автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Сверхширокополосные радиопоглощающие структуры с сосредоточенными и распределенными диссипативными элементами

На правах рукописи

ЛАТЫПОВА Алина Фидарисовна

СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫЕ РАДИОПОГЛОЩАЮЩИЕ СТРУКТУРЫ С СОСРЕДОТОЧЕННЫМИ И РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ДИССИПАТИВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

Специальность 05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства и их технологии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005570166

Воронеж-2015

005570166

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

Научный руководитель Пастернак Юрий Геннадьевич,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Разиньков Сергей Николаевич,

доктор физико-математических наук, Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и ЮЛ. Гагарина (г. Воронеж), старший научный сотрудник;

Бердышев Александр Владимирович,

кандидат технических наук,

ФАУ «ГНИИИ ПТЗИ ФСТЭК России»

( г. Воронеж), старший научный сотрудник

ФГБОУ ВПО «Воронежский Ведущая организация: государственный университет»

Защита состоится «07» мая 2015 г. в 14м в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.10 в конференц-зале ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026 г. Воронеж, Московский проспект, 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке и на официальном сайте ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» wwvv.vorstu.ru.

Автореферат разослан « » марта 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Макаров Олег Юрьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Важнейшей характеристикой современных средств, систем и комплексов вооружения является живучесть во время боя. Проблема повышения живучести неразрывно связана с другой, более частной, но не менее важной проблемой снижения радиозаметности объектов. Среди наиболее распространенных методов снижения радиозаметности можно выделить следующие: использование радиопоглощающих материалов (РПМ) и структур с сосредоточенными поглощающими элементами (ССПЭ); применение управляемых и неуправляемых рассеивателей, минимизирующих интенсивность отраженных от объектов радиоволн в направлении приемной антенны радиолокатора; создание вокруг объектов неоднородных плазменных образований, в которых имеют место явления рефракции и поглощения электромагнитных волн.

В работе исследованы перспективные направления создания структур с сосредоточенными и распределенными поглощающими элементами. Одним из основоположников данного направления является выдающийся российский ученый П.Я. Уфимцев, работы которого стали теоретической базой для создания технологии «Стеле» (Stealth technology). Однако известным слабым местом данного подхода является чрезвычайная сложность создания тонкопленочных покрытий из магнитодиэлектрического материала, у которого значение модуля характеристического сопротивления было бы максимально близким к 377 Ом (характеристическое сопротивление воздуха) и потери электрического и магнитного рода были бы почти равными. При этом желательно достичь значений относительных диэлектрической и магнитной проницаемостей вплоть до нескольких сотен в субмиллиметровом, миллиметровом, сантиметровом и дециметровом диапазонах волн. Поэтому в диссертации основная ставка сделана на комбинирование планарных антенных решеток, элементы которых нагружены на сосредоточенные диссипативные элементы — для снижения отражения в длинноволновой и средневолновой областях, с использованием распределенных поглощающих покрытий - для уменьшения коэффициента отражения в коротковолновой области диапазона.

Степень научной разработанности. Наибольших успехов в области проектирования радиопоглощающих материалов (РПМ) и структур с сосредоточенными поглощающими элементами (ССПЭ) добились многие отечественные и зарубежные исследователи: Д.Д. Габриэльян, М.Ю. Звездина, Ю.Н. Казанцев, H. Е. Казанцева, К.Н. Розанов, Н. Г. Рывкина, И. А. Чмутин, П.Я. Уфимцев, А.П. Ярыгин, и В. Münk, F. Costa, A. Monorchio, Z. Shen, J. Yang.

На сегодняшний день разработаны принципы и технологии создания множества радиопоглощающих материалов и конструкций различной химической и физической природы, структуры и геометрии, в частности, на основе использования ферритов, магнитодиэлектриков, композиционных материалов с электропроводящими и магнитными включениями. Предпринимаются

попытки построения широкополосных РПМ на основе тонкоплёночных структур, обладающих высокой эффективностью при толщине покрытия, существенно меньшей длины волны. Широкое применение находят поглотители на основе частотно-избирательных поверхностей (ЧИП) с диэлектрическими и магнитнодиэлектрическими потерями. Существенное противоречие между требуемой малой толщиной радиопоглощающего покрытия и необходимостью эффективного поглощения в длинноволновой области функционирования радиолокаторов, а также существенная дисперсия комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей требуют поиска альтернативных научно-технических решений.

Помимо того, область применения радиопоглощающих материалов и планарных структур с сосредоточенными поглощающими элементами не ограничивается только военной сферой. РПМ и ССПЭ могут использоваться в качестве средства обеспечения электромагнитной совместимости блоков радиоэлектронной аппаратуры, для защиты от вредного действия микроволнового излучения на биологические объекты, при создании безэховых камер.

Поэтому актуальным является разработка и исследование новых конструкций и методов проектирования сверхширокополосных радиопоглощающих структур на основе печатных сверхширокополосных антенных элементов, нагруженных на сосредоточенные поглощающие элементы, однослойных и многослойных конструкций на основе частотно-избирательных решеток с распределенными и сосредоточенными потерями.

