научный журнал «Актуальные исследования» #5 (84), февраль '22

Возможности антенных переизлучающих структур по преобразованию проходящих электромагнитных полей

В статье рассматриваются возможности преобразования проходящих электромагнитных полей переизлучающими структурами различных конструкций. Предложен расчет характеристик радиопрозрачности периодической решетки с эквивалентными ячейками в составе структуры.

Аннотация статьи
электромагнитное поле
ячейка
антенна
переизлучающая структура
решетка
Ключевые слова

Функциональная устойчивость радиосистем зависит от антенных систем, которые непосредственно взаимодействуют с окружающей средой. Применение радиопрозрачных укрытий и обтекателей летательных аппаратов позволяет обеспечить защиту устройств от внешних воздействующих факторов. Защитная оболочка создает дополнительные искажения проходящих электромагнитных полей (ЭМП) и влияет на радиотехнические характеристики радиосистем в целом. Применение радиопрозрачных антенных переизлучающих структур позволяет обеспечить защиту антенн и реализовать пространственно-многоканальные информационные системы. Структура представляет систему пассивную антенных решеток, связанных попарно линиями передач, проходящими в отверстиях токопроводящей несущей поверхности. Перфорация экрана выполнена эквидистантно расположенными отверстиями малого диаметра, по сравнению с рабочей длиной волны антенн. Элементы пассивных решёток попарно соединены между собой линиями передач, проходящими внутри отверстий и реализующими согласование элементов ячейки (рис.1).

 

а) одинаковые решетки вибраторного типа над токопроводящим экраном,
б) совмещенные решетки микрополосковых антенн различного диапазона,
в) управляемые решетки микрополосковых антенн различной поляризации
Рис. 1. Варианты конструкций переизлучающих структур

При падении ЭМП на стенку оболочки в переизлучающих элементах наводятся токи, которые посредством линий передач возбуждают элементы другой системы излучателей и образуют новое поле.

Экран представляет токопроводящую поверхность в виде металлизированного покрытия или сетки с размерами ячейки значительно меньшими рабочей длины волны. Переизлучающие ячейки могут быть образованы сочетанием излучателей различных конструкций: вибраторы, спиральные антенны, микрополосковые антенны на подложке и т.д. Рабочий частотный диапазон переизлучающей структуры, поляризационные характеристики во многом определяются исполнением отдельных ячеек. Структуры, с удовлетворительными характеристиками радиопрозрачности, должны обладать волновым согласованием элементов решеток, размещенных в периодической системе. Для расширения частотной полосы пропускания возможно совместное применение дополнительных настроенных излучающих решеток. Конструкция широкополосной и управляемой структуры представлены на рис. 1б, в.

В общем случае внешние и внутренние элементы структуры могут иметь значительные конструктивные различия. Обмен энергией возбуждения от одной решётки к другой осуществляется посредством линий передач, обеспечивающих согласование систем двух решёток, что позволяет применить дополнительные элементы и реализовать преобразование радиосигналов для расширения функциональных возможностей за счет:

  • введения в разрыв линий передач фазовращателей, создающих дополнительные задержки по ячейкам поверхности оболочки и регулярного фазового распределения. Изменение длины линий передач эквивалентно внесению дополнительного фазового распределения по ячейкам. Для волн с круговой поляризацией дополнительные распределения создаются поворотом спиральных антенн вокруг оси, при неизменной конструкции линий передач. Полученные по ячейкам распределения позволяют создавать фазовые корректоры проходящих волн, что эквивалентно линзовым системам;
  • выполнение стенки оболочки из изолированных токопроводящих слоёв позволяет формировать сигналы управления ячейками (рис.1в) на изменение поляризационных передаточных параметров элементов решеток;
  • введение в конструкцию переизлучающих ячеек светочувствительных элементов позволит реализовать гибридные антенны голографического типа, в которых управление реализовано световыми транспарантами;
  • использование ограничительных полупроводниковых приборов позволяет реализовать защиту радиосистем расположенных внутри оболочки от воздействий ЭМП большой мощности. Опорное напряжение токопроводящих слоев определяет уровни ограничения наводок и зависит от параметров защитных приборов.

Радиотехнические характеристики структуры зависят от конструкции переизлучающих ячеек и согласования с импедансом окружающего пространства. Радиопрозрачность структуры предполагает согласование волновых сопротивлений антенных решеток с помощью линий передач.

