Разработка радиопоглотителя на основе печатных биконических вибраторов, нагруженных резисторами Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.396.67

РАЗРАБОТКА РАДИОПОГЛОТИТЕЛЯ НА ОСНОВЕ ПЕЧАТНЫХ БИКОНИЧЕСКИХ ВИБРАТОРОВ, НАГРУЖЕННЫХ РЕЗИСТОРАМИ

А.Ф. Латыпова, А.Г. Рыжиков

В статье рассмотрена радиопоглощающая структура на основе плоских биконических вибраторов, нагруженных резисторами. Исследовано влияние раскрыва угла биконического вибратора, а также материальных параметров подложки на уровень уменьшения эффективной поверхности рассеяния. С использованием численного моделирования показано, что на основе структуры из плоских биконических вибраторов со сосредоточенными нагрузками могут быть созданы простые в изготовлении сверхширокополосные радиопоглотители круговой поляризации

Ключевые слова: биконический вибратор, эффективная поверхность рассеяния, сверхширокополосный радиопоглотитель

В настоящее время специалисты продолжают уделять внимание вопросам разработки поглотителей электромагнитных волн, радиопоглощающих покрытий и материалов, широко используемых для снижения уровня паразитных отражений от окружающих предметов, а также уменьшения радиолокационной заметности объектов военной техники.

Особенно перспективны радиопогло-щающие материалы и покрытия на основе сложных композитных сред, в которых поглощение осуществляется за счет диэлектрических и магнитных потерь. Производство таких покрытий является очень трудоемким и дорогостоящим. Популярные в последнее время поглотители на основе метаматериалов [1,5], которые синтезируются внедрением в исходный природный материал различных периодических элементов с самыми различными формами, меняя при этом диэлектрическую е и магнитную ц проницаемость исходного материала, имеют узкую полосу поглощения.

Существенными требованиями, предъявляемыми к радиопоглощающим материалам, являются широкая полоса, малые габаритные размеры, небольшая толщина и простота изготовления.

В связи с этим определенный интерес представляет разработка легких и простых в изготовлении поглотителей на основе сверхширокополосных печатных антенных структур, в которых мощность падающей волны поглощается в согласованной нагрузке.

Латыпова Алина Фидарисовна - ВГТУ, аспирант, тел. 8 (905) 657-08-51

Рыжиков Артем Геннадьевич - ВГТУ, аспирант, тел. 8 (950) 779-44-97

Известно, что одной из

сверхширокополосных антенн, построенных на принципе электродинамического подобия, является биконический вибратор. Так, в работах [2,3] показаны перспективы использования биконического вибратора с металлическим экраном в качестве базового элемента сверхширокополосных плоских антенных решеток.

Поэтому в настоящей работе предлагается разработка поглотителя круговой поляризации на основе плоских печатных биконических вибраторов, расположенных перпендикулярно друг другу по разным сторонам подложки стеклотекстолита.

Геометрия рассматриваемых плоских биконических вибраторов, нагруженных резисторами с номиналами Яь Я2=220 Ом, расположенными в зазоре вибраторов, представлена на рис.1. Вибраторы, размеры которых Ь1 = 39 мм и Ь2= 60 мм, расположены по разным сторонам диэлектрической подложки (БЯ4) без потерь толщиной 1=2 мм. Дополнительно, конструкция с вибраторами располагается на экранированной подложке (БЯ4) без потерь толщиной Ь=2мм.

Для проверки уровня согласования биконических вибраторов вместо резисторов подключались дискретные порты с внутренними сопротивлениями Я1, Я2=220 Ом. Частотные зависимости уровня согласования биконических вибраторов представлены на рис. 2.

Из приведенных зависимостей (рис. 2) видно, что структура из биконических вибраторов хорошо согласована в полосе частот 10-15 ГГц, а в полосе частот 8-18 ГГц уровень согласования достигает значений -8 дБ. Поэтому в качестве исследуемого частотного диапазона был выбран диапазон от

7 до 18 ГГц. Исследования поглотителя проводились путем численного моделирования с использованием метода конечного интегрирования (Finite Integration Method), описанного Вейландом в [4] для пространственно-временных координат

решения соответствующей электродинамической задачи.

Зависимость ЭПР от частоты поглотителя представлена на рис. 3.

Рис. 1. Конструкция поглотителя печатных биконических вибраторов

на основе

Рис. 2. Частотная зависимость модуля коэффициента отражения по входу |5Х1| (сплошная линия) и коэффициента передачи между портами |521| (пунктирная линия)

При моделировании поглотителя исследовалась зависимость эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) от частоты при нормальном падении плоской волны круговой поляризации. Для оценки уровня поглощения поглотителя приводится зависимость ЭПР от частоты листа металла такого же размера, что и поглотитель.