Диссертация выполнена в рамках госбюджетных НИР, проводимых на кафедре радиоэлектронных устройств и систем ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» в 2011 - 2014 гг. в рамках одного из основных научных направлений ВГТУ — «Разработка и исследование перспективных радиоэлектронных и лазерных устройств, систем передачи, приема, обработки и защиты информации».

Объектом исследования диссертации являются радиопоглощающие структуры, реализованные на основе использования сверхширокополосных печатных антенных решеток с сосредоточенными и распределенными дисси-пативными элементами, а также радиопоглощающие конструкции на основе частотно-избирательных решеток, выполненных с использованием различной технологии производства.

Предметом исследования являются пути улучшения характеристик сверхширокополосных радиопоглощающих структур, созданных на основе квазифрактальных многослойных и однослойных частотно-избирательных решеток, в состав которых входят распределенные и сосредоточенные дисси-пативные элементы.

Цель и задачи исследования.

Целью работы является разработка методики проектирования конструкций сверхширокополосных радиопоглотителей СВЧ диапазона волн, построенных на основе плоских антенных сверхширокополосных решеток с сосредоточенными диссипативными элементами и сплошными диссипатив-

ными покрытиями, а также разработка сверхширокополосных радиопоглотителей с улучшенными характеристиками, построенными на основе использования частотно-избирательных решеток.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

- провести анализ современного состояния теории и техники сверхширокополосных радиопоглотителей, а также аналитический обзор методов проектирования сверхширокополосных радиопоглощающнх структур для выявления существующих проблем и перспективных направлений их решения;

- разработать и апробировать методику проектирования сверхширокополосных радиопоглотителей СВЧ диапазона волн, построенных на основе сверхширокополосных антенных решеток, нагруженных на диссипативные элементы;

- разработать радиопоглощающие структуры на основе решетки сверхширокополосных антенных излучателей - решетки логарифмической спиральной антенны и решетки антенн Вивальди, нагруженных на сосредоточенные диссипативные элементы;

- разработать квазифрактальные конструкции радиопоглотителей, реализованных на основе частотно-избирательных решеток, выполненных из ре-зистивного сплава;

- разработать радиопоглотители на основе многослойных конструкций печатных низкопрофильных частотно-избирательных решеток с сосредоточенными потерями;

- реализовать радиопоглощающую структуру на основе кубической решетки электромагнитного кристалла, в узлах которой расположены Ш.С-сосредоточенные поглощающие элементы.

Научная новизна результатов исследования. В работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

- методика проектирования сверхширокополосных печатных радиопоглощающнх структур СВЧ диапазона волн, отличающаяся использованием модели канала Флоке для синтеза печатных антенных элементов, характеризующихся в составе антенной решетки заданным качеством согласования и широкой диаграммой направленности, позволяющая существенно упростить технологию производства за счет использования метода фотолитографии и обеспечить существенное снижение модуля коэффициента отражения в широком секторе углов падения волн;

- методика проектирования планарных сверхширокополосных радиопоглощающнх структур, отличающаяся применением гальванической связи между полупроводящими пространственно-распределенными элементами крестообразной формы различного масштаба, входящими в состав квазифрактальной частотно-избирательной решетки, позволяющая уменьшить толщину радиопоглотителя до десятых долей миллиметра и обеспечить сни-

жение интенсивности отраженных волн на 10 - 20 дБ в дециметровом и сантиметровом диапазонах длин волн и секторе углов падения волн -60о^б0°;

- методика синтеза и анализа многослойных радиопоглощающих антенных решеток, состоящих из гальванически связанных между собой патч -излучателей с сосредоточенными диссипативными элементами, отличающаяся квазифрактальным принципом построения топологии структуры, моделирование которой осуществляется с помощью метода конечного интегрирования Вейланда, реализованного в пространственно-временной области, что дает возможность анализировать характеристику рассеяния в сверхширокой полосе частот;

- топология, методика синтеза и анализа многослойной сверхширокополосной радиопоглощающей структуры, представляющей собой метамате-риал с кристаллической решеткой кубической формы, в узлах которой расположены сосредоточенные ЯЬС - элементы, отличающейся значениями эффективного характеристического сопротивления, близкого к 377 Ом, и позволяющей уменьшить интенсивность отраженных волн от листа металла не менее, чем на 10 дБ, в полосе частот от 5 до 50 ГГц при толщине структуры не более 0.2^тах.

Теоретическая значимость результатов работы определяется развитием методологии создания радиопоглощающих структур, основой которых являются антенные решетки с сосредоточенными диссипативными элементами, в сочетании с пространственно-распределенными диссипативными покрытиями, позволяющих существенно уменьшить коэффициент отражения в сверхширокой полосе частот, в том числе дециметрового и сантиметрового диапазона волн, и характеризующихся значениями толщины порядка нескольких единиц миллиметров.

