Введение к работе
Актуальность темы. При разработке современных антенных систем существенное внимание уделяется вопросам их защиты от воздействия внешних факторов (атмосферных, механических, и т.п.). С этой целью используются многослойные диэлектрические укрытия различной конфигурации. Характер воздействия подобных укрытий на электродинамические характеристики антенн оказывается чаще всего труднопредсказуемым и требует или проведения дорогостоящих экспериментальных исследований, или создания адекватных математических моделей укрытия, позволяющих на стадии проектирования смоделировать и минимизировать все нежелательные эффекты, связанные с влиянием антенного укрытия (АУ) на характеристики антенной системы. При построении таких моделей, как правило, применяются приближенные методы расчета. К сожалению, использование таких методов не всегда дает удовлетворительные результаты, особенно, для укрытий средних и малых электрических размеров. В этом случае необходимы строгие методы, позволяющие также установить границы применимости приближенных методов. Однако, в большинстве работ, посвященных разработке строгих моделей, рассматривается конкретный тип укрытия при простейшем излучателе с фиксированным геометрическим положением. В связи с этим выводы носят частный характер и, чаще всего, не могут быть обобщены на другую геометрию укрытия и измененное положение излучателя. Среди радиотехнических требований, предъявляемых к укрытиям, особое место занимает обеспечение минимального влияния антенного укрытия на диаграмму направленности (ДН) антенн при сканировании (требование радиопрозрэчности АУ), что достигается использованием специальных конструкционных материалов, обладающих малыми значениями диэлектрической проницаемости є и тангенса угла потерь (tg В), и синтезом многослойных АУ при соответствующем подборе диэлектрических проницаемостей и толщин слоев укрытия. Основное внимание уделяется плоско-слоистым укрытиям, но рассматривается только случай, когда излучающий раскрыв параллелен укрытию, что не позволяет исследовать влияние укрытия на антенны, осуществляющие механическое сканирование. Для криволинейных укрытий практически отсутствуют работы, исследующие влияние формы и кривизны укрытия на его радиопроэрачность.
В настоящей работе с единых методических позиций разработаны строгие математические модели для учета влияния плоского, цилиндрического и сферического укрытия на ДН антенн, позволяющие проследить эффекты, связанные с кривизной укрытия, размерами антенн, различной ориентацией излучателя и положением апертуры по отношению к укрытию, а также амплитудно-фазовым распределением на антенне. Сказанное свидетельствует об актуальности исследования, поскольку оно дает в руки разработчиков универсальный инструмент для анализа и практической разработки антенных укрытий, удовлетворяющих современным требованиям.
Цель работа. Создание единой методики, позволяющей разработать математические модели многослойных диэлектрических укрытий различной формы (плоской, сферической и цилиндрической) (Рис.1а-в), и проанализировать влияние укрытия на характеристики излучения антенн реальной конфигурации с учетом взаимного расположения апертуры антенны и укрытия.
Метод исследования. Предлагаемый строгий подход, объединяющий известные классические методы, единый для 3-х геометрий укрытия и в то же время учитывающий их особенности, состоит в следующем:
Производится точная скаляризация, учитывающая геометрию задачи.
Используется представление по полному набору собственных функций по координатам, совпадающим с поверхностью укрытия.
Используется истокообразное представление (представление Коши ) при расчете полей источников по координате, перпендикулярной к поверхности укрытия.
- Формулируются граничные условия для введенных скалярных величин
(скалярно в плоском и сферическом случае и матрично для
цилиндрического случая ).
- Используется теория цепей (четырехполюсники в плоской и
сферической задаче и восьмиполюсники для цилиндрической задачи) для
сведения сложной граничной задачи к одному граничному условию на
границе раздела.
Особенностью использованного ниже подхода к анализу влияния укрытия является представление результатов расчета ДН по обеим поляризациям в виде произведения поля, вычисленного без учета укрытия (в свободном пространстве) на функцию, учитывающую влияние диэлектрического укрытия (коэффициент влияния), в плоском случае, или в виде ряда произведений парциальных ДН при отсутствии укрытия
Рисі
-fi-
и парциальных коэффициентов влияния в цилиндрическом и сферическом случае. Рассмотренный нами коэффициент влияния является более полной характеристикой укрытия по сравнению с широко исследованным коэффициентом прохождения, поскольку учитывает все перьотражения от границ укрытия и резонансные эффекты, а не только прохождение через укрытие волн, падающих от источника. Введение коэффициента влияния и явилось основой предлагаемой методики, позволяющей с единых позиций учитывать влияние диэлектрических . укрытий различной конфигурации на ДН антенн.
Обоснованность научных положений и достоверность результатов. Для разработки математических моделей использованы апробированные методы решения электродинамических задач. Проведена верификация полученных формул путем рассмотрения предельных случаев и сравнение математичнских моделей между собой. О правильности работы вычислительных программ свидетельствует сравнение с результатами других исследователей и имеющимися публикациями.
Научная новизна работы заключается в следующем :
1. Разработана единая методика, позволяющая в строгой
электродинамической постановке учитывать влияние многослойных
диэлектрических укрытий различной конфигурации на характеристики
излучения антенн.
2. Для цилиндрической задачи разработана матричная формулировка
граничных условий и пересчета полей между границами цилиндрических
слоев до дальней зоны. Для сферической задачи получены формулы для
расчета полей с использованием одномерного суммирования по
собственным функциям.
3. Разработана математическая модель для расчета системы
элементарных излучателей с различной ориентацией и различным
расположением по отношению к укрытию и заданным амплитудно-фазовым
распределением.
4. На основе анализа численных результатов исследовано влияние
параметров диэлектрического укрытия и его формы на ДН одиночных
элементарных излучателей в зависимости от их расположения и
ориентации по отношению к укрытию и на ДН линейных и плоских
антенных решеток с различной геометрией.
5. Сформулированы обобщенные оценки искажений ДН, вносимые
укрытиями различной формы.
в. Исследованы возможности повышения радиопрозрачности укрытий 3-х
конфигураций в диапазоне углов наблюдения путем подбора слоев с разной толщиной и диэлектрической проницаемостью.
Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что разработана универсальная методика и 3 математические модели, ее реализующие, для расчета амплитудной и фазовой ДН антенн по двум поляризациям с учетом многослойных диэлектрических укрытий различной конфигурации (плоской, сферической и цилиндрической), а также создан пакет прикладних программ расчета ДН линейных и плоских антенных решеток из элементарных излучателей с учетом влияния укрытия.
Внедрение. Результаты диссертационной работы в виде методики и пакета прикладных программ были внедрены в НИИ Радиоприборостроения (г.Москва). Результаты использования отражены в акте о внедрении диссертационной работы (Приложение 2).
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной научно-технической конференции "Перспективы развития антенно-фидерной техники и ее элементной базы /с демонстрацией программ САПР/", г.Суздаль 1992г.; на научно-техническом семинаре "Распространение и дифракция электромагнитных волн в неоднородных средах.", г.Смоленск 1992г.; на IV Международной научно-технической конференции "Распространение и дифракция электромагнитных волн в неоднородных средах", г.Вологда 1994г.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 4 печатных работы и выпущено 3 научно-технических отчета, 2 статьи находятся в печати.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения, списка литературы и двух приложений. Работа содержит 156 страниц текста, из них 41 страница рисунков и 9 страниц приложений. Библиография включает в себя 60 наименований на 7 страницах.
