автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Влияние многослойных диэлектрических укрытий различной конфигурации на характеристики излучения антенн с плоской апертурой

суркова ирина вадимовна__

влияние многослойных диэлектрических укгатии различной конфигурации на характеристики излучения антенн с плоской апертурой

05.12.07- Антенны и СВЧ устройства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1995

выполнена на кафедре Антенных устройств и распространения рчдипк'лн Московского энергетического института

Научный руководитель: кандидат технических наук,

доцент Бодров Вадим Викентьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Баскаков Святослав Иванович

кандидат технических наук, ст.н.с. ФеДоренко Анатолий Иванович

Р.ндущэя организация указана в решении специализированного Совета Московского энергетического института

Защита состоится " марта 1995 г. в часов на заседании специализированного Совета К 053.16.13 Московского энчргетического института по адресу: г.Москва, ул.Красноказарменная, д.17, аудитория А -41 V'.

''т'-'ни, '.пьирннннй печатью, просим направить по адресу: "10^835, ГСП, М.м'кьм, К ,Т;0, ул.Красноказарменная, д.14, Ученый Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат рчзослан .¿о " февраля 1995 г.

Ученый секретарь сичцичмизировэнного Совета к.т.н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 е и тангенса угла потерь ^ 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 радиопрозрачность.

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, позволящей 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 случав 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

ГЕОМЕТРИЯ УКРУТИЛ

Рис А

-в-

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 переотражения 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 рвдиопрозрачности укрытий 3-х

ГУ

- / -

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 ДК антенн по двум поляризациям с учетом многослойных диэлектрических укрытий различной конфигурации (плоской, сферической и цилиндрической), а также создан пакет прикладных 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 работа (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.

Основные положения, выносимые на защиту : I. Единая методика, позволяющая учитывать влияние многослойных диэлектрических укрытий различной конфигурации (плоской, сферической и цилиндрической) в виде коэффициента влияния, зависящего от параметров укрытия и угла наблюдения и входящего сомножителем в формулы для расчета ДН антенны наряду с ДН антенны ггри отсутствии укрытия.

2. Математическая модель для расчета системы элементарных излучателей с различной ориентацией и различным расположением по отношению к укрытию и заданным амплитудно-фазовым распределением, что позволяет моделировать часто встречащиеся ла практике вибраторные, щелевые и апертурныв антенны и антенные решетки.

3. Результаты численного исследования влияния параметров укрытий 3-х конфигураций на ДН одиночного элементарного излучателя (произвольно расположенного и произвольно ориентированного по отношению к укрытию) и на ДН линейных и плоских антенных решеток (с различной геометрией решетки).

4. Определены пути повышения радиопрозрачности укрытий в диапазоне углов наблюдения за счет подбора слоев с разной толщиной и диэлектрической проницаемостью.

содержание работы

Во введении сделан обзор литературы по теме диссертации, обосновывается актуальность решаемых задач, сформулированы цель и основные задачи работы, метод исследования и его особенности, технические приложения, приводятся типы исследуемых антенн. Дается общая характеристика и краткое содержание диссертационной работы. Отмечено, что разработка математических моделей для расчета ДН системы элементарных излучателей с учетом влияния диэлектрических укрытий 0-х перечисленных форм проводится в два этапа :

- строгий электродинамический расчет излучения произвольного распределения электрических и магнитных токов в присутствии многослойной диэлектрической структуры плоской, сферической и цилиндрической формы,

- решение задачи о возбуждении полей элементарными источниками ь том представлении, которое требует геометрия укрытия, и расчет конкретных конфигураций антенных устройств.

Разработанная в диссертации математическая модель для расчета системы элементарных излучателей, произвольно расположенных и произвольно ориентированных по отношению к укрытию с заданным амплитудно-фазовым распределением позволяет моделировать большое число используемых на практике антенн и конечных антенных решеток. Л)! антенных решеток из элементарных излучателей хорошо аппроксимируют ДН реальных антенных решеток в- области главного

лепвотка и позволяют оценить физические эффекты влияния укрытий различной конфигурации на ДН.

