СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
2. РАССЕЯНИЕ ВОЛНЫ НА РЕШЕТКЕ ПЛОСКИХ ПОЛУБЕСКОНЕЧНЫХ ВОЛНОВОДОВ
2.1. Постановка задачи
2.2. Диаграммы направленности и рассеяния решетки
2.3. Вывод интегральных уравнений
2.4. Поле нити магнитного тока над однородной импедансной плоскостью
2.5. Поле нити магнитного тока в плоском полубесконечном волноводе
2.6. Характеристики излучения и рассеяния решетки полубесконечных волноводов
2.7. Параметры бесконечной решетки плоских волноводов в режиме излучения
2.8. Параметры конечной решетки плоских волноводов в режиме излучения
2.9. Рассеяние Е-поляризованной волны на плоском волноводе
2.10. Рассеяние Е-поляризованной волны на решетке плоских волноводов
2.11. Выводы
3. РАССЕЯНИЕ Н-ПОЛЯРИЗОВАННОЙ ВОЛНЫ НА НАГРУЖЕННОЙ РЕШЕТКЕ ПЛОСКИХ ВОЛНОВОДОВ
3.1. Постановка задачи
3.2. Интегральные уравнения для полей решетки нагруженных волноводов
3.3. Поле нити магнитного тока в плоском нагруженном
волноводе
3.4. Характеристики рассеяния бесконечных решеток нагруженных волноводов
3.5. Характеристики рассеяния конечных решеток нагруженных волноводов
3.6. Выводы
4. АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК РАССЕЯНИЯ РЕШЕТКИ ВАН-АТТА
4.1. Постановка задачи
4.2. Диаграммы рассеяния решетки Ван-Атта
4.3. Интегральные уравнения для решетки Ван-Атта из плоскопараллельных волноводов с идеально проводящим фланцем
4.4. Поле вспомогательного источника во внутренней области волноводов
4.5. Интегральные уравнения для решетки Ван-Атта, элементы которой разделены полубесконечными волноводами
4.6. Приближенное решение задачи рассеяния плоской волны на линейной решетке Ван-Атта
4.7. Результаты численных исследований решеток Ван-Атта
4.8. Выводы ЗАКЛЮЧЕНИЕ ЛИТЕРАТУРА
ВВЕДЕНИЕ
4
Анализ состояния существующих и разрабатываемых перспективных разведывательных систем говорит о том, что радиолокационные системы (РЛС), установленные на летательных аппаратах (ЛА) [1,2,3,], вертолетах [1,4] и беспилотных летательных аппаратах (БПЛА) [2,5], имея наибольшую дальность обнаружения, способность работать в любое время суток и любых погодных условиях являются основным средством дальнего обнаружения целей. Поэтому [1], [6, 7] в странах НАТО, особенно в США, повышенное внимание уделяется исследованиям по снижению заметности объектов вооружения и военной техники (ВВТ) во всех спектральных диапазонах: оптическом, тепловом и радиолокационном (РЛ). Причем приоритетное значение придается средствам дальнего обнаружения — радиолокационным, таким, например, как система радиолокационного наблюдения и целеуказания Joint STARS (Joint Surveillance and Target Attack Radar System) [8], в которой использована низкочастотная сверхширокополосная (20-^90 МГц) РЛС Carabas с синтезированной апертурой SAR (Synthetic Aperture Radar).
Комплексная программа "Стеле”, созданная в своё время для разработки технологии снижения радиолокационной заметности (РЛЗ) воздушных целей, в последние годы [9] во всем мире продолжена практически на все новые объекты ВВТ. Она предусматривает проведения ряда исследовательских, конструкторских и технологических работ, направленных в первую очередь на снижение радиолокационной заметности (РЛЗ) конкретных защищаемых объектов посредством совершенствования форм их наружной поверхности, устранения "блестящих точек" и применения специальных радиопоглощающих покрытий (РПП) и конструкционных материалов [10]-[12]. Снижение РЛЗ прямо связано с уменьшением ЭПР объекта. Поэтому
программа "Стеле" предусматривает снижение ЭПР самолетов до 0,001 -
2 ,
0,01м . При этом, американские специалисты считают, что имеются практи-
5
ческие возможности достижения такого уровня ЭПР. А это позволит создать полностью "невидимый” самолет на определенной дистанции от РЛС [13].
