Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного уровня развития теории и техники в области создания радиопоглощающих материалов и структур 16
1.1. Основные принципы создания радиопоглотителей 16
1.2. Анализ существующих решений и перспективных направлений в области создания сверхширокополосных радиопоглощающих материалов различной химической и физической природы, а также обзор серийно выпускаемых радиопоглощающих материалов мировых лидеров в данной области 19
1.3.Анализ технических решений и перспективных направлений проектирования конструкций радиопоглотителей, реализованных с использованием искусственных электромагнитных поверхностей 37
1.4.Выводы по первой главе 56
2. Разработка и исследование радиопоглощающих структур СВЧ диапазона на основе печатных слабонаправленных сверхшироко полосных антенных элементов со сосредоточенными нагрузками 58
2.1 .Метод анализа характеристик рассеяния периодических бесконечных структур 58
2.2. Математическое обоснование правомерности постановки вопроса об использовании «антенного эффекта» печатных антенных излучателей для разработки радиопоглотителей 65
2.3.Методика проектирования радиопоглощающих структур СВЧ диапазона на основе сверхширокополосных печатных слабонаправленных антенных излучателей 72
2.4.Синтез и анализ конструкций радиопоглотителей на основе печатных логарифмических спиралей, нагруженных на сосредоточенные диссипативные элементы 78
2.5.Синтез и анализ конструкций радиопоглотителей линейной и круговой поляризации на основе решетки нагруженных сверхширокополосных антенных излучателей Вивальди 91
2.6.Выводы по второй главе 106
3. Разработка и исследование радиопоглощающих конструкций, построенных с использованием частотно-избирательных решеток 108
3.1 .Метод анализа с помощью эквивалентных схем на сосредоточенных элементах и обобщенная методика проектирования радиопоглотителей на основе частотно-избирательных решеток 108
3.2. Анализ сверхширокополосного радиопоглотителя на основе печатных резонансных частотно-избирательных решеток с сосредоточенными потерями 117
3.3.Экспериментальное исследование радиопоглотителя на основе резонансных печатных частотно-избирательных решеток, нагруженных на сосредоточенные элементы 126
3.4. Синтез и анализ вариантов реализации планарных сверхширокопо лосных радиопоглотителей, построенных на основе квазифрактальных конструкций частотно-избирательных решеток с распределенными потерями 129
3.5. Разработка многослойных радиопоглощающих конструкций на основе низкопрофильных печатных частотно-избирательных решеток с сосредоточенными пассивными элементами 140
3.6.Исследование возможности реализации радиопоглощающей структуры на основе решетки искусственного электромагнитного кристалла, в узлах которой расположены сосредоточенные элементы 148
3.7.Выводы по третьей главе 153
Заключение 156
Список источников
- Анализ существующих решений и перспективных направлений в области создания сверхширокополосных радиопоглощающих материалов различной химической и физической природы, а также обзор серийно выпускаемых радиопоглощающих материалов мировых лидеров в данной области
- Математическое обоснование правомерности постановки вопроса об использовании «антенного эффекта» печатных антенных излучателей для разработки радиопоглотителей
- Анализ сверхширокополосного радиопоглотителя на основе печатных резонансных частотно-избирательных решеток с сосредоточенными потерями
- Разработка многослойных радиопоглощающих конструкций на основе низкопрофильных печатных частотно-избирательных решеток с сосредоточенными пассивными элементами
Анализ существующих решений и перспективных направлений в области создания сверхширокополосных радиопоглощающих материалов различной химической и физической природы, а также обзор серийно выпускаемых радиопоглощающих материалов мировых лидеров в данной области
Все известные ПЭВ можно классифицировать различными способами, по принципу действия; по используемым материалам; по типу конструкции; по ширине рабочего диапазона частотам электромагнитного излучения.
В настоящее время поглотители электромагнитных волн (ПЭВ) по принципу действия подразделяются на следующие виды [1]: интерференционные, использующие принцип взаимного гашения электромагнитных волн путем наложения в противофазе падающей и отраженной волны; - рассеивающие, в которых уменьшение отраженной энергии в одном направлении обязано ее рассеянию в других направлениях под различными углами; - поглощающие, использующие преобразование энергии электромагнитной волны в другие виды энергии, как правило в тепловую, за счет диэлектрических (є") и магнитных (ц") потерь материала; - комбинированные, сочетающие различные принципы действия в одном поглотителе.