Рис. 3. Зависимость ЭПР от частоты исходного поглотителя (сплошная линия с квадратами) и листа металла (сплошная линия)

Радиопоглотитель обеспечивает уменьшение ЭПР на 10 дБ в широкой полосе частот 11,12-12,899 ГГц, при этом на резонансе уровень поглощения достигает 38 дБ.

Далее, предлагается исследовать влияние угла раскрыва биконическзого вибратора на ЭПР поглотителя, при этом остальные параметры остаются неизменными.Геометрия биконического вибратора при разных углах раскрыва а представлена на рис. 4. Зависимость ЭПР от частоты поглотителя при разных значениях угла раскрыва а биконического вибратора представлена на рис 5.

а)

б)

л |\ А

х 7 к.

/ \

в)

Рис. 4. Геометрия поглотителя при разных углах раскрыва биконического вибратора: а) а = 45°, б) а = 73°, в) а = 101°.

Рис. 5. Зависимость ЭПР от частоты поглотителя при разных значениях угла раскрыва биконического вибратора: а) а = 45° (сплошная линия с квадратами), б) а = 73° (сплошная линия с кругами), а = 101° (пунктирная линия) и лист металла (сплошная линия)

Исходя из рис. 5 можно сделать вывод, что при а = 73°, то есть, при исходном угле раскрыва биконического вибратора, обеспечивается наибольшее уменьшение ЭПР по сравнению с металлом в рассматриваемом частотном диапазоне.

Увеличение угла раскрыва биконических вибраторов в данном случае приводит к сдвигу резонанса в область высоких частот, а отклонение угла от исходного - к отсутствию четко выраженного резонанса и уменьшению уровня поглощения. Этот результат подтверждает наличие «антенного эффекта» поглотителя, связанного с тем, что первоначальная форма излучателей

обеспечивает хорошее согласование с нагрузками в виде резисторов, а значит, хорошее поглощение.

Дальнейшие исследования поглотителя связаны с изменением толщины подложки, на которой расположены вибраторы и высотой подъема И вибраторов над экраном, при этом геометрия биконического вибратора остается исходной.

Зависимости ЭПР поглотителя от частоты при одновременном изменении высоты И и толщины 1 диэлектрических подложек

приведены на рис. 6. Зависимости ЭПР поглотителя от частоты при изменении высоты И при неизменной толщине 1=2 мм и толщины 1 при неизменной высоте И=2 мм представлены на рис. 7,8.

0

* V Л V:

'/-ч-ГЛ \ Г/Ту У 1 г '

.....1..........г

' ' • • 1 '

Рис. 6. Зависимость ЭПР от частоты поглотителя при одновременном изменении высоты подъема над экраном и толщины диэлектрика между вибраторами Ь=;: И=1=2 мм (сплошная линия с квадратами), И=1=4мм (сплошная линия с кругами), И=1=6мм (сплошная линия с треугольниками), И=1=8мм (штрихпунктирная линия), И=1=10мм (пунктирная линия) и лист металла (сплошная линия)

Из приведенных зависимостей видно, что одновременное увеличение толщины диэлектрической подложки 1 между вибраторами и высоты подъема вибраторов И над экраном приводит к тому, что форма зависимости ЭПР носит колебательный характер с отсутствием четко выраженного резонанса.

Рис. 7. Зависимость ЭПР от частоты поглотителя при изменении высоты подъема над экраном И: И=2 мм (пунктирная линия с треугольниками), И=4 мм (сплошная линия с квадратами), И=6 мм (сплошная линия с кругами), И=8 мм (пунктирная линия), И=10 мм (штрихпунктирная линия с ромбами) и лист металла (сплошная линия)

Из рис. 7 видно, что увеличение высоты подъемаИ над экраном вибраторов при неизменной толщине подложки между ними приводит к появлению дополнительных близко расположенных резонансов, а также к сдвигу резонанса в область высоких частот относительно исходной величины И. В рассматриваемом частотном диапазоне наиболее оптимальной структурой поглотителя

с точки зрения небольшой толщины и хорошего уровня поглощения является структура с высотой подъема Ь= 2 мм.

ЭПР. дБм2

Рис. 8. Зависимость ЭПР от частоты поглотителя при изменении толщины диэлектрической подложки между вибраторами 1: 1=2 мм (сплошная линия с квадратами), 1=4 мм (штрихпунктирная линия), 1=6 мм (сплошная линия с кругами), 1=8 мм (пунктирная линия), 1=10 мм (сплошная линия с треугольниками) и лист металла (сплошная линия)

Из приведенных выше зависимостей видно, что при увеличении толщины подложки 1 с 4 до 10 мм между вибраторами при неизменной высоте подъема над экраном происходит сдвиг резонанса в область низких частот, за счет чего происходит уменьшение поглощения. В рассматриваемом частотном диапазоне при исходной толщине 1=2 мм обеспечивается максимальный уровень поглощения.

