Технические науки/6

Дгали М.М.

Белорусский государственный университет

информатики и радиоэлектроники, Республика Беларусь

Рассеяние поля зеркальными антеннами

1. Введение

Рассеивающие свойства антенны представляют интерес с точки зрения организации противолокационной защиты. Например, в узлах связи, снабженных многими антеннами, или на современных самолетах и кораблях вклад в эффективную площадь рассеяния (ЭПР) составляет поле, рассеянное антеннами [1, 2]. В проволочных антеннах максимум поля рассеяния может в пространстве совпадать с направлением на источник облучающей волны [3-5]. Это существенно демаскирует объект, на котором стоит антенна. Зеркальные антенны также широко применяются в различных радиосистемах, включая радиолокационные, радионавигационные и связные системы.

Характеристики рассеяния зеркальных антенн рассмотрены в литературе недостаточно. Несмотря на большое количество работ, посвященных исследованию характеристик рассеянию различных радиолокационных объектов, опубликовано немного работ, посвященных исследованию характеристик рассеяния антенн без связи с конкретными типами антенн [6-17]. Работы [18-20] посвящены вибраторным и рамочным антеннам и антенным решеткам таких антенн. Зеркальным антеннам посвящен параграф в монографии [21]. При исследовании использован строгий метод интегральных уравнений. Рассмотрена зеркальная антенна с параболоидом полного профиля без учета облучателя. В литературе не рассмотрены рассеивающие свойства зеркальной антенны типа «Оффсет».

В настоящей статье приводятся результаты численного моделирования характеристик рассеяния однозеркальной антенны с параболическим рефлектором. Рассматриваются зеркальная антенна с параболоидом полного профиля и рефлектором типа «Оффсет». Исследуются однопозиционная и двухпозиционная диаграммы рассеяния, их зависимости от геометрических параметров антенны, влияние облучателя на характеристики рассеяния. Для моделирования используется оригинальная программа Ref_ZZ, описанная в работе [22], и известная коммерческая программа FEKO.

2. Постановка задачи

Схематически антенна показана на рис.1. Далее используются обозначения (см. рис.1): Dx, Dy – диаметры рефлектора по осям X,Y; Fp – фокусное расстояние рефлектора; Ah, Bh, Lh – размеры раскрыва рупора облучателя в плоскостях Е и Н и его длина; GoX – угол между осью рупора и фокальной осью рефлектора; Ymin. – расстояние от фокальной оси рефлектора до центра раскрыва несимметричного рефлектора. На рис.1 фокальная ось совпадает с осью Z. Антенна облучается электромагнитной волной (ЭМВ), распространяющейся из дальней зоны под углом Qq по отношению к фокальной оси рефлектора. Поле рассеяния рефлектора рассчитывается в дальней зоне как функция угла наблюдения Qp. Диаграмма рассеяния (ДР) рассматривается как зависимость ЭПР антенны в направлении Qp.

Для удобства оценки эффективной площади рассеяния обычно ДР рассматривается в единицах ЭПР – в квадратных метрах и нормируется к одному квадратному метру. Отношение ЭПР/1 м² выражается в децибелах. Эта единица обозначается символом «dBm^2» (или «дБм^2»). ЭПР выражается через амплитуду поля рассеяния в точке наблюдения известной формулой и обозначается символом :

, (1)

где - амплитуда поля рассеяния в точке наблюдения;

- амплитуда поля источника в точке расположения объекта рассеяния;

R – расстояние между объектом рассеяния и точной наблюдения.

Формула (1) использована в программе Ref_2Z.

Углы Qp и Qq показаны на рис.2. В двухпозиционной ДР задается некоторый угол облучения Qq и рассматривается зависимость ЭПР(Qp). В однопозиционной ДР рассматривается зависимость ЭПР(Qp) при условии Qp= Qq.

Рис.1. Схема зеркальной антенны с несимметричным рефлектором

Рис.2. Антенна в системе координат

Далее приводится ряд примеров расчета диаграммы рассеяния в двух программах и обобщенные результаты. В обеих программах моделируется антенна с вертикальной поляризаций (плоскость Е – это плоскость YZ, плоскость Н – это плоскость XZ).

