Антенная техника в настоящее время достигла уровня зрелости и ее развитие в последние годы идет главным образом не по пути создания принципиально новых типов антенн, а по пути улучшения их характеристик и использования новых материалов.
Развитие различных отраслей радиоэлектроники (радиоразведки, радиопротиводействия, радиосвязи с подвижными объектами, радиоуправления, и др.) вызвало практическую потребность в антеннах, обеспечивающих излучение и прием электромагнитных волн с круговой поляризацией в широком диапазоне частот. При использовании технологии «Стелс», основная часть электромагнитной энергии отражается от антенных систем, они становятся заметными для обнаружения радиоэлектронными средствами разведки. Стелс-технология
(Stealth tehnology) — комплекс методов снижения заметности радиотехнических объектов в радиолокационном, инфракрасном и других областях спектра обнаружения посредством специально разработанных геометрических форм, радиопоглощающих материалов и покрытий, позволяющих уменьшить силу и отражение сигнала в сторону источника излучения, и за счет этого находиться незамеченным.
Среди различных типов широкополосных антенн важное место занимают разнообразные спиральные антенны. Спиральные антенны являются слабо- и средненаправленными широкополосными антеннами эллиптической (круговой) и управляемой поляризации.
Направленные свойства спиральной антенны существенно зависят от диаметра спирали. При диаметре спирали величиной меньше 0,18
λ , антенна ненаправленная, а при диаметре спирали (0,25 — 0,45) λ антенна создает излучение вдоль оси по направлению движения волны тока, т.е. антенна становится антенной направленного действия. [1,222]
В зарубежной литературе этот направленный излучатель известен под разными названиями, но чаще всего фигурирует под именем Helix Beam, восходящем к H.Chireix (1930г). Цель и задания исследования
«Исследование диаграмм направленности рамочных антенн» и составлены ...
... Рис.5. Блок-схема измерительной установки для снятия диаграмм направленности вибраторных антенн. Целью данной дипломной работы является создание на основе имеющейся установки для измерения диаграмм направленности ... Рис.6. Блок-схема установки для измерения диаграмм направленности рамочных антенн. Исследуемая антенна (ее тип изменяется за счет сменных элементов) установлена на поворотном стенде ...
Целью магистерской работы является разработка широкополосной спиральной антенны, малозаметной для обнаружения радиоэлектронными средствами разведки, путем снижения ее эффективной площади рассеивания (ЭПР).
Для достижения поставленной цели в магистерской работе необходимо выполнить такие задачи:
- Исследование методов радиомаскировки.
- Проведение сравнительного анализа свойств спиральных антенн и на его основе выбрать спиральную антенну, удовлетворяющую нашим условиям.
- Моделирование широкополосной спиральной антенны.
- Расчет параметров спиральной антенны по результатам моделирования.
- Экспериментальное подтверждение полученных данных.
Актуальность темы:
Попытки решения проблемы создания техники и объектов, малозаметных для радиоэлектронных средств, предпринимались со времени начала развития радиоразведки. В связи с этим появилось понятие радиомаскировка. (Радиомаскировка — комплекс технических и организационных мероприятий, направленных на снижение эффективности радиоразведки противника).
Таким образом, тема защиты антенных систем путем уменьшения ЭПР от обнаружения радиоэлектронными средствами остается актуальной в настоящее время.
Предполагаемая научная новизна.
Разработка усовершенствованной модели плоской синфазной спиральной антенны, основным свойством которой является маскировка от обнаружения радиоэлектронными средствами (РЭС).
СНИЖЕНИЕ ЗАМЕТНОСТИ ВОЕННОЙ ТЕХНИКИ И ОБЪЕКТОВ
Сделать объекты малозаметными для РЭС чрезвычайно трудно. Возможно лишь несколько уменьшить возможности их обнаружения разведывательными РЭС, если покрыть материалами, поглощающими энергию ЭМВ, и применить малоотражающие формы. Однако ощутимого результата в снижении радиовидимости можно добиться только в случае резкого снижения ЭПР объектов. Так, уменьшение ЭПР в 16 раз сокращает дальность радиолокационного обнаружения объекта вceгo и 2 раза. [7. 102-103]
Радиопоглощающие материалы
Радиопоглощающие материалы — это неметаллические материалы, обеспечивающие при взаимодействии с электромагнитными волнами поглощение, рассеяние и интерференцию их энергии. По принципу действия их разделяют на градиентные и интерференционные.
Авиационные материалы
... Центрального аэрогидродинамического института приняла решение о создании Отдела испытаний авиационных материалов и конструкций. В 1928—1929 наряду с алюминием в ... и покрытия металлов; неметаллические А. м. — на пластики и радиотехнического назначения, волокнистые лакокрасочные материалы материалы, декоративные материалы, керамические и металлокерамические материалы, эластомерные материалы, рабочие ...