В диссертационной работе исследовались различные антенны, расположенные под диэлектрическим укрытием:

- элемент Гюйгенса, электрический и магнитный диполь

- синфазные линейная и плоская антенная решетка с различной ориентацией относительно укрытия

- моноимпульсные антенны с суммарно-разностной ДН. Техническими приложениями настоящей работы являлись :

1) исследование возможностей повышения радиопрозрачности укрытий путем подбора слоев с разной диэлектрической проницаемостью причем были рассмотрены многослойные диэлектрические укрытия 3-х указанных выше конфигураций. В качестве параметров оптимизации укрытий рассматривались

- колличество слоев (от I до 5)

- диэлектрическая проницаемость(от I до 20)

- толщины слоев (0.2\е - 2Хе)

2) оценка реальных искажений, вносимых в ДН антенн плоскими, сферическими и цилиндрическими укрытиями с учетом всех геометрических факторов задачи.

В первой главе в строгой электродинамической постановке решается задача расчета влияния плоско-слоистого диэлектрического укрытия на ДН системы элементарных излучателей, произвольно расположенных по отношению к укрытию (РисЛ.а).

В соответствии с вышеизложенной методикой первым этапом решения поставленной задачи является разработка математической модели излучония произвольного источника с учетом плоско-слоистого укрытия в присутствии металлического экрана и без него. Случай с металлическим экраном (когда сторонний источник расположен в области между металлическим экраном и плоско-слоистым укрытием) рассматривается для сравнения со сферическим и цилиндрическим случаем. Все поперечные составляющие полей выражаются через вспомогательные скалярные функции. Введенные потенциалы, Еа и Н„ компоненты поля и составляющие тока представляются в виде двойных интегралов Фурье по координатам X и по оси Ъ используется представление Коши. Поскольку в рассматриваемой задаче поля можно разделить на в и н волны, подстановка этих представлений в уравнения Максвелла позволяет получить два независимых

дифферонциялъных уравнения 2-ого порядка для спектральных плотностей введенных потенциалов, которая решается ггои наложении граничных условий с использованием метода вариации постоянных. Формулировка граничных условий проводится в терминах теории четырехполюсников. Для пересчета шлей с внешней границы укрытия на нижнюю используется классическая матрица передачи (авоб) системы плоских диэлектрических, слоев, имеющая размерность 2x2 и находящаяся перемножением аналогичных матриц отдельных слоев. При расчете полей в дальней зоне используется метод стационарной фазы. Формула для расчета ДН произвольного источника с учетом укрытия представляется в виде произведения ДН рассматриваемого источника в свободном пространстве на коэффициент влияния, зависящий только от параметров укрытия и угла наблюдения -д. Коэффициент влияния рассчитывается по формулам :

п гяР еТо'ь""-Т0ь

рР(в) = -—--(I)

о о '

где ъ - -I в случае с металлическим экраном и О при его отсутствии.

рР= + вР

(2)

сиу<н +

о

Индекс р - принимает значение е (относится к волнам электрического типа, имеющим Ег компоненту) или « (относится к волнам магнитного

{

типа, имеющим нг компоненту). - волновое сопротивление среды с относительной диэлектрической проницаемостью е . а^.Б^,С^.Б^ -элементы суммарной матрицы передачи плоского укрытия. Ъ -высота

расположения, <1 - толщина укрытия, -¡а =к зшИ - ко

волновое число. При отсутствии металлической плоскости (Рис.1а) коэффициент влияния совпадает с коэф|ициентом прохождения. Вторым этапом решения поставленной задачи явилась разработка алгоритма расчета ДН элемента Гюйгенса (электрического и магнитного диполя), произвольно расположенного и произвольно ориентированного по отношению к укрытию с учетом влияния плоского укрытия. Получены формулы пересчета составляющих полей из системы координат, связанной с укрытием в систему координат, связанную с плоскостью расположения источников. ДН системы излучателей рассчитывается путем поэлементного суммирования ДН отдельных излучателей, что роалилуктся программно с заданным амшштудно-фшовым распределением вдоль решетки. Приводятся и анализируются результаты расчетов по

рпзработанннм программам, позволяющим рассчитывать суммарно разностные ДН линейных и плоских решеток указанных выше излучателей п учетом плоского укрытия в интересующих пользователя плоскостях. Приводятся обобщенные оценки искажений, вносимые плоским укрытием в ДН антенн:

- изменение уровня излучения в направлении нормали к плоскости решетки в зависимости от параметров укрытия и угла наклона плоскости расположения решетки;

- смещение главного максимума ДН;

- изменение структуры боковых лепестков.

