Аналитические и экспериментальные исследования влияния диэлектрических покрытий на излучение апертурных антенн Текст научной статьи по специальности «Физика»

ИНФОРМАЦИОННЫЕ КАНАЛЫ И СРЕДЫ X

УДК 621.396.67

АНАЛИТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ НА ИЗЛУЧЕНИЕ АПЕРТУРНЫХ АНТЕНН

A. Р. Бестугин,

канд. техн. наук, доцент

B. В. Горбацкий,

канд. техн. наук, ст. преподаватель В. Н. Красюк, доктор техн. наук, профессор Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения

Исследовано влияние различных диэлектрических покрытий разных толщин и свойств на формирование диаграммы направленности излучения апертурных антенн. Исследования проводились для диэлектриков, располагаемых непосредственно в раскрыве антенны.

The influence of various dielectric coatings of different thickness and properties on the construction of the orientation diagram of aperture aerials radiation is investigated. A research was carried out for the dielectric coatings placed directly in the aperture of the aerial.

Для защиты антенных систем летательных аппаратов от воздействия внешней среды применяют диэлектрические покрытия, обтекатели. Их форма при размещении на борту определяется конфигурацией антенн, местом их расположения и внешними обводами аппарата [1-3]. При заданной форме и прочностных характеристиках диэлектрической защиты необходимо такое решение электродинамической задачи, которое дает возможность минимизировать влияние диэлектрика на характеристики излучения антенн [4].

Расчет влияния

диэлектрического покрытия на диаграмму направленности апертурной антенны

Электромагнитная энергия, излучаемая или принимаемая антенной, частично проходит через диэлектрик, а частично поглощается и отражается им. Следует стремиться к достижению максимального коэффициента прохождения и к минимальным искажениям фазового фронта прошедшей волны. При расположении покрытия в дальней зоне поля излучения антенны защита представляет собой плоский слой полупроводящего материала, на который под углом падения 0 падает плоская электромагнитная волна (рис. 1) [5].

Формулы для расчета коэффициентов прохождения и отражения имеют вид:

[fl - |r|2 )2 + 4r2 sin2 Yd 1 2ad e cos e

I / cose

2ad

cose

(l)

+ 4 r sin

_ 2ad 2 • 2 Yd e ~ cos Є

cose

и2=-

7 2ad \

l — e cose

_ 2ad

+ 4sin2 ——e cose cos e

2ad Л2

l - r e

cos e

2ad

-, (2)

+ 4 |r12 sin2 Yd e cose

cose

где коэффициент отражения Френеля соответственно для параллельной и перпендикулярной поляризации:

r =■

є cos'

)-Ve-

2

sin2 e cos e-Ve-sin2 e

^, r±=---------1 . ;

cos e + Ve-sin2 e cose+Ve-sin2 e

Ve-'

2п г ^ ntgSVe

Y = —V є — коэффициент фазы; a =

А

А

— ко-

эффициент затухания; А — длина волны в свобод-

Рис. 1. Расположение покрытия в дальней зоне поля излучения антенны

ном пространстве; е — относительная диэлектрическая проницаемость материала покрытия толщиной d; tg8 — тангенс диэлектрических потерь этого материала.

Для обеспечения максимального прохождения электромагнитной волны через покрытие (обтекатель) электрическая толщина его стенки должна быть равной или кратной половине волны в диэлектрике:

d =

пк

2^1-

,, и = 1, 2,...

эт

Потери заметно уменьшаются, если геометрическую стенку выбрать значительно меньше длины волны к, т. е. d < 0,1к. Но в этом случае покрытие (обтекатель) обладает низкой механической прочностью по сравнению с «полуволновым».

Выражения (1) и (2) являются основополагающими для аналитических оценок радиопрозрачности плоской диэлектрической защиты антенны, находящейся в дальней зоне поля излучения. В случае более сложной формы обтекателя необходимо пользоваться формулами (1) и (2) для фиксированных углов 0 сканирования луча относительно диэлектрика.