При конструировании ПЭВ поглощающего типа [1] следует учитывать два основных условия: согласование с внешним пространством, т.е. достижение пренебрежимо малого отражения от внешней поверхности, полное поглощение энергии волны, прошедшей внутрь покрытия. Волновое сопротивление непроводящего материала определяется выражением Z = (х/є)ш. Выбором необходимого отношения магнитной и диэлектрической проницаемости можно сделать волновое сопротивление материала Z, равным сопротивлению свободного пространства. Если гистерезисные петли (х и є одинаковы, так что для любой пары напряженностей Е и Н отношение (х/є одно и то же, то слой такого поглощающего материала будет представлять для падающей волны пустое пространство.
При разработке однослойного широкополосного ПЭВ поглощающего типа обычно используются магнитодиэлектрики, для которых за счет подбора близких значений є и (х удается обеспечить небольшое различие между характеристическими сопротивлениями ПЭВ и свободного пространства, а за счет высоких значений мнимых частей диэлектрической и магнитной проницаемостей, представляющих собой большие потери - эффективное поглощение.
Одним из способов повышения эффективности поглощения электромагнитной волны (ЭМВ) является использование многослойных материалов, представляющих собой симметричные структуры, полученные чередованием слоев с одинаковыми электромагнитными характеристиками. В симметричных многослойных материалах подавление волны происходит за счет многократного переотражения электромагнитного излучения (ЭМИ) внутри экрана. Кроме того, в литературе рассмотрены неоднородные поглощающие ПЭВ, у которых є и (і плавно (градиентные материалы) изменяются от значений, близких к 1 на внешней поверхности, до значений, обеспечивающих требуемый уровень поглощения электромагнитной волны [1]. Такие поглотители могут обладать большой широкополосностью при малой величине коэффициента отражения и небольшой толщине ПЭВ. Преимуществом градиентных материалов по сравнению с многослойными является отсутствие отражения на границах между слоями. Разработка таких материалов вызывает трудности в связи с подбором материалов с соответствующими электрическими и механическими свойствами, а также с отсутствием надежной технологии производства для сборки неоднородных материалов.
У ПЭВ интерференционного типа ослабление вторичного поля достигается за счет взаимной компенсации волн, отраженных от внешней поверхности материала и защищаемой металлической поверхности. Покрытия имеют толщину, равную четверти длины волны или кратную нечетному числу четвертей волны, вследствие чего колебания, отраженные от поверхностей 1 и 2, находятся в противофазе. Однако интерференционные покрытия эффективны в узкой полосе частот. Для расширения частот такие покрытия делают многослойными. Толщину каждого слоя выбирают из условия сложения волн, отраженных от обеих границ. Концентрация поглощающего материала одновременно повышается от слоя к слою.
Поглощающую способность ПЭВ характеризуют величиной коэффициента отражения плоской монохроматической электромагнитной волны, падающей нормально на плоский бесконечный лист поглощающего материала [2].
Основными характеристиками ПЭВ являются: максимальное значение модуля коэффициента отражения в пределах рабочего диапазона частот, толщина (t) и вес (Р) поглотителя площадью м2. При решении ряда задач также важна зависимость коэффициента отражения от угла падения волны г(ф). Во многих областях применений одним из определяющих требований является широкополосность ПЭВ. Как правило, к широкополосным относятся поглотители, для которых ширина рабочего диапазона АХ = X max - X min составляет величину
Стандартной задачей при разработке радиопоглотителей является получение низкого значения коэффициента отражения в максимально возможном широком диапазоне длин волн при ограниченной толщине покрытия t. При этом существует фундаментальное ограничение, связывающее возможные значения р, А1 и t между собой. В [1] показано, что для любой многослойной магнитодиэлектрической радиопоглощающей структуры, нанесенной на металлическую подложку и обеспечивающей уровень коэффициента отражения не хуже р в пределах рабочего диапазона длин волн, выполняется неравенство:
Математическое обоснование правомерности постановки вопроса об использовании «антенного эффекта» печатных антенных излучателей для разработки радиопоглотителей
Учитывая вышеприведенное, разработана методика проектирования сверхширокополосных радиопоглотителей на основе «антенного эффекта» слабонаправленных антенных сверхширокополосных излучателей:
1. Первый шаг состоит в выборе типа сверхширокополосного печатного антенного излучателя из сверхширокополосных излучателей Вивальди или слабонаправленных излучателей на основе электродинамического подобия.
