Исследование влияния конструктивных и материальных параметров радиопоглотителя на основе решетки нагруженных антенн Вивальди на коэффициент отражения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.396.67

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ И МАТЕРИАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ РАДИОПОГЛОТИТЕЛЯ НА ОСНОВЕ РЕШЕТКИ НАГРУЖЕННЫХ АНТЕНН ВИВАЛЬДИ

НА КОЭФФИЦИЕНТ ОТРАЖЕНИЯ

Ю.Е. Калинин,А.Ф. Латыпова, Ю.Г. Пастернак

Разработаны и исследованы возможные варианты конструкций радиопоглотителя на основе решетки антенн Вивальди с различными формами щелей.Исследовано влияние формы щели, номинала резистора и материальных параметров подложки на частотную зависимость коэффициента отражения. Показана возможность разработки радиопоглотителя круговой поляризации на основе антенн Вивальди, расположенных перпендикулярно друг другу. В результате проведенного исследования сделан вывод о перспективности использования решеток из антенн Вивальди в качестве радиопоглощающих структур

Ключевые слова: антенна Вивальди, радиопоглотитель,коэффициент отражения,ячейка Флоке, коэффициент перекрытия

В настоящее время за рубежом активно ведутся работы, направленные на разработку вооружения и военной техники, имеющих малую заметность в радиолокационных диапазонах длин волн. Основные достижения в области снижения радиолокационной заметностисвязаны прежде всего с использованием радиопоглощающих материалов (РПМ) и структур.

Самый простойтип поглотителей -экран Солсбери, представляющий собойоднородный резистивный лист, располагающийся на экранированной диэлектрической подложке с низкой диэлектрической постоянной толщиной четверть длины волны [1]. Данный тип поглотителя имеет узкую полосу и относительно большую толщину. В Яуманна-поглотителях однородные резистивные листы располагаются друг над другом на расстоянии четверти длины волны (измеренной в центре исследуемого частотного диапазона), вследствие чего происходит расширение полосы поглощения по сравнению с экраном Солсбери. Перечисленные выше структуры могут быть синтезированы с помощью генетического алгоритма для получения широкой полосы поглощения. Главным недостатком данных структур является огромная толщина, которая является громоздкой и не подходящей для некоторых приложений.

Огромное количество зарубежных работ посвящено разработке поглотителей на основе частотно-избирательных поверхностей, с помощью которых возможна реализация тонких покрытий в сверхширокой полосе частот[2-4].Столь широкий спектр подходов к созданию РПМ связан, прежде всего, с принципиальным ограничением, связывающим толщину материала, необходимую

Калинин Юрий Егорович - ВГТУ,д-р физ.-мат. наук, профессор, тел. (4732)46-66-47

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

Пастернак Юрий Геннадьевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473)243-77-29

для достижения заданных радиотехнических и эксплуатационных характеристик, с эффективной длиной волны и дисперсией диэлектрической и магнитной проницаемостей, что требует поиска компромиссных решений.

В работе [5] предложен другой подход к разработке поглотителей, а именно: использование в качестве радиопоглотителей антенн, согласованных с нагрузкой. На примере решетки нагруженных антенн Вивальди с экспоненциальной формой щелипоказана возможность применения еев качестве радиопоглотителя, обеспечивающего коэффициент перекрытия по частоте 2,24 по уровню-10 дБ.

Продолжая предложенную идею,в данной работе исследуемвлияние конструктивных параметров, таких как формащели, номинал сопротивления, отличающегося от

оптимального,для радиопоглощающей структурына основе решеткинагруженных антенн Вивальдис различной формой щелевого раскрыва.

Антенна Вивальди, как известно,представляет собой сверхширокополосный печатный излучатель, построенный на основе расширяющейся щелевой линии [6,7]. На практике известны несколько вариантов форм щели. В нашем случае исследовались радиопоглотители на основе решетки из антенн Вивальди с экспоненциальной формой щели(рис. 1 а), со щелью линейной формы и со щелью (рис. 1 б), ширина которой изменяется по закону

Ах) = Штш ■ ехр| 1:

Ш

Ш

— — а зщ 2ж—

д

(1)

где Wmln =0,27 мм^тах=13 мм, Ь=20 мм, а=0,13.