При расположении диэлектрических покрытий в области раскрыва антенны приведенные формулы неприемлемы. В этом случае имеет место сложное электродинамическое воздействие поля антенны с диэлектриком, появление многократных пе-реотражений и поверхностных волн значительной интенсивности. Так, если антенна рассчитывается для излучения в направлении нормали к раск-рыву, то энергия поверхностной волны будет определять потери и уменьшит коэффициент усиления антенны. Кроме того, она может быть причиной паразитных излучений, возникающих вследствие дифракции поля на покрытии конечных размеров.

При проектировании антенн с диэлектрическими покрытиями основной задачей является расчет их характеристик излучения. Задача о расчете поля антенны сводится к нахождению решения

уравнения Максвелла, удовлетворяющего граничным условиям и заданному распределению сторонних источников. Как правило, антенны с диэлектрическими покрытиями представляют собой различные волноводные излучатели, апертуры которых в проводящем экране покрыты слоем диэлектрика.

Антенну с диэлектрическим покрытием рассмотрим в виде излучающей апертуры в бесконечном проводящем экране, покрытом слоем диэлектрика (рис. 2).

Предположим, что электрическое поле в излучающей апертуре Б направлено во всех точках вдоль оси у, т. е. Е = Еу(х, г). Метод преобразования Фурье от распределения поля в раскрыве антенны с последующим применением граничных условий на поверхности раздела сред часто применяется для исследования характеристики излучения апертур, расположенных на бесконечном проводящем экране, покрытом слоем диэлектрика.

Используя преобразование Фурье, записываем

где

1 “

Еу(х,г) = — / G(h,x)eihгdh,

* 2л-~

G(h,x) = / Еу(х,г)е_йМг;

(3)

(4)

h — постоянная распространения парциальной волны в направлении оси г.

Функция в (^ х), определяемая выражением (4), удовлетворяет одномерному волновому уравнению

d2G(h,x) dx2

>р = л/ й2-Ь2 —

+ Р2в(^ х) = 0,

(5)

где р = \ й -h — постоянная распространения парциальной волны внутри слоя.

а

■ Рис. 2. Антенна с диэлектрическим покрытием ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮШИЕ СИСТЕМЫ 35

№ 6, 2007

Постоянная распространения парциальной

волны над слоем Р0 = ^&0 - ^.

Волновое число свободного пространства й0 =

I---- ю

= ^^^0е0 = С •

Волновое число для слоя й = Ю^Ое0е, где е — относительная диэлектрическая проницаемость слоя; ц0 — магнитная постоянная.

Граничные условия для рассматриваемой задачи представляются в виде в(^ 0) = 00(Щ при х = 0;

дв

в и — непрерывны при х = d. Здесь 00(Щ — преоб-дх

разование Фурье от функции распределения электромагнитного поля в излучающей апертуре.

Решение волнового уравнения (5) для областей

1 и 2 рассматриваемого пространства (см. рис. 2) можно представить в виде

в1(Ъ,х) = Б(^ефх + С(К)е-вх; (6)

02(Ъ,х) = А ^)еф°х. (7)

Подстановка выражений (6), (7) в граничные условия позволяет написать

в0(^ = Б^) + с^);

А(Ще®0<1 = Б^е®11 + C(h)e■iвd;

A(h)eiPodpo = Б(К)е^ав- C(h)e_iвdp.