Градиентные (поглощающие) материалы представляют в виде диэлектрика, в состав которого входит основа и наполнитель. Они обеспечивают плавное либо ступенчатое изменение толщины комплексной диэлектрической и магнитной проницаемости. В качестве основы используется стеклотекстолит, пенопласт, разнообразные виды каучука. Используемыми наполнителями являются магнитные (никель-цинковые ферриты, порошок карбонильного железа) и немагнитные (порошок графита, угольная и ацетиленовый сажа) материалы. Покрытие хорошо поглощает электромагнитную энергию, если оно согласовано со свободным пространством, то есть волновое сопротивление на границе покрытие — свободное пространство равно сопротивлению свободного пространства. Согласование обеспечивается тем, что внешний слой выполняется из материала с диэлектрической и магнитной проницательностью, близкими к единице. Интенсивность поглощения энергии повышается, если концентрация наполнителя в материале увеличивается от внешней поверхности к основе. Это достигается пропиткой основы поглотителем или изготовлением многослойных покрытий, в которых концентрация поглотителя постепенно растет.
Применение многослойных покрытий расширяет их диапазонность. Для того чтобы на границах слоев не возникало паразитных отражений, не разрешается резкое изменение диэлектрической и магнитной проницаемости при переходе от слоя к слою, а также от окружающей среды до покрытия. Толщина покрытия определяет диапазон частот, в котором происходит поглощение энергии. Верхний (входной) его слой состоит из материалов, имеющих диэлектрическую проницаемость близкую к единице для обеспечения согласования с электрическими параметрами свободного пространства. Для уменьшения интенсивности отражения внешней поверхностью покрытия выполняют в виде шипов конусной или пирамидальной формы.
В них электромагнитные волны последовательно отражаются от поверхности шипов. Поэтому происходит гораздо больше соприкосновений с покрытием и увеличивается интенсивность поглощения. Некоторые шиповидные покрытия снижают интенсивность отражения электромагнитной энергии в сантиметровом диапазоне волн на 90% и более. Так, один из американских образцов покрытия из пористого стекловолокна толщиной 12,7 мм поглощает около 99% энергии, которая падает в диапазоне волн от 1 до 77 см. Оно имеет достаточную гибкость, огнестойкость, устойчивость к атмосферным воздействиям. Покрытие AF, разработанное в Великобритании на основе смеси пористого каучука и угольной пыли (сажи) имеет коэффициент отражения в сантиметровом диапазоне волн не более 6%. [7,105]
Стационарные сооружения могут быть скрыты радиопоглощающими материалами из волосяных матов, которые пропитаны смесью неопрена (вид каучука), и проводящей угольной сажи. Поглощающие материалы из шерсти, смешанной с железной стружкой или опилками. Проникая в материал, электромагнитная энергия рассеивается металлическими частями и поглощается шерстью. Такие материалы выполнены в виде матов толщиной 40-50 мм, уменьшают энергию отраженного сигнала в 20-50 раз.
Оборудование для нанесения покрытий в самолетостроении виды и назначение примеры
... оснастки, возможности их монтажа в процессе постройки СП и периодического контроля, а также для возможности отстыковки обводообразующих элементов заготовительной и сборочной оснастки создаются специальные виды оборудования и средств увязки. Они представляют ...
Малоподвижные или неподвижные объекты и сооружения (корабли, мосты) могут покрываться для уменьшения эффективной площади рассеяния широкодиапазонными поглощающими покрытиями из пористого каучука, смешанного с угольной пылью, или из пенополистирола, покрытого угольной пленкой. Он имеет твердую поверхность, в результате чего интенсивность отражения мало зависит от угла падения радиоволны. Их коэффициент отражения не превышает 1% мощности.
Интерференционные покрытия состоят из попеременных слоев диэлектрика (пластмасса, каучук) и пленки электропроводящего материала. В них при падении плоской электромагнитной волны на поверхность электропроводящей пленки в результате наложения волны, падающей и отраженной волны в диэлектрике возникают стоячие волны. Если толщина диэлектрика равна нечетном количестве четвертей падающей радиоволны, а волновое сопротивление пленки равно волновому сопротивлению свободного пространства, то электромагнитная энергия не будет отражаться. Поскольку характеристики интерференционных покрытий связаны с длиной волны, то они эффективны в ограниченном диапазоне радиоволн. Благодаря введению в состав покрытий ферромагнитных веществ с примесями сажи обеспечивают не только интерференционные свойства, но и поглощения. Для расширения полосы рабочих частот интерференционные покрытия делают многослойными. В них концентрация поглощающего материала увеличивается от одного слоя к другому. В результате этого рабочий диапазон увеличивается в 3-4 раза. Наиболее эффективно покрытия работают при нормальном падении волны, когда электромагнитная энергия ослабляется в несколько десятков раз. Для других направлений интенсивность ослабления резко падает.