Сделаны выводы о широкоугольном просветлении в диапазоне углов сканирования при использовании многослойных плоских укрытий (число слоев от I до 5), параметры которых рассчитывались по теории фильтров (обеспечение заданного уровня коэффициента отражения в полосе частот).

Во второй главе разрабатывается алгоритм расчета

электродинамического влияния цилиндрического укрытия на ДН системы элементарных излучателей (РисГ.б). Как и в 1-ой главе, задача решалась в два этапа - создание математической модели излучения произвольного источника, расположенного под цилиндрическим укрытием и расчет ДН элементарного излучателя с различным положением и ориентацией по отношению к укрытию. Отличие цилиндрической геометрии от плоской и сферической при произвольном источнике заключается в невозможности разделить поля на Е и Н волны, что увеличивает размерность задачи в 2 раза.

На Г-ом этапе решения проводится точная скаляризация, причем роль потенциалов в этом случае играют спектральные плотности е и нг

компонент поля, относительно которых мы дифференциальных уравнений 4-ого порядка. По аналогии слоем выводится матрица передачи цилиндрического слоя, спектральные плотности Е„,Н„,Е,.,Н,. компонент полей на нижней границе этого слоя. Она имеет вид :

Л» ! 0 | 1 а.4

v = к" ! А» ! К.

-с : -а" а 1 1 ? 0

-а* 2 3 , -а* а„ 1 К,

получаем систему с плоским связывапцая верхней и

пянячает изменение в выражениях для элементов [ач] е^

на

х

ц и наоборот, е (¡1 )- относительная диэлектрическая (магнитная) проницаемость ч-ого слоя.

Приводятся выражения для элементов матрицы передачи цилиндрического слоя через линейные комбинации функций Бесселя и Неймана. Предлагается формулировка граничных условий в матричном виде. На нижней границе укрытия матричное уравнение можно записать следующим

образом

(4)

Правая часть системы 4-ого порядка для спектральных плотностей V В матРичном ВВД9 относится к области под укрытием. Матрица столбец ы описывает поле, падающее от источника, Т-ое слагаемое - поле за счет переотражений от границ укрытия и удовлетворяющее условию регулярности в О. и, и - неизвестные коэффициенты. Левая часть (4) получена при пересчете полей с верхнего радиуса укрытия на его нижнюю границу. Произведение матрицы Р на столбец неизвестных коэффициентов и5 и 1В характеризует поле над укрытием. Выражения для элементов перечисленных матриц приводятся. Вводя обозначение :

А Р

- N

(5)

и решая матричное уравнение (4) относительно И5 и I получим Е„ и К^ составляющие поля над укрытием. При расчете поля в дальней зоне используется метод перевала. Выражения для Еги е^ составляющих полей в дальней зоне с учетом цилиндрического укрытия для произвольного источника приводятся ниже :

141 -Г -Г -Г е

П=-ОС1 г'ф'й'

( ¥ Е М к+ Р " Мм1 г'с!г'с1ф'<1а'

I Г1 1 г. г. 1 п I т

и И- ... (6)

Еа(г,ф,2)

(к а'ооэЛ

е о

Еф!г,ф,г)

-1п(ф-ф' )

О / 1 « п

- 2 / / г *

п=-со г'ф'а' (1соИ'оов^. Г у« Рм мм> г'йг'йГЛг'

I г» 2 г» п 2 |> I т

Где у =к вЫ, - угол сферической системы координат,

отсчитавааемый от оси ъ (РисЛ.б), - функция возбуждения,

полностью определяемая источниками. коэффициенты влияния

цилиндрического укрытия, рассчитывающиеся по формулам :

'к. =

о

(7)

с = в^Чо^ог^-ох*'<*,«>>

ум = в,'н'г>(н вГ'н'1' (й )-в" г и"'(я

1-.2 22 л МО' О 2Э г, у Ю ' * * Г» г.