Практическая значимость результатов диссертации определяется разработкой методики проектирования радиопоглощающих структур, созданных на основе антенных решеток в печатном исполнении, элементы которых нагружены на бескорпусные резисторы, комбинированных со сплошными радиопоглощающими покрытиями, позволяющими существенно уменьшить интенсивность отраженных волн в сверхширокой полосе частот при незначительной толщине радиопоглощающей структуры, а также внедрении разработанной методики на двух промышленных предприятиях.

Методология и методы исследования. При проведении численных исследований характеристик радиопоглотителей использовался метод конечного интегрирования Вейланда, реализованный в пространственно-временной области, метод построения эквивалентных схем на сосредоточенных элементах, методы математического моделирования, вычислительные методы технической электродинамики, методы экспериментальных измерений характеристик радиопоглотителей, основанные на использовании безэ-ховой камеры.

Положения, выносимые на защиту.

- методика проектирования радиопоглощающих структур СВЧ диапазона длин волн на основе использования слабонаправленных сверхширокополосных антенных элементов в печатном исполнении с диссипативными нагрузками, позволяющая уменьшить коэффициент отражения на 10-15 дБ в полосе частот с коэффициентом перекрытия 1.7-2.2;

- антенные решетки, состоящие из антенн Вивальди с активной нагрузкой элементов, позволяют уменьшить на порядок интенсивность отраженных волн в полосе частот с коэффициентом перекрытия 2.2 в секторе углов волн --40°-40°;

- применение в качестве радиопоглощающей структуры решетки двух-заходных или четырехзаходных логарифмических спиральных антенн, в разрывы плеч которых включены бескорпусные резисторы, позволяет уменьшить коэффициент отражения на 10-15 дБ в полосе частот с коэффициентом перекрытия 1.8 в секторе углов падения волн -35°-К35°;

- использование гальванической связи между элементами различного масштаба квазифрактальной частотно-избирательной решетки крестообразной формы, выполненной из резистивного сплава, при толщине радиопоглощающей структуры 0.5 мм позволяет уменьшить интенсивность отраженных волн на 10^-20 дБ в сантиметровом и дециметровом диапазонах волн в секторе угла падения волн -60°^60°;

- выяснено, что эффективным способом расширения полосы поглощения многослойных радиопоглощающих конструкций низкопрофильных частотно-избирательных решеток, изготовленных с использованием технологии производства печатных плат и нагруженных на сосредоточенные пассивные элементы, является использование пространственного квазифрактального построения, заключающегося в том, что на каждом последующем слое расположена частотно-избирательная решетка вдвое меньшего размера;

- установлена возможность реализации радиопоглощающей структуры на основе метаматериала с кубической кристаллической решеткой, между металлическими ребрами которой включены сосредоточенные реактивные и диссипативные элементы, характеризующейся коэффициентом отражения волн не более -10 дБ относительно идеального металлического листа тех же размеров в полосе частот от 5 до 50 ГГц при толщине структуры 13 мм.

Личный вклад автора состоит в разработке методики проектирования сверхширокополосных радиопоглощающих структур, реализованных на использовании «антенного эффекта» печатных нагруженных сверхширокополосных излучателей; в исследовании электродинамических и конструктивных характеристик радиопоглощающих конструкций, разработанных с помощью методики проектирования радиопоглотителей на основе печатных сверхширокополосных излучателей - логарифмической спиральной антенны и антенны Вивальди; в разработке и исследовании квазифрактальных вариантов конструкций радиопоглотителей с использованием резонансных частотно-избирательных решеток, выполненных из резистивного сплава; в разра-

ботке и исследовании многослойных радиопоглощающих конструкций с использованием низкопрофильных частотно-избирательных решеток, изготовленных с использованием технологии производства печатных плат, с сосредоточенными потерями. Автор принимал личное участие в экспериментальных исследованиях.

Степень достоверности и апробация результатов.

Достоверность полученных в работе результатов обусловлена корректным использованием методов анализа и синтеза антенных решеток с поглощающими элементами: модификации метода конечных разностей решения системы уравнений Максвелла в пространственно-временной области - метода конечного интегрирования Вейланда; методов расчета бесконечных периодических радиопоглощающих структур с помощью модели канала Флоке; метода параметрического синтеза радиопоглощающих конструкций, основанного на использовании эволюционного алгоритма. Приведенные в диссертации численные результаты анализа характеристик радиопоглощающих конструкций находятся в хорошем соответствии с данными, полученными в ходе натурных измерений изготовленных образцов, проводимых в безэховой камере. Достоверность приведенных экспериментальных данных подтверждается использованием стандартной методики измерения характеристик радиопоглотителей в безэховой камере при соблюдении условий дальней зоны.

Полученные в диссертации результаты докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: XIX, XX международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь» (г. Воронеж, 2013, 2014 гг.); XII международной научно-практической конференции «В мире научных открытий» (г. Москва, 2014),VII международной научно-технической конференции «Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации» (г. Суздаль, 2014), ежегодных научно-технических конференциях и семинарах профессорско-преподавательского состава, научных работников, студентов и аспирантов ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» (Воронеж, 2011 -2014).