[7,106]
Наиболее распространенными являются керамические ферритовые широкодиапазонные радиопоглощающие материалы. Покрытие из них имеют небольшую толщину и отличаются значительной устойчивостью к резким изменениям условий окружающей среды. При толщине ферритового слоя 0,83 см его коэффициент отражения не превышает 10% в диапазоне частот 30-300 МГц. Примером интерференционного покрытия является «Экосорб 269Е», изготовленный фирмой «Эмерсон Каминг» (США) из смеси мелкодисперсного ферритового поглотителя и связующего материала на базе каучуковых смол с коэффициентом поглощения 20 дБ / см на частоте 3 ГГц и 63 дБ / см на частоте 8,6 ГГц.
Новые радиопоглощающие материалы с большим коэффициентом поглощения изготавливаются с использованием металлических наполнителей в виде порошков и кристаллов железа и их сочетаний в связующих диэлектрических материалах типа эпоксидных или полиуретановых пластмасс, резины, содержащей кремний.
Общими недостатками, ограничивающих использование радио поглощающих материалов для маскировки техники и объектов является относительно малая диапазонность и значительная масса. Поэтому их наносят на те места (части) техники и объектов, больше отражающих электромагнитную энергию. Такие места называют блестящими точками. К ним относят стыки, резкие переходы, действующих как угловые радио отражатели, острые кромки, значительные по площади участки поверхности малой кривизны. Наиболее широко радио поглощающие материалы применяют для маскировки от радиолокационного обнаружения ракет, космических аппаратов, надводных кораблей и подводных лодок. [7,107]
СПИРАЛЬНАЯ АНТЕННА
Спиральная антенна отличается от других антенн, обладающих направленным излучением, в первую очередь тем, что ее поле излучения имеет поляризацию близкую к круговой. В случае применения такой антенны необходимо, чтобы как передающая, так и приемная антенны имели круговую поляризацию излучения.
Круговая поляризация имеет место, когда проводник наматывается в направлении излучения в виде спирали, причем необходимо, чтобы общая длина проводника в одном витке равнялась 1 λ что соответствует при учете коэффициента укорочения диаметру витка D, равному приблизительно 0,31 λ. Предполагается, что для получения круговой поляризации используется, по меньшей мере, три витка, так как поляризация излучения будет тем ближе к круговой, чем больше витков имеет антенна. Простая спиральная антенна излучает в обе стороны в направлении своей оси. Для получения одностороннего излучения и увеличения коэффициента усиления антенны используется дисковый рефлектор. [8.254]
СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫЕ АНТЕННЫ
Термин сверхширокополосные антенны означает, что свойства антенны, в первую очередь ее входное сопротивление, диаграмма направленности (ДН) и коэффициент направленного действия (к. н. д.), изменяются в заданных пределах в очень широкой полосе частот. [2.182]
Особенности остронаправленных антенн.
У величение диапазонности остронаправленных антенн является актуальнейшей задачей современной антенной техники.
Частотные свойства остронаправленной антенны определяются частотными свойствами внутренней области антенны (тракт питания, облучатель, управляющие элементы и т. д.) и интерференцией полей, излучаемых отдельными элементами антенны, во внешнем пространстве. Влияние первой причины можно в значительной мере ослабить применением широкополосных трактов питания, широкополосных облучателей, разработкой специальных компенсирующих схем и устройств и т. д. В то же время пока неизвестны эффективные способы устранения частотной зависимости ДН, связанной с интерференцией полей от различных участков антенны. Даже в плоской синфазной антенне при изменении λ форма ДН сохраняется, но ее ширина и к. н. д. антенны изменяются. Еще хуже обстоит дело в антенной решетке, где при изменении длины волны изменяется и направление главного максимума, и форма ДН. [2.187]
Конические и плоские спиральные антенны
Конические спиральные антенны (рис. 1) обладают лучшими диапазонными свойствами, чем цилиндрические спиральные антенны.
Рис. 1. Конические спиральные антенны
Осевое излучение таких антенн формируется не всей антенной, а лишь активной областью, т.е. витками, длина которых близка к λ. С изменением частоты активная область перемещается вдоль оси антенны. Широкое применение находят плоские спиральные антенны, в том числе антенны в виде архимедовой спирали (рис. 2, а).
Двухзаходная спиральная антенна может выполняться печатным способом и возбуждается либо двухпроводной линией, либо коаксиальным кабелем, проложенным вдоль одного из плеч (вдоль другого плеча прокладывается для сохранения симметрии холостой кабель, рис. 2, б).