ВВС США уже в конце 1988 г. сообщило о разработке по этой технологии двух бомбардировщиков В-2 и истребителя F-117A, не обнаруживаемых обычными радиолокаторами СВЧ-диапазона [9]. Усредненная по ракурсу ЭПР истребителя F-117A находится, как полагают [14], в пределах 0,001- 0,01 м2. Добиться таких параметров "стелс"-самолетов удалось в результате решения следующих основных технических проблем:
• размещение двигателей внутри элементов конструкции самолета;
• уменьшение площади поперечного сечения самолета;
• внутренняя подвеска оружия;
• ликвидация вертикального оперения;
• создание адаптивной многофункциональной антенной системы с управляемым минимумом диаграммы направленности (для уменьшения влияния помех), совмещающей три функции: глобальной системы навигации, объединенной системы тактической информации и системы распознавания "свой - чужой" [15];
• нанесение специальных покрытий на фонарь кабины лётчика.
Успехи программы "Стеле" [16] привели к существенному уменьшению дальности действия существующих средств обнаружения, слежения и классификации объектов, повышению эффективности средств радиоэлектронного противодействия (РЭП), что, в свою очередь, повлекло за собой необходимость создания нового поколения РЛС, позволяющих обнаруживать и распознавать "малозаметные" цели в условиях интенсивного радио-противодействия [8], [17]-[22]. Это, в свою очередь ведет к необходимости дальнейшего совершенствования средств противорадиолокационной маскировки объектов всех типов, которая и сегодня не перестает быть актуальной. Поэтому создаются [23] всё новые конструкции с ещё более совершенными характеристиками "скрытости" или "малозаметности" техники LO (Low observable) [И], причем её разработчики пытаются сделать “скрытость” более
6
практичной и экономически доступной, в том числе в экспортных изделиях. В настоящее время [24] в полномасштабной разработке находится боевой "малозаметный" самолет F-22, обладающий современным уровнем РЛЗ.
Таким образом, можно констатировать [11], что современная технология "Стеле" производства "малозаметных" объектов ВВТ позволяет создавать ЛА с ЭПР, сравнимой с ЭПР птиц и насекомых [22].
Современные образцы подвижной техники в силу своего функционального назначения имеют от единиц до сотен антенных устройств (АУ). Практика показывает, что бортовые антенные устройства на «Стелс»-объектах оказываются основными источниками высокой ЭПР в широком секторе углов и полосе частот [25]. Наибольшую ЭПР помимо широко используемых в стоящей на вооружении технике зеркальных антенн (ЗА) большой апертуры (антенны радиолокационного прицела, радиолокационного визира и т.п.) имеют также плоские многоэлементные фазированные антенные решетки (ФАР), которые широко используют на современных объектах и планируют применять в перспективных изделиях [26]. Вклад антенн в суммарную ЭПР объектов ВВТ может [27] составлять до 90 % при некоторых ракурсах наблюдения. Например, вклад антенн бортовых РЛС в интегральную ЭПР составляет от 10...20 % до 40...50% для самолетов тактической авиации, 30...90 % — для ракет с самонаведением в наиболее опасном секторе углов наблюдения — в передней полусфере. Для объектов, выполненных по технологии «Стеле», их вклад в общую ЭПР в области основного лепестка ДН может достигать 95%, а во всей передней полусфере — свыше 35%. Так, для ракет с самонаведением ЭПР антенны радиолокационного визирования диаметром 25см меняется от 0.1м2ч-0.7м2, на частоте 0.5ГГц, до 50м2-И00м2— на частоте 18ГГц [28], [29].