В^ -элементы 1-ой и 2-ой строки обратной матрицы [В]"', определяемой из (6). И40= где нижний радиус укрытия, = 1/уЛ =1/в¡п-й - волновое сопротивление, нормированное на 9/^=120%,

вп = п оо8-б/-^ео-оов-в , Н^2>(н) - функция Ханкеля 2-ого рода.

В дальней зоне К^ компонента поля находится через Егсоставляющую :

Е^ = -Ег/виА (8)

Конкретизация источника позволяет вычислить интегралы в (6). Приводится формула для расчета ДН элемента Гюйгенса (электрического и магнитного диполя), произвольно расположенного и произвольно ориентированного по отношению к цилиндрическому укрытию. Проводится проверка полученных формул путем рассмотрения предельного случая при больших радиусах укрытия и сравнение с плоской моделью. Получены формулы для пересчета ДН из системы координат, связанной с цилиндрическим укрытием, в систему координат, связанную с плоскостью антенной решетки. Разработанные алгоритмы реализованы в виде пакета программ. Анализ численных результатов позволяет привести обобщенные оценки искажений, вносимых цилиндрическим укрытием в ДН исследуемых антенн. Наряду с перечисленными в 1-ой главе оценками, появляются следующие явления:

-разрушение главного лепестка ДН при несогласованном укрытии в зависимости от различных параметров укрытия электрической толщины слоя, диэлектрической проницаемости и радиуса укрытия для различных видов антенных решеток (Рис.2);

-эаплывание нулей ДН при несогласованном укрытии. Приводятся результаты исследования влияния цилиндрического укрытия

Влияние сдвига излучателя на ДН при согласованном укрытии различной толщины

ЕТ 0.50 -

с1=0.5Х,,тох=0.1983 _ с)=0.5Х„гр1=гр1=\>.гг1ах= с1-2.0Х.,тах-0.3284 <-••_♦ 6=2.0Х,,гр1=2р1=А<>.тох=0.4421 с=4,|?1 =2Х,,а=0о

чччччпчмчччмчмчччп

-90-80-70-60-50-40 -30 -20-10 0 )0 20 30 40 50 60 70 80 90

ТЕГ Рис. 2.

(град)

Влияние электрической толщины укрытия на ДН линейной решетки элементов Гюйгенса

Рис. 3.

-15-

на ДН элементарного излучателя в зависимости от его расположения и ориентации по отношению к укрытию (Рис.3).

В третьей главе в строгой электродинамической постановке решается задача об учете влияния многослойного сферического укрытия на ДН системы элементарных излучателей (РисЛ.в). Для разработки математической модели произвольного источника, расположенного под сферическим укрытием выражаем поперечные составляющие полей через потенциалы Дебая и действуем по разработанной методике - используем разложение по полному набору собственных функций сферической задачи. Получаем, как и в плоском случае, два независимых дифференциальных уравнения 2-ого порядка для спектральных плотностей введенных потенциалов. Решение этих уравнений с

учетом граничных условий позволит получить интересующие нас поперечные составляющие полей. Как и в 1-ой главе формулировка граничной задачи и ее решение производятся в терминах теории четырехполюсников. Выводится матрица передачи сферического слоя, которая по аналогии с плоским случаем связывает спектральные плотности на верхней и нижней границе слоя. Элементы

матрицы передачи электрического и магнитного тагов связаны следующим образом :

[¡км] = 1

С"

с

(9)

»-означает замену е^ на и наоборот (аналогично формуле (3)). Выражения для элементов матрицы [А^] приводятся. Суммарная матрица передачи [А^] находится перемножением матриц передачи отдельных слоев. В дальней зоне используется асимптотика сферических функций. ДН произвольных источников с учетом влияния сферического укрытия :