Т1

Рис. 1.Исследуемые варианты антенны Вивальди: а) со щелью экспоненциальной формы; б) со щелью линейной формы в) со щелью неэкспоненциальной формы

Поглотитель представляет собой решетку из антенн Вивальди, нагруженных на резисторы с оптимальным по согласованию сопротивлением, полученным в ходе исследования антенны в режиме передачи. Данная решетка расположена на металлическом экране для устранения обратного излучения. Размеры антенны следующие: Ь=25,38 мм, Бг=4,32 мм, W=27 мм. Антенны с экспоненциальной и неэкспоненциальнойформами щелинагружены на оптимальное по согласованию сопротивление 88 Ом, в случае антенн линейной формы щелиноминал сопротивления составлял 148Ом.Элементарная ячейка поглотителя на основе антенны Вивальди с экспоненциальной щелью представлена на рис. 2.

Рис. 2. Элементарная ячейка Флоке радиопоглотителя на основе антенны Вивальди с экспоненциальной формой щели

Расчет коэффициента отражения

радиопоглотителя на основе структуры в виде антенны Вивальди проводился с помощью электродинамического моделирования структуры в виде бесконечной равноамплитудной

периодической решетки с использованием метода конечных элементов. Поле над элементами описано с помощью модели канала Флоке [81. Канал Флоке

представляет собойчасть

пространства,ограниченную вертикальными

стенками, на которых установлены периодические условия. В бесконечной периодической структуре поле в свободном пространстве имеет вид гармоник Флоке, каждая из которых является плоской волной, распространяющейся в пространстве под определенным углом. Анализ бесконечной структуры при этом сводится к анализу одного периода структуры (элементарной ячейки) [8]. Поле в ячейке Флоке было представлено фундаментальным типом волны Флоке ТЕ(0,0), что соответствует падающей плоской волне линейной поляризации, совпадающей с поляризацией антенны Вивальди.

В работе [5] входе моделирования исследовалась структура, не порождающая дифракционных максимумов в своей ДН. Выяснено, что допустимое расстояние ё между ее элементами для отсутствия дополнительных дифракционных максимумов, искажающих ДНрешетки,должно равняться 15 мм. Исследовано влияние отклонения номинала сопротивления от оптимального для каждой из исследуемых форм щели на коэффициент отражения. Частотные зависимости коэффициента отражения для каждой формы щели представлены на рис.3-5.

Рис.3.Частотная зависимость коэффициента отражения при изменении номинала резистора для экспоненциальной формы щели: кривая 1 - Я=68 Ом, кривая 2 - Я=88 Ом, кривая 3 - Я=108 Ом, кривая 4-Я=148 Ом

Рис.4.Частотная зависимостькоэффициента отражения

при изменении номинала резистора для линейной формыщели: кривая 1 -Я=108 Ом, кривая 2 - Я=148 Ом, кривая 3 - Я=188 Ом, кривая 4- Я=208 Ом

£ГГц

Рис.5. Частотная зависимость коэффициента отражения

при изменении номинала резистора для неэкспоненциальнойформы щели: кривая 1 - Я=88 Ом, кривая 2 - Я=108 Ом, кривая 3 - Я=138 Ом

Одним из критериев радиопоглотителя является широкая полоса поглощения. Для оценки широкополосностирадиопоглощающей структуры вводитсякоэффициент перекрытия по частоте, под которым понимается отношение верхней 1тах и нижней 1л1Шчастот полосы. Значения коэффициента перекрытия по уровню -10 дБ для каждой формы щели с оптимальным сопротивлением представлены в таблице.

Коэффициент перекрытиярадиопоглотителей на основе антенн Вивальди с различными формами _раскрывов_

Форма раскрыва Коэффициент перекрытия, К

Экспоненциальная 2.24

Неэкспоненциальная 2.24

Линейная 1,83

Как видно из таблицынаибольшим коэффициентом перекрытия обладает структура с экспоненциальной и неэкспоненциальной формами щели.При этом диапазон отклонений номинала сопротивления от оптимального для экспоненциальной формы составляет -20% ^ 40%. В случае линейной формы щели отклонение номинала сопротивления приводит к увеличению коэффициента отражения и уменьшению коэффициента перекрытия, для

неэкспоненциальнойформы щели допустимое отклонение номинала сопротивления составляет в сторону увеличения 20%.

Ссохранением оптимальных значений номиналов резисторов для экспоненциальной формы раскрыва антенны Вивальди проведены исследования зависимости коэффициента отражения от материальных параметров подложки на рис. 6-9.