Это обстоятельство существенно затрудняет решение задачи противо-радиолокационной маскировки объектов ВВТ в комплексе. Так, по сообщениям [30]-г[32], выступающие антенные обтекатели и бортовые антенны увеличивают радиолокационную "заметность" истребителя F-117, что способст-
7
вовало его обнаружению средствами ПВО Саудовской Аравии в ходе испытаний. И как следствие — фирма ЬоскИеес! рассматривает вопрос о начале производства модернизированной серии истребителей Р-117 «Стеле» [30]*[32], где антенны радиолокационных и связных систем будут заменены конформной ФАР.
Вклад антенных систем в заметность наземных и морских объектов не меньше, чем у летательных аппаратов. Поэтому возникает насущная проблема разработки методов и средств уменьшения радиолокационной заметности бортовых антенн для всех видов объектов.
Таким образом, на современном этапе развития технологии "Стеле” без кардинального решения задачи снижения РЛЗ антенн дальнейшая разработка "малозаметных" носителей является весьма проблематично. Вышесказанное позволяет считать снижение ЭПР существующих антенных устройств, обеспечение их радиомаскировки и создание новых антенн с уменьшенной РЛЗ актуальной задачей.
В свою очередь, для решения задачи снижения радиолокационной заметности антенных устройств, необходимы высокоэффективные методы анализа и синтеза их характеристик рассеяния. Следовательно, весьма актуальной является задача исследования характеристик рассеяния антенных систем с целью возможного снижения их ЭПР и использования их, например, в адаптивном режиме для решения задач снижения радиолокационной заметности объектов в целом. Причем, поскольку в настоящее время в радарах самолетов-истребителей применяются два основных вида антенн: щелевая антенная решетка (ЩАР) с механическим сканированием и фазированная антенная решетка (ФАР) с электронным управлением лучом антенны, особо актуальной является задача исследования РЛХ именно антенных решеток — как наиболее перспективных.
Одним из направлений противорадиолокационной маскировки объектов, создания ложных целей, постановки различного рода помех могут служить радиолокационные отражатели [33], в том числе с управляемыми ха-
8
рактеристиками [34], так называемые интеллектуальные покрытия или обшивки.
Радиолокационные отражатели используются на объектах для управляемого отражения или рассеяния электромагнитных полей и волн. Они применяются в различных областях техники: в радиолокации, навигации, метеорологии и др. В военных целях радиолокационные отражатели могут быть использованы для радиолокационной маскировки объекта, для создания радиолокационных помех и т.д.
В настоящее время наибольшее применение находят три вида искусственных отражателей [33]: уголковые отражатели; линзовые отражатели (на основе линзы Люнеберга); отражатели-антенны.
Большинство исследований в данной области направлено на улучшение основных функциональных характеристик отражателя, это: увеличение эффективной поверхности рассеяния; увеличение сектора «рабочих углов»; улучшение управления характеристиками рассеянного электромагнитного поля; возможность изменения различных параметров (частота, фаза, поляризация и т.д.) отраженной волны[33].
Как показывают исследования, антенные решетки имеют более широкую диаграмму рассеяния, чем уголковые радиолокационные отражатели.
Среди отражателей-антенн особое место занимает решетка Ван-Атта [35]. С момента своего появления в 1955г. Эти отражатели [33], в связи с их широкими возможностями по управлению сигналами, и по сей день, находят самое широкое применение [35] в радиолокации, навигации и связи [36]-[39].
Решетки Ван-Атта, построенные на антеннах, обладают всеми преимуществами последних. Они позволяют создавать радиолокационные объекты, которые способны управлять отраженным электромагнитным полем. В современных условиях это является весьма актуальной задачей.