2. Второй шаг состоит в создании модели микрополосковой антенны, экранированной снизу металлической пластиной, с требуемым уровнем согласования с нагрузкой и широкой ДН в составе решетки: определение резонансной длины печатного излучателя для заданного частотного диапазона, нахождение оптимального значения нагрузки для широкополосного согласования, а также материальных параметров подложки для достижения необходимых характеристик.
3. Расчет КСВ и ДН разработанной антенны методом конечного интегрирования при возбуждении структуры электромагнитным сигналом с требуемой полосой частот анализа [63]. В случае неудовлетворительного КСВ и узкой диаграммы направленности проводится корректировка геометрии антенны, параметризация электродинамических характеристик антенны с целью нахождения их оптимальных значений для улучшения уровня КСВ и ширины ДН.
4. Разработка модели радиопоглотителя осуществляется на основе модели антенны, полученной на предыдущем шаге, с применением бесконечных периодических граничных условий. В модели радиопоглощающей структуры дискретный порт, возбуждающий антенну, заменяется резистором с оптимальным сопротивлением, равным входному сопротивлению антенны, полученному в режиме передачи.
5. Анализ частотной зависимости коэффициента отражения разработанной бесконечной периодической радиопоглощающей структуры осуществляется с помощью модели канала Флоке методом конечного интегрирования Вейланда в частотном диапазоне, в котором проведено исследование входных характеристик антенны в режиме передачи. Под каналом Флоке понимается часть пространства, ограниченного вертикальными стенками, на которых установлены периодические граничные условия. Для прямоугольного канала Флоке составляющие поля Е и Н при z 0 имеют следующий вид [64 - 66]:
Ряд (2.30) в теории периодических структур называется разложением поля по гармоникам Флоке, каждая из которых является членом ряда (2.30). Можно увидеть, что гармоника Флоке с нулевыми индексами n = m = 0, которую часто называют основной гармоникой, имеет структуру поля, совпадающую с полем падающей волны. Так как рассматривается полупространство при z 0, то эта гармоника описывает поле отраженной волны. Разложение аналогичное (2.30) можно записать для полупространства при z 0. В этом разложении основная гармоника будет соответствовать прошедшей (преломленной) волне [64 - 66].
Поскольку снизу структура ограничена металлической стенкой, то в ней отсутствуют волны, прошедшие сквозь структуру. Таким образом, критерием полного поглощения мощности в структуре является равенство нулю коэффициента отражения. На практике строго равенства нулю достигнуть невозможно, поэтому можно обеспечить выполнение следующего неравенства:
Применение условия периодичности позволяет свести анализ бесконечной структуры к анализу одного периода структуры (элементарной ячейки) [64-66]. Поле в ячейке Флоке представлено нормально падающими фундаментальными типами волн Флоке ТЕ(0,0) и ТМ(0,0), которые отличаются поляризацией. При этом гармоники высших порядков, необходимые для описания ближнего поля, не возбуждаются.
Уточнение границ исследуемого частотного диапазона. В случае неудовлетворительного уровня коэффициента отражения (R(6,f) -10nB) в исследуемом частотном диапазоне проводится электродинамический анализ характеристики отражения методом конечного интегрирования Вейланда в сверхширокой полосе частот, на основе которого определяется новый рабочий диапазон частот.
Параметрический анализ конструктивных и электродинамических характеристик радиопоглощающеи структуры для нахождения оптимальных значений параметров радиопоглощающеи структуры, при которых обеспечивается минимальный коэффициент отражения в частотном диапазоне, определенным на предыдущем этапе.