Из полученных соотношений путем несложных преобразований определяем величины А^), Б(h), C(h), необходимые для расчета электрического поля по формуле (3):

А№ = ; (8)

cosPd - ^-в0-э1п pd

Б(h) = £±£0 °0<*>^ ; (9)

2в ^

С(щ = в-в°—------------------. (ю)

в cosPd - iвo-sin pd

Подстановка выражения (8) в (7) и (3) позволяет найти электромагнитное поле в свободном пространстве:

Е (х,г) = — /-----в°(1г^ев Р0--е^°х+Лг)^(11)

2п -^ о л • Р0 ■ о ,7

cospd - iIjosm pd

При определении поля излучения антенн, защищаемых от внешних воздействий диэлектрическими покрытиями, необходимо учитывать возникающие поверхностные электромагнитные волны на таких покрытиях. Причем при достаточно большой электрической толщине диэлектрика поверхностные волны могут включать в себя до 50% подводимой мощности. Условия их возникновения определяются при вычислении полюсов подынтегральной функции выражения (11). Эти полюса соответствуют решению уравнения

сс^-Дзтр, = 0. (12)

Нахождение действительных корней этого уравнения производится графически и сводится к следующему. Так как k > h > k0, то Р0 — чисто мнимая величина и ее можно обозначить как Р0 = ig.

Условием действительности корней уравнения (12)считается

Л2

dVе-1 I = R2 = const, (13)

и его решение строится в координатах pd и gd. Уравнение (12) преобразуется к виду

gd =~pdctgpd. (14)

Из построенных графиков для выражений (13) и (14) (рис. 3) видно, что граничными точками возникновения общих корней этих уравнений являются

gd = 0, Pd = nn + —, n = 0, 1, 2, 3,... (15)

2

При постепенном увеличении R2 значение корней изменяется; так, например, при R1 > R > R0 значение корня равно P1d.

Распределение поля поверхностной волны характеризуется экспоненциальным уменьшением

■ Рис. 3. Графики для выражений (13) и (14)

(pd)2+(gd)2 =Г

его амплитуды при удалении от диэлектрического покрытия вдоль координаты х. Поверхностная волна распространяется вдоль диэлектрика (коор-

с

дината z) с коэффициентом замедления п = —, ло-

#

кализуясь у границы раздела покрытия со свободным пространством. Название «поверхностная волна» выражает то, что поле подобных волн сосредоточено вблизи поверхности. Распространение поверхностных волн связано с явлением полного внутреннего отражения при падении плоской волны из диэлектрика 1 на плоскую границу раздела с воздухом 2 (см. рис. 2). Эта волна йпов отражается от границы раздела диэлектрика со свободным пространством и проводящего экрана с диэлектриком. В соответствии с концепцией парциальных плоских волн они не проходят в воздух, а лишь индуцируют в нем поля, экспоненциально убывающие от поверхности из-за того, что угол падения на границу раздела больше угла полного внутреннего отражения. Поле локализуется у границы раздела при п >1 (медленные волны), при п <1 поле представляет собой плоскую волну, распространяющуюся под углом 0 (cos0 = п) к границе раздела. Возбужденная поверхностная волна существенно влияет на характеристики излучения антенн с диэлектрическими покрытиями. Она может отражаться от различных неоднородностей в структуре покрытия, от деталей крепления покрытий и попадать на раскрыв антенны. При конечных размерах покрытия поверхностная волна, переизлуча-ясь вследствие дифракции на кромках, изменяет диаграмму направленности антенны. Количество типов волн, возбуждаемых на покрытии, можно

определить из выражений d < пХ/2у]е- 1 для волн

типа Е и d < (2п + 1)Х/4>/е- 1 для волн типа Н, где п — индекс при типе волны.

Решение интеграла (11) методом перевала позволяет записать выражение для расчета диаграммы направленности антенны с покрытием в предположении, что распределение электромагнитного поля в раскрыве рупора постоянно, т. е. Ey(0, z) = = E0 = const:

Ey (r, 0)=

_.n sinf sin0

1 е^г-%1~4Ж Dcos0—L2-----------

^ M sin0

=_____________________________2

COs(k)dV E-sin2 0 ')-i-j=C°s^= sinfkridV E-sin2 0)

^ I VE-In0 v I

Квадрат модуля рассчитываемой напряженности электрического поля будет

cos2 0D2

Ey(r, e)|2

k0D . . Sinl ——Sin (

k0 D .

