Введение к работе
Начиная с конца 1970-х годов ведутся достаточно интенсивные исследовательские работы, направленные на снижение заметности объектов вооружения и военной техники (ОВ и ВТ). Снижение заметности осуществляется в радио, инфракрасном, видимом и акустическом диапазонах частот. Наиболее важной считается задача снижения заметности в радиодиапазоне, поскольку радиолокационные средства (РЛС) обеспечивают сейчас наибольшую дальность обнаружения.
Актуальность работ по снижению радиолокационной заметности (РЛЗ) ОВ и ВТ наиболее ярко проявляется в области исследований, связанных со снижением РЛЗ летательных аппаратов (ЛА). Существует целый комплекс мероприятий, направленный на снижение (минимизацию) РЛЗ, как отдельных элементов, так и всего ЛА в целом. Известны следующие традиционные способы снижения РЛЗ ЛА:
- рациональный выбор формы отдельных элементов конструкции и ЛА в целом;
- применение поглощающих покрытий и композиционных конструкционных материалов;
- применение специальных покрытий и устройств, целенаправленно изменяющих отраженный сигнал от ЛА.
Однако основным способом является рациональный выбор формы отдельных элементов конструкции (кабина пилота, воздухозаборники, антенны, острые кромки и т.д.) и ЛА в целом.
Формирование рациональной архитектуры ЛА идет следующими путями:
- создание ЛА такой конфигурации, при которой отражение происходит так, что отраженное излучение не попадает на РЛС;
- создание ЛА с гладкой формой, по возможности лишенной элементов с малым радиусом кривизны.
С помощью этих методов можно снизить радиолокационную заметность корпуса летательного аппарата, но не радиолокационную заметность авиационных антенн, поскольку формирование рациональной внешней формы антенн приведет к функциональному нарушению их работоспособности. Таким образом, без решения задачи по снижению заметности бортовых антенн невозможно получить удовлетворительное решение проблемы снижения общей заметности ЛА. Поэтому работам в этом направлении уделяется повышенное внимание. Главными требованиями, предъявляемыми к работе бортовых радиолокационных и связных станций на малозаметных ЛА, являются:
- радиомаскировка антенн в пассивном режиме работы, с целью максимального снижения их заметности для радиолокаторов;
- быстрота, с которой станция может выходить на кратковременную связь или включать собственный радиолокатор, быстро изменять частоту, а также переходить в режим маскировки антенн при облучении средствами обнаружения.
Традиционные средства маскировки ЛА в данном случае не могут быть использованы без ухудшения технических характеристик антенных систем, а механические элементы маскировки обладают большой инерционностью. Поэтому разработка общих принципов управления характеристиками антенн, позволяющих снизить радиолокационную заметность антенн ЛА без ухудшения технических характеристик радиоэлектронных комплексов, является актуальной и важной научной задачей.
Предметом исследования диссертации являются физические принципы работы и технические характеристики антенных устройств на основе плазменных технологий вибраторного типа (в режиме приемо-передачи), волноводно-щелевого и рефлекторного типов.
Целью работы является разработка формирующих радиоизлучение антенных устройств вибраторного, щелевого и рефлекторного типов на основе плазменных технологий; обоснование возможности использования плазменных антенн вибраторного типа в системах УКВ связи, создании волноводно-щелевых плазменных антенн с управляемой диаграммой направленности и пассивных плазменных антенных решеток.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи.
-
Разработаны основные физические принципы новых антенных устройств вибраторного, щелевого и рефлекторного типов на основе плазменных технологий.
-
Создана экспериментальная установка для исследования характеристик плазменных приемо-передающих вибраторных антенн. Впервые исследованы, в зависимости от плотности плазмы, частотные характеристики антенных устройств и чувствительность в режиме приема.
-
Разработана и создана плазменная волноводно-щелевая антенна СВЧ диапазона. Проведены исследования возможности управления диаграммой направленности (ДН) этих антенн с помощью изменения плотности плазмы.
-
Впервые был использован скользящий разряд для создания рефлекторной плазменной антенной решетки. Проведено численное моделирование по определению характеристик таких решеток.
Достоверность основных положений, выводов и результатов работы обеспечена: согласованностью ряда полученных результатов с аналогичными, опубликованными в отечественной и зарубежной печати; адекватностью разработанных моделей реальным объектам; соответствием результатов, полученных экспериментально и на основе расчетов с использованием известного математического аппарата и моделирования на ПК.
Один из перспективных путей создания антенных устройств с управляемых параметрами – это использование плазменных технологий.