Антенну можно рассматривать как свернутую в спираль двухпроводную линию, причем в начальной части антенны токи в соседних витках находятся в противофазе и соответственно не излучают. С удалением от точек питания фазовый сдвиг между токами в соседних витках уменьшается за счет разности хода.
Рис. 2 Плоские спиральные антенны
Действительно, элементы 1 и 2, расположенные по обе стороны от окружности радиусом r0 на разных заходах спирали, имеют разность хода, равную половине длины этой окружности, т.е. ∆r=2πr0 С учетом противофазного возбуждения разность фаз элементов 1 и 2 будет ψ=k∆r+π . При r0 =λ⁄2π величина ψ=2π , т.е. соседние витки возбуждаются синфазно в режиме бегущей волны. Эти витки и формируют поле излучения с круговой поляризацией в направлении оси антенны, которое сохраняется в широкой полосе частот. Нижняя частота определяется внешним диаметром спирали, а верхняя — точностью выполнения антенны вблизи точек питания.
Диаграмма направленности состоит из двух широких лепестков, ориентированных нормально к плоскости спирали. Можно также получить одностороннее излучение спирали, если позади нее поместить экран (обычно на расстоянии λ 0 /4, где λ0 — длина волны на средней частоте диапазона), однако наличие экрана сужает рабочую полосу частот. [3.172-173]
Построение спирали Архимеда
- Делим радиус окружности на одинаковое число равных частей (в примере на 8).
- Делим окружность на такое же число равных частей.
- Проводим лучи из центра через точки деления окружности.
- На первом луче откладываем одно деление радиуса.
- На втором луче откладываем два деления радиуса и т. д.
- Если строить спираль дальше, то на луче 1 откладываем 8+1 деление радиуса (получаем точку IX).
- На втором луче откладываем 8+2 деления радиуса (получаем точку X).
- На третьем луче откладываем 8+3 деления радиуса (получаем точку XI) и т. д.
Этот рисунок является анимацией, которая наглядно демонстрирует построение спирали Архимеда. Размер -113 Кб, количество кадров -4, количество циклов -7.
Заключение
Практическое применение в настоящее время нашли плоские и конические спиральные антенны с постоянным шагом (спирали Архимеда) и эквиугольные полусферические спиральные антенны. Достаточно подробно исследованы однозаходные спиральные антенны с постоянным углом намотки на поверхности параболоида вращения и двухзаходные спиральные антенны на поверхности эллипсоида вращения. Квазичастотно-независимые спиральные антенны с двусторонней намоткой, спирально-диэлектрические и импедансные антенны, насколько можно судить по литературе, до настоящего времени не исследовались.
Теория спиральных структур сложной формы в настоящее время не разработана, поэтому об их свойствах можно судить только приближенно на основании принципа локальной эквивалентности.
Источники:
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/spiralnaya-antenna/
- Антенны УКВ /Под ред. Г.З. Айзенберга. В 2-х ч. Ч. 2. — М.: Связь, 1977. — 288с. с ил.
- Антенны: (Современное состояние и проблемы)/ Под ред. чл.-корр. АН СССР Л.Д. Бахраха и проф. Д.И. Воскресенского.- М.: Сов. Радио, 1979.-208с
- Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн: Учебник для вузов/ Г.А. Ерохин, О.В. Чернышев и др.; Под ред. Г.А. Ерохина. – 3-е изд., — М.: Горячая линия-Телеком,2007.-491с.: ил.
- Жук М.С., Молочков Ю.Б. Антенно-фидерные устройства. М.: Энергия, 1966.
- Бекетов В.И. Антенны сверхвысоких частот: М.: Военное издательство министерства обороны союза ССР, 1957.
- Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны: Учебник для студентов радиотехнических специальностей вузов. 2-е изд., перераб. И доп. М.: Энергия, 1975.
- Палий А.И. Радиоэлектронная борьба. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Воениздат, 1989. — 350с., ил
- Ротхаммель К. Антенны: Пер. с нем. – 3-е изд., доп. – М.: Энергия, 1979. – 320 с., ил.
- Ротхаммель К., Кришке А. Антенны. Том 2: Пер. с нем. – Мн.: ОМО «Наш город», 2001. -416с.: ил.
- Юрцев О.А., Рунов А.В. «Спиральные антенны.» М.: «Сов. радио»,1974,224 с.
- http://www.radioman-portal.ru/magazin/radio/1969/2.php Электронный ресурс (режим доступа) журнал «Радио»№2, 1969 г
- http://www.q-par.com/ Электронный ресурс Q-par Angus Ltd IDEAS ENGINEERED
Важное замечание: При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2011г. Полный текст работы материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.