Рис.6. Частотная зависимость коэффициента отражения при изменении диэлектрическойпроницаемости ег: кривая 1 - 8Г =2, кривая 2 - 8Г =4, кривая 3 - ег =6

Рис.7. Частотная зависимость коэффициента отражения при изменении магнитной проницаемости цг: кривая 1 - цг =1, кривая 2 - цг =2, кривая 3 - цг = 4

|5ц1,ДБ

у'

Г, ГГц

Рис.8. Частотная зависимость коэффициента отражения при изменении толщины подложки 1: кривая 1 - 1 =0.6 мм, кривая 2 - 1 =0.8 мм, кривая 3 - 1 = 1 мм

ЫДБ

Д

V

\ \_ ..............1 и—-"

\ „.-••..............^х., /

Рис.9. Частотная зависимость коэффициента отражения при добавлении диэлектрических потерь подложки аг: аг =0,001 См/м (сплошная линия), аг =0,1 См/м (пунктирная линия)

Из рис.6,7 видно, что магнитная и диэлектрическая проницаемости, а также толщина подложки влияют на сдвиг резонансной частоты коэффициента отражения, а увеличение диэлектрических потерь в подложке приводит к уменьшению уровня коэффициента отражения в рассматриваемом частотном диапазоне.

Для каждой из исследуемых формщели антенны Вивальдипроведены исследования зависимости коэффициента отражения от угла падения волны на рис. 10-12.

Ы.ДБ

5 6 7 8 9 10 11 11.5

£ ГГи

Рис.10.Частотная зависимость коэффициента отражения

при изменении угла падения 0 при линейной форме раскрыва: кривая 1 -1Ье1а=0°, кривая 2 - Ше1а=20°, кривая 3- Ше1а=40°, кривая 4 - Ше1а=60°, кривая 5- Ше1а=80°

1ЫДБ

-35 ^--!--!-!-!-

5 б 7 8 9 10 11 11.5

£ ГГц

Рис. 11 .Частотная зависимость коэффициента отражения при изменении угла падения 0 при неэкспоненциальной форме щели: кривая 1 -Ше1а=0°, кривая 2 - Ше1а=20°, кривая 3- Ше1а=40°, кривая 4 - Ше1а=60°, кривая 5-Ле1а=80°

|5ц|.ДБ

5 ; /\ •■•"' г-

—

1

.........1

1 О-- 2

5 6 7 8 9 II) 11 11.5

£ ГГи

Рис.12. Частотная зависимость коэффициента отражения при изменении угла падения 0 при экспоненциальной форме щели: кривая 1 -Ше1а=0°, кривая 2 - Ше1а=20°, кривая 3- Ше1а=40°, кривая 4 - Ше1а=60°, кривая 5-Ле1а=80°

Из анализа графиков, представленных на рис.10-12, видно, что в случае радиопоглотителя на основе решетки антенн Вивальдилинейной формы щели угловая стабильность по уровню -10 дБ сохраняется в пределах -60°^60°, в то время как у радиопоглотителя на основе антенн Вивальди с экспоненциальной и неэкспоненциальной формами щелиугловая стабильность по уровню -10 дБ сохраняется в диапазоне углов -40°^40°.

Такое поведение коэффициента отражения связано как с тем, что в режиме передачи у антенны

Вивальди в исследуемом диапазоне частот главный лепесток диаграммы направленности расположен в среднем в диапазоне углов -35° ^ 35° и больше, в пределах которого сохраняется антенный эффект радиопоглотителя, так и с оптимальным расположением элементов в решетке радиопоглощающей структуры.

Рассмотренные типы радиопоглотителей на основе решетки антенн Вивальди обладают линейной поляризацией. Для получения круговой поляризации необходимо расположить излучатели перпендикулярно друг другу. Ячейка Флоке радиопоглотителя на основе решетки антенн Вивальди круговой поляризации представлена на рис. 13.

Рис. 13. Элементарная ячейка Флоке радиопоглотителя на основе антенны Вивальди круговой поляризации

Для получения минимального коэффициента отраженияв сверхширокой полосе частот проведена оптимизация конструкции радиопоглотителя круговой поляризации на основе решетки из перекрещенных антенн Вивальдис помощью двухуровневой процедуры, использующей генетический алгоритм и методыФиакко и Мак-Кормика (метод барьерных функций). В результате оптимизации получена структура соследующими характеристиками:на рис. 14 - зависимость коэффициента отражения от частоты, на рис. 15-частотная зависимость при изменении угла падения.

М.ДБ

£ ГГи

Рис.14. Частотная зависимость коэффициента отражения радиопоглотителя круговой поляризации

ISiiUB

\ ' ■иД i

\?f .....