Основные свойства структуры могут быть получены по результатам исследований передаточных характеристик эквивалентной переизлучающей ячейки, расположенной в периодической системе идентичных элементов, с применением теоремы Флоке. Переизлучающая ячейка характеризуется действующими сопротивлениями излучателей Z(1), Z(3) и линиями передач без потерь, с волновым сопротивлением Z(2). В качестве излучателей структуры рассмотрены вибраторные антенны, расположенные в узлах прямоугольной сетки dxdy над локально плоским проводящем экраном на высоте h.

Действующее входное сопротивление излучателя в решётке состоит из ZR активной и ZI реактивной составляющих 

Активное действующее сопротивление ZR(1,3) эквивалентного вибратора с размерами (ab) и в зависимости от углов сферической системы координат (Q, j) относительно плоскости размещения ячейки равно [2 с. 308]

Действующее реактивное сопротивление ZI(1,3) определяется выражением

где

Выражение для ZI содержит двойную сумму, которая в присутствии около решётки излучателей проводящего экрана обладает хорошей сходимостью.

Для практических расчетов индексы суммирования m и n по модулю не превышают значений в диапазоне от 2 до 6. Результаты расчётов сопротивлений для dx = 0,7×ldy = 0,7×l= 0,25×la= 0,5×lb= 0,25×l представлены на рис. 2. Определение комплексных сопротивлений излучателей позволяет рассчитать коэффициент передачи переизлучающей структуры, при постоянном волновом сопротивлении пространства Z(0) = 120𝜋.

а) активное сопротивление

б) реактивное сопротивление

Рис. 2. Зависимость активного и реактивного сопротивления эквивалентной переизлучающей ячейки от углов падения ЭМП

Эквивалентная схема структуры может быть представлена импедансом, распределенным между входными и выходными полюсами излучателей. Для нахождения радиопрозрачных свойств эквивалентной ячейки необходимо перемножить матрицы передачи стыков составных узлов переизлучающей структуры

Результирующая матрица передачи эквивалентной ячейки равна

Выражение характеризует передаточные характеристики эквивалентной ячейки переизлучающей структуры, состоящей в общем случае из разных по конструкции внешних и внутренних излучателей. Линии передач согласуют волновые сопротивления излучающих элементов структуры и позволяют создавать дополнительные фазовые распределения по элементам оболочки. Конструкция проходного корректора фазового фронта обеспечивает реализацию гибридных диаграммообразующих антенн. Значения действующих сопротивлений зависят от направления падения ЭМП относительно нормали к плоскому раскрыву эквивалентной переизлучающей ячейки радиолинзы. Для секторов (Q, j) от 30 до 60 град величина действующих сопротивлений остается практически постоянной, что определяет функциональные возможности структуры по преобразованию поля

Более строгий анализ учитывает различия величин Z(1)Z(3), которые зависят от длины волны и угловых координат падающих волн на ячейки структуры.

Применение радиопрозрачных структур в радиосистемах позволяет реализовать защиту антенн и аппаратных средств от воздействий окружающей среды. При отсутствии потерь в решетках структуры и согласовании волновых сопротивлений расчетное значение модуля коэффициента радиопрозрачности находится в диапазоне от 0,8 до 0,95. Для плоских решеток согласованных печатных антенн с числом ячеек 10×10 экспериментально был получен коэффициент 0,85 для длины волны 3 ГГц, при полосе пропускания 4%. Внесение дополнительных регулярных фазовых распределений по ячейкам структуры позволяет создавать многоканальные диаграммообразующие антенны информационных радиосистем.

Текст статьи
  1. Каплун В.А., Большунов В.Ю. Динамически прочный радиопрозрачный материал на базе переизлучающих структур. М.: Радиотехника, 2001. № 10, С. 37-45.
  2. Сканирующие антенные системы СВЧ. Том 2. Перевод с англ. Под редакцией Г.Т. Маркова, А.Ф. Чаплина. М.: Сов. Радио, 1969. 496 с.
Список литературы
Ведется прием статей
Прием материалов
c 02 июля по 08 июля
Осталось 2 дня до окончания
Публикация электронной версии статьи происходит сразу после оплаты
Справка о публикации
сразу после оплаты
Размещение электронной версии журнала
12 июля
Загрузка в eLibrary
12 июля
Рассылка печатных экземпляров
22 июля