В частности, можно использовать плазменные проводники, для формирования которых используется газовый разряд. В этом случае плазменный проводник формируется в диэлектрическом канале, заполненным газом. Время «включения» плазменных антенн определяется скоростью ионизации (обычно она составляет не более микросекунды). Время «выключения» определяется временем деионизации плазмы и может быть несколько выше в зависимости от режимов работы, но не более миллисекунды.
Научная новизна диссертационной работы:
Впервые продемонстрирована возможность использования плазменного антенного устройства вибраторного типа в режиме приема, возбуждаемого собственным излучением передатчика.
Для управления диаграммой направленности волноводно-щелевой антенны предложено создавать плазму в волноводе. Плазменные волноводно-щелевые антенны позволяют безынерционно управлять их диаграммой направленности.
Впервые использован скользящий разряд для создания рефлекторных антенных устройств СВЧ диапазона.
Научная значимость работы. Применение результатов работы дает возможность реализации новых путей создания плазменных антенных устройств вибраторного типа, ЭПР которых на один – два порядка меньше ЭПР металлических вибраторных антенн; волноводно-щелевых антенн с практически безынерционным управлением ДН и пассивных плазменных антенных решеток.
Практическая ценность проведённых исследований состоит в том, что показаны пути реализации плазменных антенных устройств с управляемыми параметрами, эффективность работы которых (мощность излучения, форма диаграммы направленности, шумовые характеристики и КПД) сравнима с металлическими аналогами. Например, применение таких антенн позволяет снизить РЛЗ объектов вооружения и военной техники. В частности, боевая эффективность малозаметных самолётов (программа STEALTH) оказалась низкой, вследствие того, что на этих самолетах отсутствуют радиоэлектронные комплексы с традиционными типами антенн. Применение плазменных технологий позволяет решить эту проблему, практически не увеличивая ЭПР ЛА.
Основные научные положения, выносимые на защиту, и результаты.
-
Приемо-передающее плазменное антенное устройство с электронной перестройкой частоты приема и высокой чувствительностью, в которой возбуждение плазмы производится на одной частоте приемо-передатчика (более высокой), осуществляет прием сигнала на другой частоте (более низкой), с постоянной величиной разноса частот между ними.
-
Характеристики приемной плазменной антенны определяются плотностью плазмы.
-
Волноводно-щелевые плазменные антенные устройства позволяют осуществлять электронную перестройку ДН с практически безынерционным управлением в широком секторе углов.
-
Рефлекторные плазменные антенные решетки (ПАР) дают возможность управлять положением боковых лепестков ДН. ПАР, используемые в качестве маскирующих экранов, имеют особенности, определяемые параметрами плазмы, которые дают им преимущества по сравнению с традиционными металлическими антеннами.
-
Особенности физического механизма работы плазменных антенн показывают их преимущества по сравнению с металлическими антеннами, что позволяет создать приемо-передающие плазменные антенны с величиной ЭПР меньше, чем 0,03...0,05 м2.
Основные результаты диссертационной работы внедрены в Научно-экспериментальном внедренческом центре физических исследований и перспективных технологий (МГП НЭВЦ ФИПТ), а также используются в Федеральном государственном унитарном предприятии «Московский радиотехнический институт Российской академии наук» ФГУП «МРТИ РАН», ОАО «Специальное конструкторское бюро радиоизмерительной аппаратуры» (ОАО «СКБ РИАП»), Фрязинском филиале Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН (ИРЭ) и ННЦ «Физико-технический институт» НАН Украины.
Материалы диссертационной работы также используются в учебном процессе на базовой кафедре №343 «Моделирование радиофизических процессов» МГТУ МИРЭА в курсах «Спецглавы радиофизики» для студентов очной формы обучения по специальности 210301 «Радиофизика и электроника» и «Моделирование антенных систем, основанных на новых физических принципах», подготовленном для студентов магистратуры очной формы обучения по направлению подготовки 200400 «Радиотехника», магистерская программа «Радиофизика».
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях и семинарах в МГТУ МИРЭА 2009-2011 годы и Институте общей физики им. А.М. Прохорова РАН 2008-2011 годы; на шестнадцатой конференции студентов и аспирантов в Московском энергетическом институте 2010 г. [1]; на международной научно-технической конференции «ИНФО-2010» [2] и на XXXVII и XXXVIII Международных (Звенигородских) конференциях по физике плазмы и УТС [3, 4].
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 11 работах [1…11]: 7-и научных статьях, из них 6 опубликованы в ведущих научных журналах, издаваемых в Российской Федерации и рекомендуемых ВАК для публикации основных материалов диссертаций, представляемых на соискание ученой степени кандидата наук [5…11]; 4-х тезисов докладов научных международных конференций [1…4].
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, приложений, списка использованных источников информации, включающего 53 наименования. Она содержит 111 страниц текста, 61 рисунок и 4 таблицы.