——Sin (

E-sin

-sin2 (fe0^Ve-sin2"(

. (17)

Рассчитанные нормированные диаграммы направленности излучающей антенны (А = 8 мм) с однородным диэлектрическим покрытием показаны на рис. 4.

Для антенны 4 постоянные распространения поверхностных волн йпов4 = 1,52^0, для антенн 1, 2, 3 соответственно йпов1 = 1,95^0, йпов2 = 1,75^0, йпов3 = 1,58^0. Очевидно, что с увеличением толщины диэлектрического слоя число поверхностных волн растет. Постоянные распространения определены из решения дисперсионного уравнения (14).

Из сравнения кривых 3 и 4 (см. рис. 4) следует, что наличие тонкой диэлектрической пластины перед излучающим раскрывом приводит к несущественному сужению диаграммы направленности. Кривые 1 и 2 показывают, что наличие достаточно толстого диэлектрического слоя перед излучающим раскрывом вызывает значительные осцилляции в диаграмме направленности. При дальнейшем увеличении электрической толщины диэлектрического слоя частота осцилляции будет увеличиваться с одновременным ростом глубины провала в диаграмме направленности излучающей апертуры. Полученные теоретические результаты подтверждаются экспериментально на установке.

Е( e)

e, град

Рис. 4. Диаграммы направленности излучающей антенны с однородным диэлектрическим покрытием: 1 — раскрыв В = 2 мм с покрытием е = 4 толщиной й= 10 мм; 2 — раскрыв В = 2 мм без покрытия; 3 — раскрыв В = 8 мм без покрытия; 4 — раскрыв В = 8 мм с покрытием е = 4 толщиной й = 10 мм

Произведенная оценка влияния однородного диэлектрического покрытия на излучение из апертуры в проводящем экране показывает, что за счет излучения в сложную среду происходит рассогласование антенны, уменьшение КПД, а также значительное изменение формы диаграммы направленности.

Материалы, применяемые для СВЧ-диэлектрических покрытий антенн

В зависимости от условий эксплуатации антенн применяются различные сверхвысокочастотные диэлектрические покрытия. Как известно, электрическими параметрами СВЧ-диэлектриков являются диэлектрическая проницаемость е и тангенс диэлектрических потерь tg8. Широкое распространение в настоящее время получили стеклопластики, которые по своим физико-механическим свойствам превосходят другие пластмассы, такие как метакрилат, полистирол, политен, и составляют первую группу покрытий [4]. Наполнителем этого материала является неорганическое вещество, а связующее имеет органическое происхождение. Стеклопластик имеет пористую структуру и характеризуется неоднородными свойствами. При работе его в условиях морской воды, дождей со временем происходит заполнение пор влагой, что ведет к изменениям е и tg8 материала. Влагостойкость стеклопластика определяется главным образом свойствами связующего. Стеклопластики обладают сравнительно хорошими е и tg8 в сантиметровом диапазоне длин волн. В качестве связующих в них используются фенолформальдегид-ная, эпоксиднокремнийорганическая и эпоксиднофенольная смолы, сополимеры дивинила со стиролом и т. д. Наполнителями здесь являются различные типы стеклотканей. Диэлектрическая проницаемость таких стеклопластиков лежит в пределах 3-8. С увеличением объемного содержания стекла проницаемость е покрытия растет, а tgS незначительно падает. Была установлена зависимость изменения водопоглощения стеклопластиков на основе эпоксиднокремнийорганической смолы и дивинила со стиролом от времени пребывания их в воде Т при различных значениях объемного содержания стекла Ус. С ростом Т водопогло-щение растет, пока не достигнет определенного уровня насыщения [4].