Wf I/I

\ 4

; \

.1 4

f, ГГц

Рис.15. Частотная зависимость коэффициента отражения радиопоглотителя круговой поляризации при изменении угла падения 0: кривая 1 -1ЬеШ=0°, кривая 2 - 1ЬеШ=20°, кривая 3- 1ЬеШ=40°, кривая 4 - 1ЬеШ=60°, кривая 5-Ше1а=80°

Радиопоглощающая структура на основе решетки антенн Вивальди круговой поляризации, как видно из рис.14,15, обладает коэффициентом перекрытия 2,3 по уровню коэффициента отражения -10 дБ и хорошей угловой стабильностью, сохраняющейся до 60°.

Таким образом, в ходечисленного моделирования антенной решетки из сверхширокополосных излучателей Вивальди с различными формами щели, обеспечивающей ослабление отраженной электромагнитной волны на -10 дБ в сверхширокой полосе частот 5-11 ГГц, выяснено, что основополагающимифакторами в создании сверхширокополосного радиопоглотителя на основе антенн Вивальдиявляются выбор формы щели и оптимальное значение номинала резистора[7].

Исследована возможность получения радиопоглотителя круговой поляризации на основе решетки антенн Вивальди, расположенных перпендикулярно друг другу, путем оптимизации конструкции с целью максимизации коэффициента

перекрытия по уровню коэффициента отражения -10 дБ.

Исходя из приведенных исследований можно сделать вывод о перспективности и простоте изготовления сверхширокополосных

радиопоглощающих структур на основе решетки антенн бегущей волны, в частности, антенн Вивальди с любыми модификациями профилей.

Литература

1. US Patent 2 599 944Absorbent body of electromagnetic / Salisbury W. W. - Jun. 10, 1952.

2. Costa, F. Analysis and Design of Ultra Thin Electromagnetic Absorbers Comprising Resistively Loaded High Impedance Surfaces[Text] / F. Costa, A.Monorchio, G.Manara// IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - 2010. - № 5.- Р.1551-1557

3.An Ultrathin and Broadband Radar Absorber Using Resistive FSS[Text] / Mei Li, ShaoQiu Xiao, Yan-Ying Bai and Bing-Zhong Wang // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. - 2012.- №11. - Р. 748-751.

4. Broadband metamaterial absorber based on coupling resistive frequency selective surface[Text] / LiangKui Sun, HaiFeng Cheng, YongJiang Zhou and Jun Wang// Optics Express. - 2012. - №4. - Р. 4675-4680

5. Латыпова, А.Ф. Исследование возможности применения антенн Вивальди, нагруженных сосредоточенными элементами, в качестве радиопоглощающей структуры[Текст]/ А.Ф. Латыпова// Теория и техника радиосвязи. -2014. - №3. -C. 84-90.

6. Gazit, E. ImprovedDesignoftheVivaldiAntenna[Text] / E. Gazit// IEEEProceedings. -1999. - Vol.135, №2. -P.89-92.

7. Schaubert,D.H. Vivaldi Antenna Arrays for Wide Bandwidth and Electronic Scanning[Text] / D.H. Schaubert,S. Kasturi, A.O. Boryssenko, W.M. Elsallal// Antennas and Propagation EuCAP. 2007: TheSecondEuropeanConference. -2007. - P. 1-6.

8. Амитей, Н. Теорияианализфазированныхантенныхрешёток [Текст]/ Н. Амитей, В. Галиндо, Ч. Ву.- М.: Изд-во «Мир», 1974. -455 с.

BopOHe^CKHHrocygapCTBeHHbiHTexHMecKHnyHHBepCHTeT

RESEARCH OF IINFLUENCE OF DESIGN AND MATERIAL PARAMETERS RADAR ABSORBER BASED ON ARRAY LOADED VIVALDI ANTENNAS ON THE REFLECTION

COEFFICIENT

Yu.E. Kalinin, A.F. Latypova,Yu.G. Pasternak

Possible variants of designs of the radar absorberbased on the array of Vivaldi antennas with different forms of apertures are developed and researched. The effect of form of aperture, resistor value and material parameters substrate on the frequency dependence of reflectivity is studied. Possibility of design of radar absorber circular polarization based on the antennas Vivaldi perpendicular to one another. A conclusion that perspectives of the arrays of antennas Vivaldi as radar absorbers

Key words: antenna Vivaldi, radar absorber, reflectivity, unit cell Floquet, overlap ratio