип 2) дал менее хорошие результаты, т.к. обеспечив на 8.1 ГГц понижение ЭПР на 7 дБ, увеличил его на порядка 5 дБ на частотах от 10.4 ГГц до12 ГГц. Сравнение характеристики ЭПР при угле облучения 60°
Frequency [GHz]
Без мета мате риал а Метаматериал (тип 1) Метаматериал (тип 2)
Рис. 4. Сравнение результатов моделирования антенн при угле облучения равном 60°
204
При угловых координатах источника облучения 60° можно заметить продолжение тенденции к появлению дополнительных частот на которых понижается ЭПР. Так у метаматериала (тип 2) есть уже 3 таких частоты на 7.7 ГГц, 8.2 ГГц, 10.7 ГГц, и целом эта ЧСП проявила себя намного лучше обеспечив 2 зоны снижения ЭПР на 9.5 дБ.
В данной работе было выполнено моделирование микрополосковых антенн на основе метаматериала. Было рассмотрено три модели антенн: простая микрополосковая антенна, с использованием метаматериала (тип 1) и метаматериала (тип 2). В ходе моделирования были получены зависимости RCS от частоты и от угла облучения. С помощью добавления различных моделей метаматериалов была проведена модификация исходной антенны. При этом было рассмотрено два вида реализации метаматериала — метаматериал (тип 1), метаматериал (тип 2). Было осуществлено моделирование и произведено сравнение полученных характеристик антенн без использования метаматериала и с его использованием, также бьш проведен анализ зависимости ЭПР этих антенн от угловых координат облучателя.
Использование метаматериала (тип 1) в конструкции антенны привело к резкому уменьшению ЭПР антенны на частоте 8,1 ГГц. Добавление метаматериала (тип 2) позволило получить две зоны снижения ЭПР на частоте 8,3ГГц и 10,5 ГГц. Это связано с тем, что при проектировании данного метаматериала был использован принцип фрактальности, именно поэтому была получена дополнительная зона снижения ЭПР.
Список литературы
1. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. М.: Высшая школа, 1988. 432 с.
2. Семенихина Д.В., Юханов Ю.В., Привалова Т.Ю. Теоретические основы радиоэлектронной борьбы. Радиоэлектронная разведка и радиоэлектронное противодействие: учебное пособие. Ростов-на-Дону: Южный федеральный университет, 2015. 252 с.
3. Zhao S.-C., Wang B.-Z., He Q.-Q. Broadband radar cross section reduction of a rectangular patch antenna// Progress In Electromagnetics Research, 2008, vol. 79. P. 263-275.
4. Knott E.F., Shaeffer J.F., Tuley M.T. Radar Cross Section. Raleigh, NC, USA: SciTech, 2004.
5. Hopcraft K.I., Smith P.R. Geometrical properties of backscattered radiation and their relation to inverse scattering // J. Opt. Soc. Amer. A, 1989. Vol. 6. No. 4. P. 508-516.
6. Chen H., Zhou P., Chen L., Deng L. Study on the properties of surface waves in coated ram layers and mono-static RCS performances of the coated slab // Progress in Electromagnetics Research M, 2010. Vol. 1. P. 123-135.
7. Jiang W., Liu Y., Gong S.X., Hong T. Application of bionics in antenna radar cross section reduction // IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., 2009. Vol. 8. P. 1275-1278.
8. Xu H.-Y., Zhang H., Lu K., Zeng X.-F. A holly-leaf-shaped monopole antenna with low RCS for UWB application // Progress In Electromagnetics Research, 2011. Vol. 117. P. 35-50.
9. Genovesi S., Costa F., Monorchio A. Low profile array with reduced radar cross section by using frequency selective surfaces // IEEE Trans. Antennas Propag., 2012. Vol. 60. No. 5. P. 2327-2335.
10. Shater A., Zarifi D. Radar Cross Section Reduction of Microstrip Antenna Using Dual-Band Metamaterial Absorber // ACES Journal, 2017. Vol. 32. No.2. P. 135-140.
Повещенко Марк Иванович, магистр, оператор, [email protected], Россия, Анапа, ФГАУ «ВИТ «ЭРА» APPLICATION OF METAMATERIAL FOR REDUCING RADIO SIGNIFICANCE OF MICROSTRIP ANTENNA
M.I. Poveshchenko, D.O. Kovalev, M.R. Gamzaev
The relevance of this article is related to the need to protect their objects from detection. On the basis of modeling, a number of metamaterial structures and its influence on the main parameter of interest - the effective scattering surface (ESR) are studied. As a result of the work, a decrease in the ESR of the antenna was achieved at certain frequency ranges, and a comparative analysis of these structures was also carried out.
Key words: metamaterial, antennas, effective scattering surface, EPR, microstrip antennas.
Poveshchenko Mark Ivanovich, magister, operator, [email protected], Russia, Anapa, FGAU «MIT «ERA»,
Kovalev Dmitry Olegovich, magister, operator, Russia, Anapa, FGAU «MIT «ERA»,
Gamzaev Magamed Rasimovich, bachelor, operator, Russia, Anapa, FGAU «MIT «ERA»