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты, полученные в диссертации, использованы на предприятии ЗАО «ИРКОС» (г. Москва) и ОАО «Концерн «Созвездие» (г. Воронеж), о чем имеются соответствующие акты внедрения.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 7 — в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 105 наименований, приложения. Основная часть работы изложена на 167 страницах, содержит 120 рисунков и 13 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы; сформулированы цель и задачи работы; изложена научная новизна и практическая значимость работы; перечислены методы исследования; приведены сведения об апробации основных положений диссертации, структуре и внедрении результатов; сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ современного состояния теории и техники в области создания радиопоглощающих материалов различной структуры, геометрии и химической природы, а также рассмотрены основные принципы действия разрабатываемых в настоящее время сверхширокополосных радиопоглотителей.

В результате проведенного анализа сделан вывод о возможности и необходимости альтернативных научно-технических решений в области проектирования радиопоглотителей. Приведен анализ перспективных путей применения частотно-избирательных решеток для разработки тонких сверхширокополосных конструкций радиопоглотителей, кроме того, проведен анализ конструкторской и технологической реализации на примерах серийно выпускаемых радиопоглощающих материалов мировых лидеров в данной области.

Вторая глава посвящена разработке и исследованию конструкций радиопоглотителей на основе сверхширокополосных слабонаправленных антенных излучателей в печатном исполнении с диссипативными нагрузками.

Предложен возможный альтернативный подход к проектированию радиопоглотителей, заключающийся в разработке радиопоглощающей структуры как печатной антенной решетки, нагруженной на согласованные сосредоточенные диссипативные элементы. Правомерность постановки использования такого подхода заключается в том, что часть мощности падающей на антенну волны поглощается в ее согласованной нагрузке, а остальная часть рассеивается антенной. Профессором Д.И. Воскресенским была предложена физико-математическая модель антенны - «поглотителя», в которой полное рассеянное антенной поле складывается из структурной, антенной и теневой составляющих. Причина существования структурной составляющей рассеяния связана с рассеянием на конструктивных элементах поверхности, а также на значительно рассогласованных участках, образующих физическую структуру антенны. Характер возникновения антенной составляющей рассеяния непосредственно связан с «антенным эффектом» излучателей, так как диаграмма направленности этой составляющей совпадает с диаграммой направленности антенны, а ее амплитуда зависит от коэффициента отражения от нагрузки. Теневая составляющая рассеянного поля представляет собой часть первичного падающего поля, которая не взаимодействует с антенной, проходит за антенну, как бы не замечая ее.

На основании данных выводов разработана и апробирована методика

проектирования радиопоглотителей на основе сверхширокополосных слабонаправленных печатных антенных элементов, обладающих в составе решетки заданным уровнем согласования и широкой диаграммой направленности в сверхширокой полосе частот. Данная методика проектирования радиопоглотителей представлена на рис. 1 в виде структурной схемы.

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

Рис. 1. Структурная схема методики проектирования радиопоглощающих структур на основе слабонаправленных печатных антенных излучателей

Для апробации методики проектирования радиопоглощающих конструкций на основе антенных решеток предложены радиопоглощающие

8

конструкции на основе решетки слабонаправленных печатных логарифмических спиралей (рис. 2). Двухзаходная спираль, полученная путем поворота первой спирали на 180 0 относительно точки питания, вытравлена на одной стороне фольгированного двухстороннего диэлектрика. Запитывающий порт с внутренним сопротивлением 130 Ом на исследуемой антенне размещался между ветвями спирали. Размеры и электродинамические параметры исследуемой антенны: начальный радиус - вектор спирали - 3.5 мм, скорость разворачивания спирали - 0.26 мм, количество витков - 1.5, толщина диэлектрической подложки 1=8 мм, ег = 1.96, электрическая проводимость материала подложки а = 0.1 См/м.

а) б) в) г)

Рис. 2. Радиопоглощающие конструкции на основе двухзаходной и четырех-заходной логарифмических спиралей с сосредоточенными элементами

Для рассматриваемой логарифмической антенны КСВ принимало значение 1.7 -1.9, диаграммы направленности печатной спиральной логарифмической антенны в диапазоне частот 0.9 - 5 ГГц приведены на рис. 3.

В ходе математического моделирования получены характеристики отражения (рис. 4) радиопоглощающей структуры на основе разработанной нагруженной логарифмической спиральной антенны (рис. 2а), радиопоглощающей конструкции с дополнительными резистивными нагрузками, включенными в разрывы на витках спирали (рис. 26), в сверхширокой

Рис. 3. Сечения ДН логарифмической спиральной антенны в вертикальной плоскости

Рис. 4. Частотные зависимости коэффициента отражения спиральных радио-поглощающих структур при нормальном падении ТЕ-волны и ТМ-волны

полосе частот, определенной с помощью метода конечного интегрирования Вейланда.