Анализ поведения частотной характеристики коэффициента отражения при изменении угла падения плоской волны. Структурная схема методики проектирования радиопоглотителей СВЧ диапазона представлена на рис. 2.11. Создание модели антенны с учетом требуемого уровня согласования и широкой ДН в сверхширокой полосе частот: выбор печатного излучателя, определение границ частотного диапазона, установка граничных условий
Анализ электродинамической структуры: расчет КСВ и ДН антенного элемента в составе решетки с помощью метода конечного интегрирования Вейланда Обеспечено ли приемлемое качество согласования с нагрузкой и широкая ДН антенного элемента в составе решетки в исследуемой полосе частот?
Корректировка геометрии печатного излучателя, параметризация электродинамических параметров антенны с целью нахождения оптимальных значений для улучшения КСВ и получения широкой ДН в сверхширокой полосе частот
Разработка модели радиопоглощающей структуры: в модели антенны, разработанной на предыдущем этапе, производится замена возбуждающего порта резистором с найденным оптимальным значением, устанавливаются периодические граничные условия, устанавливается рабочий диапазон частот, в котором был проведен анализ характеристик антенны в режиме передачи
Анализ частотной зависимости коэффициента отражения бесконечной периодической радиопоглощающей структуры: расчет коэффициента отражения с помощью модели канала Флоке в исследуемом частотном диапазоне при нормальном падении фундаментальных типов волн Флоке ТЕ(0,0) и ТМ(0,0)
Расчет частотной зависимости коэффициента отражения в сверхширокой полосе частот с использованием метода конечных элементов при представлении поля над элементами радиопоглощающей структуры с помощью модели канала Флоке, определение рабочего диапазона по вычисленным характеристикам
Параметрический анализ конструктивных и электродинамических характеристик радиопоглощающей структуры для нахождения оптимальных значений, при которых обеспечивается минимальный коэффициент отражения в сверхширокой полосе частот
Анализ поведения частотной зависимости коэффициента отражения при изменении угла падения плоской
Анализ сверхширокополосного радиопоглотителя на основе печатных резонансных частотно-избирательных решеток с сосредоточенными потерями
Анализируя графики, представленные на рисунках 2.44 - 2.46, видно, что радиопоглотитель на основе решетки антенн Вивальди с линейной формой щели обеспечивает коэффициент отражения -10 дБ в секторе углов падения 60- 60, в то время как радиопоглотители на основе антенн Вивальди с экспоненциальной и неэкспоненциальной формами щели обеспечивают уменьшение отражения на 10 дБ в секторе 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 в основном расположен в диапазоне углов -35 - 35, 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. 2.47.
Рис. 2.47. Элементарная ячейка Флоке радиопоглотителя круговой поляризации на основе решетки перекрещенных антенн Вивальди
Для получения минимального коэффициента отражения в сверхширокой полосе частот проведена оптимизация конструкции радиопоглотителя круговой поляризации с целью максимизации коэффициента перекрытия на основе решетки перекрещенных антенн Вивальди с помощью двухуровневой процедуры использующей генетический алгоритм и метода Фиакко и Мак-Кормика (метод барьерных функций) [77 - 80]. В результате оптимизации получена структура со следующими размерами: L = 29.7 мм, Dr = 4.32 мм, W = 16.2 мм, R = 108 Ом.
Частотные зависимости коэффициента отражения при изменении угла падения ТЕ- и ТМ-волн представлены на рис. 2.48, 2.49. Радиопоглощающая структура круговой поляризации на основе решетки перекрещенных антенн Вивальди, как видно из рис. 2.48, 2.49, обладает зависимостью от типа поляризации, обеспечивая коэффициент перекрытия 2.3 по уровню -10 дБ в секторе углов падения -40+ 40. ДГЕ1,ДБ
В настоящей главе показана возможность альтернативного подхода к проектированию радипоглотителей, заключающегося в использовании «антенного эффекта» сверхширокополосных антенных излучателей. Приведено физическое обоснование правомерности постановки вопроса об использования «антенного эффекта» для проектирования радиопоглотителей, основанное на использовании электродинамического принципа эквивалентности параметров антенны в режиме передачи и приема и характера рассеянного антенной поля. При этом уровень поглощения в такой радиопоглощающей структуре определяется уровнем согласования антенны в режиме передачи, а диапазон углов, в которых радиопоглощающая структура эффективна - шириной диаграммы направленности.