Научных публикаций по данной теме мало, и поэтому возникают трудности при проектировании таких отражателей. В последнее время появляют-
9
ся публикации по использованию решеток Ван-Атта не только для монохроматических (узкополосных) сигналов, но и для ретродирективного (геичхНгесЙуе) переизлучения широкополосных импульсных сигналов [40]. Решетка Ван-Атта представляет большой интерес для прикладных целей. Тем более что в современных условиях существует необходимость создания управляемых радиолокационных устройств, обладающих все более уникальными свойствами.
Постоянно расширяющееся практическое использование решеток Ван-Атта требует углубленного анализа их характеристик излучения и рассеяния с учетом пространственного взаимодействия излучателей, составляющих решетку, возникновения в соединительных линиях передачи высших типов волн, длины трактов и т.д., что делает такие исследования актуальными.
Целью диссертационной работы является анализ характеристик излучения и рассеяния решеток плоских волноводов и отражателей на их основе; исследование возможности управления характеристиками рассеяния антенных решеток.
Для этого предполагается решить следующие основные задачи:
• анализ конечных и бесконечных антенных решеток плоских полубесконечных волноводов с импедансным фланцем;
• анализ конечных и бесконечных антенных решеток плоских волноводов конечной длины с импедансным фланцем, нагруженных на комплексные импедансные нагрузки;
• определение взаимосвязи между характеристиками излучения и рассеяния антенных решеток;
• исследование возможности управления характеристиками излучения и рассеяния антенных решеток с помощью комплексных импедансных нагрузок и поверхностного импеданса фланца;
• строгое и приближенное решение задач анализа двумерной модели
10
антенной решетки Ван-Атта, излучатели которой разделены идеально проводящим фланцем или полубесконечными волноводами;
• исследование возможности расширения рабочего сектора углов решеток Ван-Атта.
Научная новизна диссертационной работы определяется поставленными задачами, предложенными методами их решения и впервые полученными результатами:
• решена задача рассеяния (излучения) плоской волны на решетке плоских волноводов, нагруженных на комплексные импедансные нагрузки, с импедансным фланцем. За счет выбора вспомогательного поля удовлетворяющего в плоскости решетки и внутри волноводов тем же граничным условиям, что и искомое поле, задачу удалось свести к решению интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода относительно новой переменной, имеющей смысл вектора напряженности электрического поля, только в раскрывах излучателей;
• получена взаимная связь между характеристиками излучения и рассеяния решетки плоских волноводов при нормальном падении волны через поверхностный импеданс и КСВ;
• впервые найдены соотношения между поверхностным импедансом и сопротивлением нагрузки при нулевом рассеянии.
• впервые получено строгое решение задачи излучения и рассеяния двумерных решеток Ван-Атта, излучатели которых разделены идеально проводящими фланцами и полубесконечными волноводами;
• впервые получено приближенное решение задачи излучения и рассеяния двумерной решетки Ван-Атта;
• исследованы зависимости характеристик излучения и рассеяния решетки Ван-Атта от длины трактов, расстояния между раскрывами решетки, типами волн, распространяющихся в решетке;
11
• показана возможность расширения рабочего сектора углов отражателей на основе решеток Ван-Атта.
Достоверность полученных в работе результатов контролировалась совпадением предложенных строгих решений задач рассеяния с полученными асимптотическими оценками, проверкой сходимости решений их тестированием и физичностью результатов, и подтверждена совпадением численных данных с известными,
Практическая значимость результатов диссертационной работы.