3. Результаты численного моделирования

Далее основные закономерности рассматриваются на примере антенны с параметрами =Dp=400 мм, =200 мм на частоте =10 ГГц при разных YYmin. Размеры рупора облучателя выбраны такими, при которых в режиме передачи уровень облучения края рефлектора равен 0,3 от максимума в центре.

На рис.3 приведен ряд диаграмм рассеяния при разных углах облучения рефлектора без учета облучателя. Расчеты сделаны в программе Ref_ZZ для антенны с выше указанными параметрами. Как видно, максимум поля рассеяния ориентирован в направлении распространения облучающей ЭМВ, т.е. угол Qp отличается от угла Qq на 180°. Уровень поля рассеяния в направлении, обратном направлению распространения облучающей волны, на 20-30 дБ меньше максимума.

Для оценки уровня рассеяния в обратном направлении удобно использовать диаграмму обратного рассеяния (или однопозиционную диаграмму рассеяния). На рис.4 показана однопозиционная диаграмма рассеяния, т.е. зависимость ЭПР в направлении, обратном направлению распространения облучающей ЭМВ. Из рис. 3а и рис.4 следует, что при облучении, например, под углом Qq=0 ЭПР в обратном направлении равна 5 дБм^2, а по направлению распространения облучающей ЭМВ равна 25 дБм^2.

О степени достоверности полученных с помощью программы Ref_2Z результатов можно судить по сравнению их с результатами, полученными в программе FEKO. На рис.5 представлена часть результатов, полученных в двух программах. Расчеты сделаны без учета облучателя.

(a) Qq=0

(b) Qq =45°

(с) Qq =90°

Рис. 3 – Двухпозиционная диаграмма рассеяния

Рис. 4. Однопозиционная диаграмма рассеяния

(a) FEKO (b) Ref_2Z

Рис. 5. Двухпозиционная диаграмма рассеяния рефлектора

зеркальной антенны в плоскости Е

Параметры антенны: Dp=400 мм, Fp=200 мм, частота =10 ГГц,

угол облучения Qq =0

На рис. 6 показана двухпозиционная диаграмма рассеяния, рассчитанная в программе FEKO. Этот рисунок надо сравнить с рис.3b.

На рис.7 показаны однопозиционные диаграммы рассеяния, рассчитанные в двух программах без учета облучателя.

Рис. 6. Двухпозиционная диаграмма рассеяния, рассчитанная

в программе FEKO

Параметры антенны: Dp=400 мм, Fp=200 мм,

частота =10 ГГц, угол облучения Qq =45°

FEKO Ref_ZZ

Рис. 7. Однопозиционная диаграмма рассеяния рефлектора

с параметрами Dp=400 мм, Fp=200 мм, частота =10 ГГц

Из сравнения результатов следует, что при облучении рефлектора перпендикулярно плоскости раскрыва различия ЭПР в максимуме диаграммы рассеяния, полученные в двух программах, отличаются на доли децибела. Различия ЭПР в обратном направлении составляют несколько децибел, но это на уровне примерно -30 дБ по сравнению с максимумом. Необходимо отметить, что без учета облучателя обе программы решают задачу примерно за одно и то же время.

Однопозиционная ЭПР при облучении рефлектора вдоль фокальной оси (при Qq=0)) зависит от величины YYmin и от отношения фокусного расстояния к диаметру рефлектора. Для иллюстрации на рис. 8 показаны двухпозиционные ДР при разных значениях YYmin. Справа на рисунках показаны рефлекторы при указанных YYmin.

(a) YYmin=0

(b) YYmin=0,5Dp

Рис.8. Однопозиционная ДР антенны типа «Оффсет»

Из рис.8 и других результатов следует, что при увеличении YYmin от 0 до 0,75 Dp значение однопозиционной ЭПР уменьшается с 6 дБм^2 до -18 дБм^2, т.е. на 24 дБ.

Этот эффект можно было бы использовать для уменьшения радиолокационной заметности объектов, на которых устанавливаются зеркальные антенны, например зенитных ракет с головкой самонаведения. Однако однопозиционная ЭПР при угле облучения Qq=0 существенно возрастает при учете облучателя. Поэтому реализовать ранее указанную возможность уменьшения ЭПР за счет увеличения YYmin можно, покрыв снаружи рупор облучателя поглощающим материалом.