еГ1коН —-2. - 1тФ с е ЭР"1 (ООЗ-0 ) *

Е^н.Ф.о^ —1Х(1)ПХ> {Ч,*нст.—а*-

п=0

м Р™ (соз'в ) м -V

"!га "ист.-ЕТЙГ )

(Ю)

® " -(тф. « Рт(соз1Э) к

У Н.Ф.«>=—Г" ' > Т" Г-1««.!т

п=0 т=-п

м м ЭР™(ооа-вК

где - коэффициенты влияния, находящиеся по формулам :

Р*=«/ДЕ ; (II)

"с^иотТ и 'С-П ~~ функции источников, содержащие интегралы по объему, в котором заключены сторонние источники, Р™(оовЗ) присоединенные функции Лежандра.

• { ""а. } 5 (12>

Л- = 0;(н10){ ИА-12?;(Нмо) } + и»„ <к,0 >.

■ } (")

Где £„(Н)= (П)У 1®/2, фп(Н)=^>1/2(к)-/та/2' - сферические

Функции Бесселя и Ханке ля 2-ого рода, А^" - элементы суммарной матрицы передачи сферического укрытия, нормированный на

волновое число ко внешний радиус укрытия (коИм). Проводится верификация полученных формул при больших радиусах укрытия путем поэтапного сравнения с математической моделью плоского укрытия. Выводятся формулы для расчета ДН элементарного излучателя (элемента Гюйгенса, электрического и магнитного диполя), произвольно расположенного и произвольно ориентированного по отношению к сферическому укрытию, содержащие суммирование по двум переменным пи ш. Однако, используя теорему сложения для присоединенных функций Лежандра, оказывается возможным перейти к суммированию по одной переменной п, поскольку введенные нами коэффициенты влияния не зависят от переменной ш. Создан пакет программ, реализующий выведенные формулы, а также осуществляющий поэлементное суммирование ДН отдельных излучателей с заданным амплитудно-фазовым распределением вдоль антенной решетки. Анализ численных результатов позволяет привести обобщенные оценки искажений, вносимых сферическим укрытием в ДН антенн в дополнение к приведенным в I и 2 главе :

- зашшвяние нулей в ДН антенной решетки при согласованном и несогласованном укрытии ;

- разрушение ДН антенной решетки при приближении ее размеров к радиусу сферического укрытия.

Проведено исследование возможности повышения радиопрозрачности

-т7-

сферического укрытия путем подбора слоев с различными е и толщинами, рассчитанными в соответствии с теорией фильтров. Когда ДН ищется в пл.юх такой подход к выбору параметров укрытия дает хорошие результаты для элемента Гюйгенса, расположенного в центре системы или смещенного по оси У и неприменим для смещенного по оси X источника.

Показано, что даже при однослойном согласованном сферическом укрытии искажения в ДН линейной решетки значительны в отличие от случая плоского и цилиндрического укрытия. Искажения тем больше, чем больше в антенной решетке элементов, расположенных на расстоянии > 1/2 Ну (фокус параболы, аппроксимируемой сферой). Рис.4 показывает как меняется ДН элемента Гюйгенса при его расположении до фокуса (пунктирные линии), в фокусе (сплошные линии) и за ним (пунктирные линии большей длины). При сдвиге источника меньшем 1/2 происходит только сдвиг максимума ДН, при дальнейшем смещении в ДН появляется 2-ой максимум, который растет при увеличении сдвига от начала координат. При увеличении радиуса сферы эффект искажения ДН за счет сдвига за фокус растет. Именно этот эффект проявляется в разрушении ДН линейной решетки с учетом сферического укрытия (Рис.5).