В дальнейшем предлагается, оставляя толщину диэлектрической подложки 1 между вибраторами и высоту подъема над экраном И равными 2 мм, исследовать влияние диэлектрической проницаемости на ЭПР. Графики зависимости ЭПР от частоты при разных значениях относительной

диэлектрической проницаемости 8Г приведены на рис. 9.

Рис. 9. Зависимость ЭПР от частоты поглотителя при изменении относительной диэлектрической проницаемости ег: ег=2 (сплошная линия с треугольниками), ег=4 (штрихпунктирная линия с треугольниками), ег=6 (сплошная линия с ромбами), ег=8 (сплошная линия с кругами), ег=10 (пунктирная линия) и лист металла (сплошная линия)

Из рис. 9 видно, что при увеличении относительной диэлектрической

проницаемости подложек происходит сдвиг резонанса в область низких частот, уменьшение уровня поглощения, при этом уменьшается разница между резонансными частотами, кривая ЭПР становится

многорезонансной. Указанное выше предполагает возможность расширения как нижней, так и верхней границы полосы поглощения в рассматриваемом диапазоне путем разработки многослойных поглотителей при применении подложек с требуемыми значениями относительной диэлектрической проницаемости.

В нашем случае видно, что при 8Г =2 достигается максимальный уровень

поглощения и широкая полоса, выходя за пределы рассматриваемого частотного диапазона.

Для оценки уровня и полосы поглощения предлагается рассмотреть зависимость ЭПР от частоты при 8Г =2 в диапазоне частот 12-28 ГГц. Графики зависимости ЭПР от частоты поглотителя и листа металла представлены на рис. 10.

Рис. 10. Зависимость ЭПР от частоты поглотителя при относительной диэлектрической проницаемости ег=2 (пунктирная линия) и листа металла (сплошная линия)

Из рис. 10 видно, что поглотитель на основе биконических вибраторов,

расположенных на диэлектрической подложке без потерь с относительной диэлектрической проницаемостью вг=2 обеспечивает

уменьшение ЭПР по уровню -10 дБ в сверхширокой полосе частот от 14,169-21,316 Гц.

Таким образом, поглотитель на основе печатных биконических вибраторов, мощность волны в котором поглощается в согласованной нагрузке, обеспечивает уменьшение ЭПР на 10 дБ в сверхширокой полосе частот 14,169-21,316 Гц, на резонансной частоте 1 7,5 ГГц - на 28 дБ при общей толщине 4 мм и использовании

простой диэлектрической подложки с относительной диэлектрической проницаемостью sr=2.

Литература

1.Juan Yang and Zhongxiang Shen, Senior Member, IEEE «A thin and broadband absorber using double-square loops», IEEE Trans. Antennas and Wireless Propagat. Letters, vol. 6, pp. 388-391, Oct. 2007.

2. Сверхширокополосные антенные решетки на основе печатных биконических вибраторов с металлическим экраном [Текст] / В. Б. Авдеев, А. В.

Ашихмин, А. В. Бердышев, Ю. Г. Пастернак, И. В. Попов // Антенны. - 2005. - № 7-8.

3. Ашихмин, А.В. Анализ направленных свойств биконического вибратора [Текст] / А. В. Ашихмин, В. К. Маршаков, А. П. Преображенский // Вестник ВГУ. Серия: Физика. Математика. - 2005. - № 1. - С. 13-19.

4. Weiland T. A discretization method for the solution of Maxwell's equations for six-component fields // Electronics and Communication. 1977. № 31. P. 116-120.

5. Q. Gao et al., "Application of metamaterials to ultra-thin radar-absorbing material design," Electronics Letters, vol. 41, no. 17, pp. 936-937, 2005

Воронежский государственный технический университет

DESIGN ABSORBER BASED ON BICONICAL DIPOLES LOADED RESISTORS

A.F. Latypova, A.G. Ryzhikov

The paper presents radar absorber based flat biconical dipoles loaded resistors. The influence of the aperture angle biconical dipole , as well as material parameters of substrate on reducing the level of the radar cross section . With use of numerical modelling it is shown , that basis on structure of the flat biconical dipoles with lumped resistors can be created easy to manufacture ultra-wideband radar absorber circular polarization

Key words: biconical dipole, radar cross section, ultrawideband radar absorber