Предложенные в диссертации методы электродинамического анализа характеристик излучения и рассеяния антенных решеток плоских волноводов, по-лубесконечных и нагруженных на комплексные импедансные нагрузки, имеющих общий однородный импедансный фланец, позволили получить взаимосвязь между основными параметрами АР в режиме излучения с её характеристиками рассеяния, определить характер их зависимости от параметров покрытия и нагрузок, выявить возможности по управлению их характеристиками с целью обеспечения снижения радиолокационной заметности. Строгое решение задачи рассеяния волны на решетке Ван-Атта, с учетом взаимодействия между излучателями и многомодовостью распространяющихся в волноводах полей, позволило найти пути значительного (в 5-гб раз) расширения рабочего сектора углов отражателя. Показана возможность управления уровнем рассеянного поля таких решеток. Результаты получены в процессе выполнения госбюджетных и хоздоговорных НИР, что подтверждено соответствующими документами.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Метод решения задачи электродинамического анализа характеристик излучения и рассеяния антенной решетки плоских волноводов,
12
нагруженных на комплексные импедансные нагрузки, с однородным импедансным фланцем;
2. Аналитическая взаимосвязь между характеристиками излучения и рассеяния решетки;
3. Результаты численных исследований характеристик решеток плоских волноводов, взаимосвязь их параметров с конфигурацией решетки и параметрами импеданса фланца и нагрузок;
4. Строгое и приближенное решения задачи рассеяния плоской волны на двумерных моделях решеток Ван-Атта с раскрывами, разделенными полубесконечными волноводами и идеально проводящим и фланцем;
5. Численные результаты анализа характеристик рассеяния решеток Ван-Атта и пути расширения их рабочего сектора углов.
Апробация диссертационной работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
1. 52 научная конференция студентов и аспирантов. (Таганрог, Россия, апрель 2005г.)
2. Дистанционная международная научная конференция «Оптимальные методы решения научных и практических задач». Таганрог, март -апрель 2005.
3. Международная конференция «Излучение и рассеяние ЭМВ — ИРЭМВ-2005» (Таганрог, Россия, июнь 20-25, 2005г.).
4. Международная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и ученых «Молодежь и современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2006». (Севастополь, Украина, апрель 17-21,2006г.).
5. Ultrawideband and Ultrashort Impulse Signals, 18-22 September, 2006, Sevastopol, Ukraine.
6. Международная научно-практическая интернет-конференция «Современные направления теоретических и прикладных
13
исследований ‘2007». Одесса, Украина, 15-25 марта, 2007 г.
7. 3-я Международная молодежная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и ученых «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2007». Севастополь, Украина, 16-21 апреля, 2007 г.
8. Международная научная конференция "Проблемы развития естественных, технических и социальных систем". Таганрог, ТТИ ЮФУ, март - апрель, 2007г.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 12 работ, в том числе 5 статей в центральных журналах и сборниках научных трудов и 7 статей и тезисов докладов в трудах Всероссийских и Международных научных конференций.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов и заключения. Она содержит 189 страниц машинописного текста, 110 рисунков и список использованных источников, включающий 52 наименования.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и определены методы исследований, показана практическая значимость и научная новизна полученных результатов, сформулированы основные положения и выводы, выносимые на защиту, а также представлено краткое содержание работы.
В первом разделе проведен обзор известных методов снижения радиолокационной заметности антенн и дан краткий анализ основных методов решения задач излучения и рассеяния антенных решеток, в том числе решеток Ван-Атта. Намечены направления дальнейших исследований.
Во втором разделе получено решение задачи рассеяния плоской волны на решетке плоских полубесконечных волноводов с импедансным
14
фланцем. Задача решена для конечных и бесконечных решеток. С помощью леммы Лоренца она сведена к решению одиночных или систем интегральных уравнений Фредгольма 1-го рода относительно вектора напряженности электрического поля в раскрывах излучателей и на импедансных участках фланца. Получена взаимосвязь между характеристиками излучения и рассеяния решеток. Исследованы зависимости коэффициента стоячей волны (КСВ) от геометрических параметров решетки и поверхностного импеданса фланца. Показано, что при идеально проводящем фланце для малого периода Т «X (где X - длина волны) КСВ в трактах бесконечной решетки равен отношению периода к размеру раскрыва излучателя. С ростом периода вплоть до X КСВ монотонно растет, достигая своего максимального значения при равенстве Г = Я, далее он также монотонно падает. При периоде, кратном длине волны наблюдаются всплески КСВ. Импеданс фланца приводит к росту КСВ при малых размерах периода Т«X. При Т > X характер (и величина) поведения КСВ остается неизменной при любом импедансе фланца. Исследована зависимость КСВ в трактах от угла сканирования луча решетки и величины и характера поверхностного импеданса. Приведены результаты численных экспериментов. Сделаны выводы.