Использование стеклопластиков при высоких температурах ограничено из-за нестабильности их электрических характеристик: е и tgS изменяются в значительных пределах. С возрастанием температуры и относительной влажности атмосферы проникновение водяных паров и влаги внутрь диэлектрического покрытия растет. Основной способ борьбы с проникновением влаги — нанесение специальных покрытий (например, эпоксидно-аминной грунтовки и фторопластовой эмали) в несколько слоев. Толщина защитных покрытий при этом меняется от 0,14-0,15 мм (5 слоев) до 0,25-

0,26 мм (11 слоев). Количество слоев грунтовки и эмали определяется состоянием поверхности (пористость, раковины, недопропитка, механические повреждения и т. д.). Изменение е и tgS материала с влагозащитными покрытиями незначительно, а водопоглощение может снижаться в 20 раз.

При воздействии атмосферных осадков на диэлектрическом покрытии антенн могут конденсироваться различные гидрообразования с иными электрическими свойствами. В результате происходит искажение пространственно-поляризационной структуры проходящей электромагнитной волны, уменьшается соотношение сигнал/шум. Существуют гидрофобные кремнийорганические полимеры в виде жидкостей, смол, лаков, адгезия льда с которыми в 2 раза меньше, чем у обычных покрытий. Эффективность использования покрытий из таких полимеров зависит от состояния защищаемой поверхности и гидрометеорологических условий и снижается из-за высокой чувствительности их к солнечной радиации и слабого сцепления с покрываемой поверхностью. Срок их эксплуатации колеблется от 1 до 5 мес.

В качестве диэлектрических покрытий антенн стеклопластики используются на подводных, надводных судах и летательных аппаратах, при полете которых температура поверхности не превышает 500 °С. До температур 500-1000 °С применяют также керамопласты — смесь синтетической слюды со стеклянным или кристаллическим связующим.

Вторую группу покрытий составляют неорганические материалы. По структуре они могут быть аморфными (кварцевое стекло), кристаллическими (алюмооксидная керамика) и кристаллическими с аморфной фазой (ситалл). По химическому составу большинство применяемых материалов — неорганические окислы (оксиды), такие как двуокись кремния ЯЮ2 (кварцевое стекло, ситаллы, пирокерамы), окись алюминия А12О3 (сапфирит), окись бериллия (брокерит). Применяются также материалы на основе соединений азота (нитриды), серы (сульфиды) и т. д. Эти материалы, как правило, имеют температуру плавления более 1500 °С и успешно применяются для защиты антенн в основном на летательных аппаратах при гиперзву-ковых скоростях полета. Начальные значения диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь лежат в значительных пределах и зависят от свойств керамики. С увеличением процентного содержания пор в материалах их е падает. Материалы на основе плавленого кварца выдерживают длительное воздействие температуры до 2500 °С, имеют низкие значения е и tgS. Для уменьшения водопоглощения производят плазменную обработку их поверхностей [4].

Исходя из требований, предъявляемых к механической прочности, гидро- и аэродинамическим характеристикам аппаратов, используют как од-

■ Электрические параметры диэлектрика при Ь = 20 °С

Диэлектрик f = 100 Гц f =1 МГц f =10 ГГц

Е tgS Е tgS Е tgS

Бумага 3,70 0,0090 - - - -

Кварц 3,85 0,0010 3,82 0,0002 3,80 0,0002

Неопрен 6,90 0,0100 - - - -

Плексиглас 3,40 0,0600 2,70 0,0150 2,50 0,0050

Полихлорвинил 3,18 0,0130 2,88 0,0160 2,84 0,0055

Полистирол 2,55 0,0004 2,54 0,0002 2,54 0,0005

Полиэтилен 2,30 0,0002 2,30 0,0002 2,30 0,0004

Слюда 5,43 0,0050 5,40 0,0004 5,40 0,0003

Стеатит 6,30 0,0015 6,20 0,0004 5,40 0,0002

Стекло пирекс 5,60 0,0100 - - - -

Текстолит ВЧ 6,50 0,1350 4,75 0,0410 3,25 0,0460

Гетинакс ВЧ 5,23 0,0230 4,60 0,0340 3,55 0,0700

Шелк натуральный 4,50 - - 0,0150 - -

Полиамиды 3,60 0,0650 3,20 0,0380 2,85 0,0125

Полиэфиры 3,50 0,0030 3,40 0,0060 - -

Эоксиды 3,90 0,0013 3,70 0,0190 3,08 0,0230

Бакелит 5,00 0,1000 4,90 0,0300 4,70 0,0500

Стеклопластики на основе:

ВФТ-С, АСТГ6-С2 - - - - 4,25-4,50 0,0100-0,0200

ФН, АСТГ6-С2 - - - - 3,80-3,95 0,0160-0,200

ЭФЗ2-301, АСТГ6-С2 - - - - 4,50-4,70 0,0140-0,0170

ТФЭ-9, ТС8/3-25ОГ - - - - 4,00-5,00 -

«Диенола-с», АСТГ6-С2 - - - - 3,50-4,00 -

Нитрит бора 4,15 0,0010 4,15 0,0002 4,15 0,0003

Супрамика 550 - - - - 6,90 0,0025

Нитрид кремния - - 9,40 0,0010-0,0100 - -

нослойные, так и многослойные диэлектрические покрытия антенн. Например, для подводных судов, корпуса которых должны выдерживать большие давления, применяют многослойные покрытия. Для фазированных антенных решеток на надводных судах используют часто однослойные однородные покрытия. На гиперзвуковых летательных аппаратах теплозащитное покрытие представляет собой многослойную неоднородную систему. Нагревостойкие диэлектрические вставки являются, как правило, однослойными с начальным однородным распределением е и tgS по толщине [3].

В таблице представлены значения электрических параметров некоторых материалов, используемых в диэлектрических покрытиях [4]. Вели-

чины е и tgS необходимо учитывать при оценке влияния материала покрытия на характеристики излучения антенн.

Установка для экспериментальных исследований влияния различных диэлектрических покрытий на диаграммы направленности антенн

Экспериментальные исследования предполагают снятие диаграмм направленности антенн с различными типами покрытий при разных внешних воздействиях и сравнение их с диаграммой направленности без покрытия и между собой и выполняются на измерительной установке (рис. 5). Все измерения производятся в безэховой камере.

■ Рис. 5. Схема измерительной установки: 1 — источник питания; 2 — твердотельный генератор на диоде Ганна; 3 — излучающий Н-плоскостной рупор; 4 — приспособление для установки в раскрыве антенны диэлектрических материалов; 5 — имитаторы внешних воздействий (орбитальный холод, радиационный солнечный нагрев, плазмотрон и др.); 6 — приемный рупор с волноводной детекторной секцией на выходе; 7 — измерительный усилитель и комплект материалов разной толщины и диэлектрической проницаемости

Таким образом, исследования влияния диэлектрического покрытия на характеристики излучения апертурной антенны показали, что за счет излучения в сложную среду происходит рассогласование антенны, возбуждение поверхностных волн на диэлектри- ке и высших типов волн в апертуре, а также значительное изменение формы диаграммы направленности. Дополнительные потери в материале покрытия приводят к уменьшению КПД антенны и должны быть учтены в процессе проектирования антенн.

Литература / 3. Красюк В. Н., Михайлов В. Ф. Бортовые антенны ги-

1. Каплун В. А. Обтекатели СВЧ. М.: Сов. радио, 1974. 239 с. 2. Пригода В. А., Кокунько В. С. Обтекатели антенн летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1970. 288 с. перзвуковых летательных аппаратов. СПб.: ГААП, 1996. 246 с. 4. Красюк В. Н. Антенны СВЧ с диэлектрическими покрытиями. Л.: Судостроение, 1986. 164 с. 5. Кюн Р. Микроволновые антенны. Л.: Судостроение, 1976. 660 с.

/