Для обеспечения независимости от типа поляризации разработаны ра-диопоглощающие конструкции на основе четырехзаходной спирали (рис. 2в, 2г). Частотные зависимости коэффициента отражения для радиопоглощаю-щих конструкций четырехзаходных спиралей представлены на рис. 4.

Были получены частотные характеристики отражения радио-поглощающей конструкции на основе двухзаходной логарифмической спирали с резистивными нагрузками, включенными в разрывы на витках спирали (рис. 26), при наклонном падении ТЕ - и ТМ-волн (рис. 5). Из полученных зависимостей видно, что разработанные радиопоглощающие конструкции на основе печатных логарифмических спиралей с резистивными нагрузками позволяют уменьшить коэффициент отражения на 10-И 5 дБ в полосе частот 4.5 - 9 ГГц и секторе углов падения волны -35° -^35°.

IRT.il. |ЯтмЬдБ

-10 -14

-18

о = 35° N

\ \ \ }

\ V- \ /V

\ ' X \ У» /

\ 1 ¡к <

\ , / 1 0 = 0"

\ \1 \/ ! 1

-22

4.5 5 6 7 8 9 10

Г, ГГц

Рис. 5. Частотные зависимости коэффициента отражения радиопоглощающей структуры на основе двухзаходной логарифмической спирали с резистивными нагрузками на витках спирали (рис. 26)

при наклонном падении ТЕ-волны (сплошные линии) и ТМ-волны (пунктирные линии)

Разработаны радиопоглощающие конструкции линейной поляризации на основе решетки антенн Вивальди, нагруженных на согласованные резисторы (рис. 6а). Размеры исследованной антенны Вивальди линейной поляризации составили: Ь = 25.4 мм, Эг= 4.3 мм, = 27 мм, К = 88 Ом. В ходе моделирования исследовалась структура, не порождающая дифракционных максимумов в своей ДН, поэтому расстояние между антеннами Вивальди в составе решетки было выбрано с1 = 15 мм. Диаграммы направленности

а) б)

Рис. 6. Ячейка радиопоглотителя линейной (а) и круговой (б) поляризации на основе решетки нагруженных антенн Вивальди

ГГц представлены на рис. 7, КСВ разработанной антенны Вивальди принимало значение не более 2 в исследуемом диапазоне частот.

10

Рис. 7. Сечения ДН антенны Вивальди в вертикальной плоскости антенны Вивальди в составе решетки в диапазоне частот 4 - 11.2

С целью разработки радио-поглощающей конструкции круговой поляризации (рис. 66) излучатели Вивальди располагались перпендикулярно друг другу. Для максимизации коэффициента перекрытия по уровню коэффициента отражения -10 дБ проведена оптимизация конструкции на основе решетки перекрещенных антенн Вивальди с помощью двухуровневой процедуры, использующей генетический алгоритм и метод Фиакко и Мак-Кормика. В результате получены следующие размеры: Ь = 28 мм, Эг = 4.3 мм,

4.4 5

10 11.2

f, ГГц

Рис. 8. Частотные зависимости коэффициента отражения радиопоглощающих структур линейной (сплошная линия) и круговой поляризации (пунктирная -ТМ-волна и штрихпунктирная - ТЕ-волна) на основе решетки антенн Вивальди

W = 16 мм, R = 108 Ом. Частотные зависимости коэффициента отражения радиопоглощающих структур на основе решетки нагруженных антенн Вивальди линейной и круговой поляризации при нормальном и наклонном падении ТЕ- и ТМ-волн представлены на рис. 8. Как видно из полученных зависимостей, разработанные радиопоглощающие конструкции на основе решетки антенн Вивальди обеспечивают уменьшение коэффициента отражения на 10 дБ в полосе частот 4 - 11.2 ГГц и секторе углов -40°^40°.

Третья глава посвящена анализу и синтезу сверхширокополосных радиопоглотителей с улучшенными характеристиками, построенными на основе использования частотно-избирательных решеток (ЧИР) с сосредоточенными и распределенными потерями, а также исследованию возможности реализации радиопоглотителей на основе искусственных электромагнитных метаматериалов.

Для обеспечения распределенного поглощения мощности в сверхширокой полосе частот разработаны планарные тонкие и сверхширокополосные радиопоглощающие структуры в виде пространственно-распределенных элементов крестообразной формы различного масштаба с гальванической связью между ними, входящих в состав квазифрактальной частотно-избирательной решетки, выполненной из резистивного сплава с удельным сопротивлением 1000 Ом/кв (рис. 9). Элементы частотно-избирательной решетки напечатаны на диэлектрическую подложку толщиной 0.5 мм, экранированную с обратной стороны. Квазифрактальность заключалась в способе размещения элементов ЧИР разного масштаба: на каждой итерации п к элементу большего размера добавляются с четырех сторон элементы ЧИР крестообразной формы с масштабом, отличающимся в kn раз. Частотные зависимости коэффициента отражения для радиопоглотителей на основе квазифрактальных ЧИР изображены на рис. 10. Для конструкции 9д приведены

частотные зависимости коэффициента отражения в зависимости от угла падения ТЕ- волны (рис. 11).