Зависимость двухпозиционной ДР от отношения Fp/Dp при Dp=400 мм на частоте 10 ГГц иллюстрируют рис.9, 10.

Fp/Dp=0,75 Fp/Dp=0,5

Fp/Dp=0,25 Fp/Dp=0,125

Рис.9. Двухпозиционные ДР при разных значения Fp/Dp при Dp=400 мм

Как видно, с увеличением глубины рефлектора однопозиционная ЭПР при нулевом угле облучения уменьшается. Этот эффект также может быть использован для уменьшения радиолокационной заметности.

Рис.9. Зависимость однопозиционной ЭПР при угле облучения Qq=0 от отношения фокусного расстояния к диаметру зеркала

Все предыдущие результаты получены для зеркальной антенны без учета облучателя. Последующие рисунки иллюстрирую влияние облучателя на диаграмму рассеяния. Результаты получены с помощью программы FEKO.

Закономерности иллюстрируются на примере антенны с параметрами Dp=400 мм, Fp=200 мм на частоте =10 ГГц. Облучатель – пирамидальный рупор, обеспечивающий в режиме передачи уровень подставки в амплитудном распределении на поверхности рефлектора, равном 0,3 (соответствует максимуму КНД). На рис.10 показаны двухпозиционные диаграммы рассеяния при облучении рефлектора навстречу фокальной оси (угол облучения равен Qq=0) для двух случаев; а – облучатель нагружен на согласованную нагрузку, b – облучатель нагружен на короткое замыкание.

На рис.11 показаны аналогичные диаграммы рассеяния при угле облучения Qq =45°.

Аналогичные приведенным получаются результаты при других параметрах антенны.

(a) – нагрузка согласована (b) – нагрузка короткое замыкание

Рис. 10. Влияние облучателя на диаграмму рассеяния

зеркальной антенны при угле облучения Qq =0

(a) – нагрузка согласована

(b) – нагрузка короткое замыкание

Рис. 11. Влияние облучателя на диаграмму рассеяния

при угле облучения Qq =45°

4. Заключение

Из проведенных исследований следуют выводы:

1. Максимум двухпозиционной диаграммы рассеяния зеркальной антенны ориентирован всегда по направлению распространения облучающей волны.

2. Однопозиционная эффективная площадь рассеяния максимальна при углах облучения Qq=0 и 180° (облучение вдоль фокальной оси), минимальна при Qq=90° (облучение перпендикулярно фокальной оси).

3. При увеличении смещения несимметричной вырезки из параболоида с фокальной оси (при увеличении YYmin в антенне типа «Оффсет») уменьшается однопозиционная эффективная площадь рассеяния при угле облучения Qq=0 и 180°.

4. При угле облучения Qq =0 облучатель существенно изменяет диаграмму рассеяния только в переднем полупространстве. В частности при указанных выше параметрах антенны однопозиционная ЭПР возрастает почти на 20 дБ.

5. При угле облучения Qq >0 структура диаграммы рассеяния в переднем полупространстве за счет влияния облучателя изменяется, но максимальный уровень ЭПР в этом полупространстве почти не меняется.

6. Диаграмма рассеяния в переднем полупространстве практически не зависит от нагрузки рупора облучателя. Это значит, облучатель изменяет диаграмму рассеяния зеркальной антенны за счет структурной составляющей поля рассеяния на рупоре облучателя (излучение токов проводимости на внешней поверхности рупора). Антенная составляющая поля рассеяния облучателя и поля рассеяния всей зеркальной антенны за счет отражения волны от нагрузки облучателя почти не влияет на суммарное поле рассеяния.

Литература

1. Еремин В.Б., Панычев С.Н. Характеристики рассеяния антенн и фазированных антенных решеток. // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. − № 8. − 1997. сс. 61-70.

2. Михайлов Г.Д., Сергеев В.И., Соломин Э.А., Воронов В.А. Направления и перспективы создания малозаметных антенных систем. // Тез. долк. научн.-техн. конф. «Направления развития систем и средств радиосвязи». − Воронеж: ВНИИС. −1993. сс. 58-64.