Разработана методика проектирования радиопоглотителей на основе решетки сверхширокополосных слабонаправленных печатных антенн СВЧ диапазона. С помощью методики разработаны и исследованы радиопоглощающие конструкции на основе антенных решеток, элементами которых являются слабонаправленные печатные излучатели - логарифмическая спираль и антенна Вивальди.
Проведены исследования поведения частотной зависимости коэффициента отражения для радиопоглощающих конструкций на основе двухзаходной и четырехзаходной логарифмических спиралей. Выяснено, что конструкции радиопоглотителей на основе решетки нагруженных двухзаходных логарифмических спиралей обладают более выгодными радиотехническими характеристиками в плане получения сверхширокой полосы поглощения и хорошего уровня поглощения, в то время как радиопоглощающие конструкции на основе решетки нагруженных четырехзаходных спиралей эквивалентных размеров независимы от типа поляризации. В результате параметрического анализа электродинамических параметров подложки радиопоглощающей структуры на основе решетки логарифмических спиралей было выяснено, что отклонение значений диэлектрической проницаемости и толщины подложки от исходных значений приводит к увеличению отражения в исследуемом частотном диапазоне, а добавление определенного количества диэлектрических потерь в подложку позволяет уменьшить коэффициент отражения по сравнению с характеристикой отражения конструкции с исходными параметрами. Варьирование номинала резистора, включенного между ветвями спирали не влияет на характеристику отражения, а добавление определенного количества резистивных нагрузок в разрывы на витках спирали через каждые 90 позволяет уменьшить уровень отражения на 15 дБ в структурах на основе решетки двухзаходных логарифмических спиралей.
Разработана радиопоглощающая конструкция линейной поляризации на основе решетки нагруженных антенн Вивальди с экспоненциальным профилем, которая обеспечивает коэффициент перекрытия 2.19 по уровню коэффициента отражения -10 дБ. Проведены численные исследования электродинамических и материальных параметров, а также конструктивных в плане изменения профиля щели Вивальди на поведение частотной зависимости коэффициента отражения, в ходе которых выяснено, что основополагающими факторами, определяющими поведение частотной характеристики отражения и сектор углов поглощения, являются форма раскрыва антенны Вивальди и выбор номинала сопротивления. Варьирование материальных параметров подложки радиопоглощающих структур на основе решетки антенн Вивальди, отличие от спиральных радиопоглощающих структур, приводит лишь к сдвигу характеристики отражения по оси частот в зависимости от значения диэлектрической и магнитной проницаемостей подложки.
Исследована возможность разработки радиопоглотителя круговой поляризации на основе решетки антенн Вивальди с экспоненциальным профилем, перпендикулярно расположенных друг к друг, путем оптимизации длины щели и номинала сосредоточенной нагрузки с целью максимизации коэффициента перекрытия по частоте при коэффициенте отражения -10 дБ.
Разработка многослойных радиопоглощающих конструкций на основе низкопрофильных печатных частотно-избирательных решеток с сосредоточенными пассивными элементами
Для радиопоглотителей одним из условий поглощения является согласование входного импеданса квазифрактального радиопоглотителя с импедансом воздуха (377 Ом), т.е. мнимая часть входного импеданса в зависимости от длины волны должна компенсировать существующее нерезонансное индуктивное или емкостное сопротивление поглотителя. Из представленных на рис. 3.296 номограмм Вольперта-Смита видно, что с увеличением итерации емкостное и индуктивное сопротивления уменьшаются, что приводит к постепенному согласованию входного импеданса радиопоглотителя в исследуемом частотном диапазоне, при этом в высокочастотной части исследуемого частотного диапазона входной импеданс носит индуктивный характер.
Проведенные исследования показывают, что с помощью квазифрактального построения ЧИР без применения толстых подложек, можно обеспечить распределенное поглощение мощности в сверхширокой полосе частот за счет элементов ЧИР разного масштаба, так как волны различной длины будут поглощаться элементами ЧИР соизмеримого с ними масштаба и мало отражаться от элементов существенно меньшего размера.