Г+8+1 10 мм 32.5 мм _ 30 мы

1+1+] 15 мм

б)

с: :5

В)

Г)

Д)

е)

Рис. 9. Варианты топологии резистивных ЧИР с гальванической связью

_2|Яте|,дБ -5 -10 -15

[, ГГц

Рис. 10. Частотные зависимости коэффициента отражения квазифрактальных конструкций радиопоглотителей (рис. 9) при нормальном падении

5 10 15 20 25 30 33

Г, ГГц

Рис. 11. Частотные зависимости коэффициента отражения от угла падения 0° для конструкции 9д

Как видно из рис. 10, использование гальванической связи между элементами ЧИР разного масштаба позволяет при сохранении геометрических размеров увеличить поглощение в дециметровой области длин волн за счет создания непрерывности токов проводимости на площади, существенно меньшей Я„.

Проведен параметрический синтез модели радиопоглотителя на основе печатных ЧИР с сосредоточенными элементами (рис. 12а), в результате которого была получена характеристика отражения (рис. 12в - сплошная линия).

Для уменьшения коэффициента отражения предложена двухслойная конструкция на основе структуры (рис. 12), в которой второй слой диэлектрика содержит одиночную квадратную рамку вдвое меньшего размера, что позволяет уменьшить коэффициент отражения на 15 дБ (рис. 12в - пунктирная линия). Для оценки достоверности численных расчетов разработан макет радиопоглотителя (рис. 12), изготовленный из двухстороннего фольгирован-ного диэлектрика РК4 (ег = 4.4), на одной стороне которого вытравлена печатная двоякопериодическая частотно-избирательная решетка в виде квадратных двойных рамок, нагруженных на резисторы. Габариты представленного макета поглотителя составили 96x96x10 мм. Радиотехнические измере-

--_ 1 1

24.2 мм; 3

! .....\ 2 мм Т

о

-5

-ю -15 -20 -25

тив

/ у

\ \ V/ : / • 1 ... /

у \/

1

2.5

б)

3 5 4 I. ГГц

В)

Рис. 12. Макет радиопоглотителя на основе печатных двойных квадратных рамок с сосредоточенными резисторами (а), схематичный вид (б), частотные зависимости коэффициента отражения радиопоглотителя 12а (сплошная) и двухслойной квазифрактальной конструкции двойных квадратных нагруженных рамок (штриховая)(в)

ния коэффициента отражения проведены в безэховой камере рупорным методом. В установку для измерения коэффициента отражения входил измерительный векторный анализатор цепей N52300, в качестве облучателя использовались рупорные антенны с полосой 1 - 12 ГГц (рис. 136), в которых с помощью диафрагм формировался пучок электромагнитного излучения по структуре поля, близкого к волне типа ТЕМ, с плоскопараллельным фронтом, (рис. 13). На рис. 14 изображены теоретическая и экспериментальная частотные зависимости коэффициента отражения радиопоглотителя на основе

а) 6)

Рис. 13. Радиопоглотитель в безэховой камере (а), анализатор цепей и измерительная антенна(6)

Рис. 14. Частотные зависимости коэффициента отражения радиопоглотителя (рис. 12а)

двойных квадратных рамок конечного размера. Сравнивая характер частотных зависимостей коэффициента отражения, полученных путем моделирования и натурных измерений макета, можно сделать вывод о соответствии разработанной модели и ее технической реализации в виде макета.

Предложены варианты легких и простых в изготовлении многослойных конструкций радиопоглотителей, реализованных на основе использования печатных низкопрофильных частотно-избирательных решеток с сосредоточенными диссипативными элементами. На рис. 15 представлено 2 варианта

а=б.з мм

230 Ом

аз=5 мм

И

СО\

\\=3.1 мм 360 Ом

Э1=4 мм \У1=1б мм

"00 Ом \ Я4-2.5 мм

Слой 1.2.3.4

Слой 1

а)

409 Ом Слой 2

Рис. 15. Конфигурация ЧИР: а) конструкция с эквивалентными ЧИР на каждом слое, б) квазифрактальная пространственная конфигурация ЧИР

конфигураций частотно-избирательных решеток на каждом слое, нагруженных с четырех сторон сосредоточенными резистивными элементами, отличающихся пространственным расположением и размерами. В одном случае, каждый слой содержит нагруженную частотно-избирательную решетку эквивалентных размеров; в другом - используется квазифрактальное построение, заключающееся в том, что каждый последующий слой содержит ЧИР в два раза меньшего размера, при этом период структуры остается неизменным. Слои частотно-избирательных решеток разделены слоями воздуха, за исключением первого слоя, расположенного между слоями текстолита толщиной Тс и диэлектрической проницаемостью £г = 4.3. Снизу вся конструкция экранирована слоем меди. Для получения максимально возможного коэффициента перекрытия по частоте по уровню отражения -10 дБ проведена оптимизация толщин слоев и номиналов резисторов с помощью генетического алгоритма. Общая толщина квазифрактальной радиопоглощаю-щей конструкции равнялась 12.7 мм, толщина структуры с эквивалентными ЧИР - 14.5 мм. Частотные зависимости коэффициента отражения для многослойных конструкций представлены на рис. 16. На рис. 17 представлена многослойная патч-конструкция, в которой включение резисторов осуществляется между патча-