В заключении Сформулированы основные результаты

диссертационной работы. Отмечены возможности использованного подхода, позволяющего рассматривать :

-различную структуру слоистой среды : плоскую, сферическую, цилиндрическую ;

-различную структуру и ориентацию источников ;

-формирование полей в дальней зоне (фазовые, амплитудные и поляризационные характеристики) , в ближней и промежуточной зонах ; -влияние слоистой среды на фокусировку электромагнитного поля . Отмечено, что предлагаемый подход в принципе позволяет учесть и потери в укрытиях, что однако связано с удлинившем времени счета специальных функций от комплексных аргументов. Но при этом следует учитывать, что в рассмотренных задачах основным эффектом, вызывающем потери при прохождении сигнала через укрытие является отражение на границах материалов с высокими значениями относительной диэлектрической проницаемости, в то время как омические потери оказываются меньшими из-за незначительной толщины слоев с высоким значением tg 0.

-15-

Влияние сдвига излучателя на ДН элемента Гюйгенса при согласованном укрытии

Рис. 4.

Влияние радиуса сферического укрытия на ДН линейной решетки элементов Гюйгенса

Рис. 5.

Сформулированы достоинства подхода :

-адекватное описание широкого класса источников (вибраторные, щелевые, апертурные, отверстия в экране различной формы) ; -возможность точного учета параметров отдельных слоев, в том числе и проводящих свойств ;

-возможность аналитической проверки формул в предельных случаях, что уменьшает вероятность ошибок при создании алгоритма ; -отсутствие методических ограничений на размеры и число слоев укрытия ;

-возможность сравнения с геометрооптическим подходом в предельных случаях ;

-возможность распространения результатов, полученных для структур определенных классов (плоские, сферические цилиндрические), на слоистые структуры с произвольными геометриями, но большими радиусами .

В Приложении I приведено краткое описание пакета прикладных программ для расчета ДН антенной решетки элементарных излучателей с учетом влияния плоского, сферического и цилиндрического укрытия.

В Приложении 2 приведен акт внедрения результатов диссбтрационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана единая методика, позволяющая учитывать влияние многослойных диэлектрических укрытий различной конфигурации на характеристики излучения антенн. На ее основе созданы 3 математические модели излучения произвольных источников, расположенных под диэлектрическим укрытием плоской, сферической и цилиндрической формы.

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, что позволяет моделировать реальные антенны и

конечные антенные решетки.

4. Исследовано влияние укрытий различной формы на элементарный излучатель в зависимости от его расположения и ориентации по отношению к укрытию.

5. Разработанные алгоритмы реализованы в виде пакета прикладных программ для 3-х видов укрытий.

6. На основе анализа численных результатов исследовано влияние различных параметров диэлектрического укрытия и его формы, а также, геометрии линейных и плоских антенных решеток на ДН.

7. Сформулированы обобщенные оценки искажений ДН, вносимые укрытиями различной формы.

8. Исследованы возможности повышения радиопрозрачности укрытий 3-х конфигураций в диапазоне углов сканирования путем подбора слоев с разной толщиной и диэлектрической проницаемостью.

1. Бодров В.В., Суркова И.В. Расчет ДН излучателей с различной поляризацией с учетом влияния многослойного цилиндрического обтекателя // Перспективы развития антэнно-фидврной техники и ее элементной базы: Тезисы докл.Всесоюзн.науч.-техн.конф. .Суздаль,28 сентября - 2 октября - Суздаль, 1992 - с.108

2. Бодров В.в., Суркова И.В. Расчет ДН излучателей с различной поляризацией с учетом влияния многослойных обтекателей плоской, сферической и цилиндрической формы //Распространение и дифракция электромагнитных волн в неоднородных средах : Тезисы докл.науч.-техн.семинара, Смоленск, 1992 - с.42-43.

3.Бодров В.В., Суркова И.В. Влияние многослойного цилиндрического укрытия на ДН антенной решетки, произвольно расположенной но отношению к укрытию //Распространение и дифракция электромагнитных В"лн в неоднородных средах : Тезисы IV Международной научно -технической конференции, Вологда, 1994 - с.51-52.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТШЕ ДИССЕРТАЦИИ

Подшигп I Кч. л.

Типография МЭИ, Кр.'1гш)к;мар.\Н'}ж.чя. 13