Рассмотренные выше радиопоглощающие конструкции позволяют получить неплохой коэффициент отражения в сантиметровом и в начале миллиметрового диапазона длин волн. Предположено, что для поглощения в дециметровом диапазоне волн необходимо создать гальваническую связь между элементами ЧИР разного масштаба для того, чтобы была непрерывность токов проводимости на площади, существенно меньшей Я\. Тогда ток сможет протекать путь, значительно больший Я0, что позволит увеличить поглощение в дециметровом диапазоне длин волн. Учитывая вышеприведенное, на рис. 3.30 изображены предлагаемые варианты квазифрактальных радиопоглощающих конструкций с гальванической связью между элементами ЧИР для конструкции, представленной на рис. 3.28в.
Квазифрактальные радиопоглощающие конструкции с гальванической связью между элементами ЧИР разного масштаба: а) ячейка с гальванической связью между элементами крупного масштаба, б) общий вид массива (ячейка а), в) ячейка с гальванической связью между элементами крупного и среднего масштаба, г) общий вид массива (ячейка в), д) ячейка с гальванической связью между всеми элементами ЧИР, е) общий вид массива (ячейка д), ж) ячейка с гальванической связью между элементами ЧИР малого масштаба с крупными и средними элементами при несоприкасающихся между собой элементах крупного и среднего масштаба, з) общий вид массива (ячейка ж), и) ячейка с гальванической связью между элементами малого масштаба с крупными и средними элементами при соприкасающихся элементах крупного масштаба, й) общий вид массива (ячейка и)
Частотные зависимости коэффициента отражения квазифрактальных радиопоглощающих конструкций с гальванической связью между элементами ЧИР разного масштаба: а) соприкасающиеся элементы крупного масштаба - линия 1, соприкасающиеся элементы крупного и среднего масштаба - линия 2, все элементы соприкасающиеся - линия 3, соприкасающиеся элементы малого масштаба с крупными и средними элементами при соприкасающихся элементах крупного масштаба - линия 4, соприкасающиеся элементы малого масштаба с крупными и средними элементами - линия 5; б) входной импеданс для конструкций а, в, д; в) входной импеданс для конструкций ж, и
В случае применения гальванической связи между элементами крупного и среднего масштаба или элементами малого масштаба с элементами крупного и среднего масштаба ЧИР происходит расширение полосы поглощения в дециметровую область длин волн, а также значительное уменьшение уровня отражения, как показано на рис. 3.31а. При этом в высокочастотной области расширение полосы поглощения не происходит, положение граничной частоты не изменяется.
Их всех представленных на рис. 3.30 вариантов конструкция З.ЗОж является оптимальной в плане обеспечения среднего уровня уменьшения отражения на 20 дБ в дециметровом и сантиметровом диапазонах длин волн.
Анализируя графики, представленные на рис. 3.296, 3.316, видно, что использование гальванической связи между элементами ЧИР различного масштаба приводит к хорошему согласованию входного импеданса поглотителя в средней и низкочастотной области исследуемого диапазона, в то время как в высокочастотной области входной импеданс по-прежнему носит выраженный индуктивный характер.
Немаловажным свойством радиопоглотителя является эффективность поглощения в широком секторе углов падения электромагнитной волны. Частотные зависимости коэффициента отражения квазифрактальной радиопоглощающей конструкции З.ЗОж от угла падения ТЕ- и ТМ-волн представлены на рис. 3.32, где видно, что радиопоглотитель на основе резистивных ЧИР с гальванической связью между элементами разного масштаба обеспечивает коэффициент отражения -10 дБ с коэффициентом перекрытия в дециметровом и сантиметровом диапазонах длин волн и секторе углов -60 - 60.
Проведены исследования влияния толщины, диэлектрической, магнитной проницаемостеи и электрической проводимости материала подложки на поведение частотной характеристики коэффициента отражения для выбранной оптимальной квазифрактальной радиопоглощающей конструкции (рис. З.ЗОж), результаты которых отражены на рис. 3.33-3.36.