. |Кте1< |Ктм1» ДБ

7 9 12 15 18 21 24 27

£ ГГц

Рис. 16. Частотные зависимости коэффициента отражения квазифрактальной конструкции (сплошная линия) и одинакового размера (пунктирная)

аз= 0.4 мм

й1=0Л мм Э2= 0.5 мм нн

ИГ1= 6.7 м* \Ч';=б.З ММ "пп

387 0м Слой 3

824 0м \ а4=0.1 мм

хсют „ оооа стара

^'4= 1.6 ММ

1 1 I а4ду4 а3,щ яг,щ

аь^-,

а) б)

Рис. 17. Многослойная квазифрактальная конфигурация нагруженных печатных патчей (а), схематичный вид многослойной конструкции (б)

ми нижнего и верхнего слоев. Частотные зависимости отражения для данной конструкции представлены на рис. 18. Благодаря применению квазифрактального пространственного построения низкопрофильных печатных элементов в многослой-

Рис. 19. Радиопоглощаюшая структура на основе решетки электромагнитного кристалла с диссипа-тивными сосредоточенными включениями

£ ГТц

Рис. 20. Частотные зависимости коэффициента отражения радиопоглощаю-щей структуры на основе решетки электромагнитного кристалла при наклонном падении ТЕ (сплошные линии) и ТМ-волн (пунктирные линии)

ных радиопоглощающих конструкциях удалось расширить полосу поглощения, упростить технологию разработки радиопоглощающих конструкций за счет применения технологии производства печатных плат, а также снизить вес и толщину конструкции.

Исследована возможность

{, ГГц

Рис. 18. Частотные зависимости коэффициента отражения квазифрактальной многослойной патч-конструкции при

наклонном падении 0°: ТЕ-волна (сплошные линии) и ТМ-волна (штриховые линии)

реализации радиопоглощающей структуры на основе электромагнитного кристалла с кубической решеткой, в узлах которой расположены КЬС - сосредоточенные элементы (рис. 19.). Исследуемая структура конечна по оси 02

- — |Нте|,|Ктм|.ДБ

(толщина равна 5-ти ячейкам) и экранирована слоем меди. Размеры решетки электромагнитного кристалла: длина ребра 1 = 2 мм, зазор между ребрами б = 0.6 мм, диаметр проводника с! = 0.2 мм, номинал диссипативного элемента Я = 280 Ом, Ь = 0.1 нГн. На рис. 20 показаны частотные зависимости коэффициента отражения от радиопоглощающей структуры относительно металлической пластины эквивалентного размера в секторе углов падения. Выяснено, что уровень отражения в таких структурах регулируется сопротивлением сосредоточенного резистивного элемента. Резонансная частота определяется длиной металлического проводника, при этом толщина структуры должна быть порядка О^Хщах, дальнейшее увеличение толщины не влияет на средний уровень коэффициента отражения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. В результате выполнения критического анализа современного состояния теории и технологии создания сверхширокополосных радиопоглотителей сделано заключение о перспективности создания комбинированных радиопоглощающих структур, в которых максимум поглощения мощности падающих волн в области дециметровых и сантиметровых волн, а также длинноволновой части миллиметрового диапазона волн реализован с помощью печатных антенных решеток с сосредоточенными поглощающими элементами, а основное поглощение в коротковолновой части миллиметрового диапазона волн формируется за счет использования сплошных поглощающих покрытий. Показана перспективность использования фрактальных структур для реализации эффективного поглощения в сверхширокой полосе частот.

2. Разработана методика проектирования радиопоглощающих структур СВЧ диапазона длин волн на основе слабонаправленных сверхширокополосных антенных элементов в печатном исполнении с диссипативными нагрузками, позволяющая уменьшить коэффициент отражения на 10-15 дБ в полосе частот с коэффициентом перекрытия 1.7-2.2.

3. Разработана методика проектирования сверхширокополосных радиопоглотителей, построенных на основе печатной антенной решетки, элементами которой являются антенны Вивальди, нагруженные на бескорпусные резисторы. Ее использование позволяет уменьшить на 10 дБ интенсивность отраженных волн в полосе частот с коэффициентом перекрытия 2.3 в секторе углов падения волн шириной 80°.