Третий раздел посвящен решению задачи электродинамического анализа характеристик рассеяния решетки плоских волноводов, нагруженных на комплексные импедансные нагрузки. Решение найдено в строгой постановке — методом интегральных уравнений, полученных из леммы Лоренца. Путем выбора вспомогательного поля, удовлетворяющего на поверхности фланца решетки и внутри волноводов тем же граничным условиям, что и искомое поле, поставленную задачу удалось свести к решению интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода относительно специально введенной неизвестной функции, имеющей смысл вектора напряженности электрического поля, только в раскрывах излучателей. Предложенный метод решения позволил получить аналитическую связь
15
между уровнем отраженного поля и значениями импеданса фланца и нагрузок волноводов. Рассмотрена возможность снижения отраженного поля конечных и бесконечных решеток. Приведены результаты численных экспериментов. Сделаны выводы.
В четвертом разделе рассмотрено решение задачи рассеяния электромагнитных волн на двумерной модели решетки Ван-Атга.
Рассмотрено две конструкции решетки. В первом варианте решетки Ван-Атга (РВА1) раскрывы элементов разделены идеально проводящими участками бесконечного фланца, а во втором (РВА2) —полубесконечными плоскими волноводами (возбуждаемые в них трактовые волны уходят на бесконечность). В обоих случаях апертуры излучателей соединены регулярными линиями передачи в виде плоскопараллельных волноводов одинаковой длины /. Решение получено строго, методом интегральных уравнений, и приближенно. Исследована взаимосвязь межу излучателями решеток по полупространству над плоскостью решетки и по волноводным трактам. Показано, что с помощью недисперсных волноводов, соединяющих раскрывы излучателей решетки удается в 5+6 раз расширить угловой сектор работы таких отражателей. Приведены результаты численных исследований решеток Ван-Атта. Сделаны выводы.
В заключении сформулированы основные выводы и результаты работы.
16
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1. Как было сказано во введении, отсутствие решения проблемы снижения радиолокационной заметности антенн бортовых РЛС затрудняет разработку "малозаметных" носителей. Поэтому решение задачи снижения ЭПР существующих антенных устройств, обеспечение их радиомаскировки и создание новых антенн с уменьшенной РЛЗ является весьма актуальной задачей.
1.2. Вместе с тем, мероприятия по снижению радиолокационной заметности существующих типов бортовых антенн, в силу их функционального предназначения, оказываются весьма специфическими, поскольку должны сохранить все характеристики антенны в допустимых пределах, и поэтому, как правило, сложны и дороги и не всегда реализуемы на практике. Их целесообразно предусматривать еще на стадии проектирования антенн, и решать задачу в комплексе, то есть синтезировать АУ одновременно по заданным характеристикам излучения и рассеяния, с учетом месторасположения на объекте и его электрофизических свойств.
1.3. Требование одновременного обеспечения остронаправленной ДН и малой радиолокационной заметности противоречиво. В соответствии с теорией приёмных антенн — антенна способна принимать (излучать) энергию электромагнитного поля лишь в том случае, если часть её (не менее половины) она рассеивает [41], [42], [43]. Таким образом, антенна уже по определению является источником высокой ЭПР. Для снижения ЭПР антенн нельзя применять традиционные радиопоглощающие материалы и покрытия, широко используемые для снижения ЭПР элементов конструкции несущего объекта (ЛА, КО и т.д.) [44]. Снижение таким способом ЭПР АУ непременно приведёт к ухудшению основных параметров антенны (коэффициента усиления, КНД и т.д.), что в большинстве случает недопустимо. Необходима разработка новых электродинамических структур, способных обеспечить по-
- Киев+380960830922