3. Юрцев О.А., Аль-Рифаи А., носков В.В., Барцевич А.В. Характеристики рассеяния директорной антенны. // Вестник Военной академии Республики Беларусь, −№ 2(11), −2006. сс.42-46.

4. Юрцев О.А., Аль-Рифаи А, Ю.Ю.Бобков Эффективная площадь рассеяния многоэлементных линейных антенных решеток вибраторных антенн. // Доклады БГУИР, −№3 (15). −2006, сс.44−47.

5. Юрцев О.А., Аль-Рифаи А Характеристики рассеяния малоэлементных линейных антенных решеток директорных антенн. Доклады БГУИР, −№1 (17). −2007, сс.18−22.

6. Гладышев А.К., Иванкин Е.Ф., Панычев С.Н. Экспериментально-расчетная модель оценки характеристик рассеяния апертурных антенн. // Метрология. −1993. −№ 11-12. сс.24-28.

7. Сазонов Д.М., Школьников А.М. Рассеяние электромагнитных волн нагруженной антенной решеткой. // Радиотехника и электроника. −1974. −№ 4. сс.689-686.

8. Сазонов Д.М. Теория антенных решеток произвольной геометрии. Докторская диссертация, 1970.

9. Сазонов Д. М. Основы матричной теории антенных решеток // Сб. научно-методических статей по прикладной электродинамике. – М., 1983. – Вып. 6. ‑ сс. 111-120.

10. Яскевич В.Э., Рунов А.В. О связи излучательных и отражательных характеристик антенн. // Электроника. 1986. −№ 15. СС. 57−60

11. Midgley D. A Theory of Receiving Aerials applied to the reradiation of an Electromagnetic Horn. // Proc. Inst. Electr. Eng. −1981. −V.108 pt-B. −№ 42. pp. 645-650.

12. Воропаев Ю. П. Матрица рассеяния произвольной антенны и свойства построенной на ее основе модели антенны. //Радиотехника и электроника. −1994. −Т. 39. −№4. −сс. 583-592.

13. Воропаев Ю. П. Матрица рассеяния антенны. // Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника: издание национального технического университета Украины «Киевский политехнический институт». – 1997. −№ 2. −сс. 48 – 66.

14. Воропаев Ю. П. Новая S-матрица антенны // Весцi АН Беларусi. Сер. фiз.-тэхн. навук. −1996. −№ 3. −сс. 81-89.

15. Воропаев Ю. П., Носков В.В., Сидоренко С.Т., Никипелов . Характеристики и параметры поля рассеяния минимально рассеивающих антенн. //Весцi АН Беларусi. Сер. фiз.-тэхн. навук. −1997. − № 1. −сс. 70‑78.

16. Воропаев Ю.П. Влияние нагрузок антенны на ее поле рассеяния. //Радиотехника и электроника. −1997. −Т. 43. −№1. −с. 92-94.

17. Воропаев Ю. П. Принимаемая, поглощаемая и рассеиваемая антенной мощности // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. −2000. −Т. 3. −№ 2. −сс.45-51.

18. Юрцев О.А., Аль-Рифаи А., носков В.В., Барцевич А.В. Характеристики рассеяния директорной антенны. // Вестник Военной академии Республики Беларусь, −№ 2(11), −2006. сс.42-46.

19. Юрцев О.А., Аль-Рифаи А, Ю.Ю.Бобков Эффективная площадь рассеяния многоэлементных линейных антенных решеток вибраторных антенн. // Доклады БГУИР, −№3 (15). −2006, сс.44−47.

20. Юрцев О.А., Аль-Рифаи А Характеристики рассеяния малоэлементных линейных антенных решеток директорных антенн. Доклады БГУИР, −№1 (17). −2007, сс.18−22.

21. Рассеяние электромагнитных волн воздушными и наземными радиолокационными объектами. /Под редакцией Сухаревского О.И. –Харьков. –Харьковский университет Воздушных сил им. И.Кожедуба..- 2009, - 466 с.

22. Юрцев О.А. Эффективная программа для численного моделирования зеркальных антенн. //Материалы V11 международной научно-практической конференции «Wyksztalcenie I nauka bez granic -2011», 07-15 grudnia 2011 roku. –Volume 29. –Techniezne nauki. –Fizyka, pp. 31-37.