4. Исследованы радиопоглощающие структуры, построенные на основе использования элементов в виде двухзаходных, а также четырехзаходных логарифмических спиральных антенн, в разрывы плеч которых включены бескорпусные резисторы. Выяснено, что их использование позволяет уменьшить отражение на 10-15 дБ в полосе частот с коэффициентом перекрытия 1.8 в секторе углов падения волн шириной 70°.

5. На основе численного решения краевой задачи с помощью метода конечного интегрирования Вейланда выяснено, что использование гальванической связи между элементами различного масштаба частотно-избирательной решетки, выполненной из резистивного сплава, позволяет при толщине 0.5 мм уменьшить интенсивность отраженных волн на 10^-20 дБ в сантиметровом и дециметровом диапазонах волн и секторе углов падения волн 120°.

6. Установлено, что эффективным способом расширения полосы поглощения многослойных радиопоглощающих конструкций с низкопрофильными частотно-избирательными решетками, нагруженными на сосредоточенные пассивные элементы, является использование квазифрактального принципа построения, при реализации которого на каждом последующем слое структуры расположена частотно-избирательная решетка в два раза меньшего размера.

7. Разработана радиопоглощающая структура, построенная в виде электромагнитного кристалла с кубической кристаллической решеткой и тонкопроволочными ребрами, в узлах которой расположены ЯЬС- сосредоточенные элементы, использование которой позволяет уменьшить коэффициент отражения на порядок в полосе частот от 5 до 50 ГГц при толщине структуры не более 0.2>Члах.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах: Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Латыпова, А. Ф. Анализ перспективных радиопоглощающих материалов [Текст] / А.Ф. Латыпова, Ю.Е. Калинин // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012. - Т.8. - № 6. - С. 70-76.

2. Латыпова, А. Ф. Разработка радиопоглотителя на основе печатных биконических вибраторов, нагруженных резисторами [Текст] / А. Ф. Латыпова, А.Г. Рыжиков // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2014.- Т. 10. - № 4. - С. 88-92.

3. Антипов, С. А. Исследование конструкций квазифрактального радиопоглотителя на основе частотно-избирательных решеток с распределенными потерями [Текст] / С. А. Антипов, А. Ф. Латыпова, Ю. Г. Пастернак // Вестник Воронежского государственного технического университета. -2014,- Т. 10. -№ 5. - С. 103-108.

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

5. Калинин, Ю. Е. Исследование влияния конструктивных и материальных параметров радиопоглотителя на основе решетки нагруженных антенн Вивальди на коэффициент отражения [Текст] / Ю. Е. Калинин, А.Ф. Латыпова, Ю. Г. Пастернак // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2014. - Т.10. - № 6. - С.77-81.

6. Латыпова, А. Ф. Исследование многослойных радиопоглощающих конструкций на основе частотно-избирательных решеток с сосредоточенными элементами [Текст] / А. Ф. Латыпова, Ю. Г. Пастернак // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2014. - Т.10. - № 5.1.-С. 19-22.

7. Антипов, С. А. Обзор радиопоглощающих структур на основе электромагнитных искусственных поверхностей [Текст] / С. А. Антипов, А. Ф. Латыпова, Ю. Г. Пастернак // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2014. - Т.10. -№ 5.1. - С. 9-15.

Статьи и материалы конференций

8. Латыпова, А. Ф. Радиопоглощающая патч-структура [Текст] / А. Ф. Латыпова // Радиолокация, навигация, связь: материалы XIX междунар. науч.-техн. конф,- Воронеж, 2013. - Т. 3. - С. 2105 - 2113.

9. Латыпова, А. Ф. Электродинамический анализ спиральной радиопо-глощающей структуры [Текст] / А. Ф. Латыпова // Радиолокация, навигация, связь: материалы XX междунар. науч.-техн. конф. - Воронеж, 2014. - Т. 1. -С. 623 - 636.

10. Латыпова, А. Ф. Электродинамический анализ радиопоглотителя, состоящего из решетки микрополосковых квадратных рамок, нагруженных резисторами [Текст] / А.Ф. Латыпова, В. И. Чугуевский // Проектирование радиоэлектронных и лазерных устройств и систем: межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 2013. - С. 60 - 72.

11. Латыпова, А. Ф. Экспериментальное исследование радиопоглотителя с сосредоточенными элементами [Текст] / А. Ф. Латыпова // Труды РНТОРЭС им. A.C. Попова. Сер. Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации: - М., 2014. - Вып. VII. - С. 120123.

12. Латыпова, А. Ф. Исследование возможности расширения полосы поглощения за счет изменения внутренних связей элементов фрактальной структуры [Текст] / А. Ф. Латыпова // Труды РНТОРЭС им. A.C. Попова. Сер. Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации,- М„ 2014. - Вып. VII. - С.123-127.

13. Латыпова, А. Ф. Радиопоглотитель на основе квазифрактальной частотно-селективной поверхности [Текст] / А. Ф. Латыпова // В мире научных открытий: материалы XII междунар. науч.- практ. конф. - М., 2014. - С. 119124.

Подписано в печать 27.02.2015. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 90 экз. Заказ № 26

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14 18