"ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ" N 2, 2016

оглавление

Методика расчёта радиотехнических характеристик системы антенна-обтекатель

 

К. М. Басков, А. М. Федоренко, С. А. Федоров

ФГБУН Институт теоретической и прикладной электродинамики Российской академии наук (ИТПЭ РАН)

 

Статья поступила в редакцию 18 января 2016 г.

 

Аннотация. В статье представлена методика, основанная на принципах физической оптики, расчёта радиотехнических характеристик системы антенна – обтекатель. Эта методика сравнивается с другими существующими физико-оптическими методиками. Показывается, что точность предлагаемой методики существенно выше точности  существующих методик. Приводятся результаты тестирования методики путём сравнения с расчётами в строгой постановке методом интегральных уравнений с использованием программного пакета FEKO. Также приводятся результаты расчётных и экспериментальных исследований по снижению перегиба зависимости ошибки пеленга носового осесимметричного обтекателя самолёта от угла сканирования в Н плоскости (в плоскости вектора магнитного поля). Результаты исследований, представленные в статье, были доложены на второй Всероссийской микроволновой конференции (26-28 ноября 2014, Москва).

Ключевые слова: обтекатель, диаграмма направленности, физическая оптика,  ошибка пеленга.

Abstract. The paper presents a new technique, based on the principles of physical optics, for the calculation of the radio-technical characteristics of antenna – radome system with dimensions of tens of wavelengths. This method is compared with the other existing physico-optical methods. It is shown that the accuracy of the new method is significantly better than the accuracy of existing methods. The developed method was tested via comparison of results with the moment method calculations in CAD program package FEKO. Also, the results of computational and experimental studies to improve the radiotechnical characteristics of the radome are discussed. The research results presented in this article have been reported at the Second All-Russian Microwave Conference (26-28 November 2014, Moscow).

Keywords: radome, radiation pattern, physical optics, boresight error.

 

Введение

Для анализа влияния обтекателя на характеристики антенной системы необходимо использовать электродинамическую модель, позволяющую оценивать такие радиотехнические характеристики (РТХ), как коэффициент пропускания (КП) обтекателя, ошибку пеленга (ОП), изменение уровня боковых лепестков диаграммы направленности (ДН) антенны. Имеется достаточно много работ, в которых используются различные подходы к моделированию систем антенна – обтекатель. В [1] применён конечно – разностный метод, в [2] проиллюстрировано моделирование системы антенна – обтекатель в пакете программ FEKO, в котором для решения задачи дифракции используется метод интегральных уравнений (ИУ). Для анализа РТХ обтекателей очень больших электрических размеров используются методы геометрической оптики [3].

Для анализа систем антенна-обтекатель с размерами от 10 до 100 длин волн  обычно используются методики на основе метода физической оптики [4,5,6]. Суть этих методик заключается в том, чтобы найти эквивалентные токи на внешней поверхности обтекателя или на эквивалентной апертуре, находящейся вне обтекателя, для последующего расчёта ДН антенны с обтекателем.

В [7] представлена методика точного расчёта ДН антенны с учётом многослойного магнитодиэлектрического укрытия, имеющего плоскую, цилиндрическую или сферическую форму. Метод основан на скаляризации уравнений Максвелла с помощью потенциалов Дебая для задач рассеяния электромагнитной волны слоистыми структурами из магнитодиэлектриков, который описан в [8]. В данной статье будет представлена методика, основанная на таком же подходе, расчета ДН антенны в присутствии обтекателя только произвольной формы со сложной многослойной конструкцией стенки.


1. Новая методика расчёта радиотехнических характеристик системы антенна-обтекатель

Исходя из анализа литературы, подходы, основанные на принципах физической оптики, можно разделить на три типа, именуемые далее как 1-я, 2-я и 3-я методики.

1-я методика. В [9] представлена электродинамическая модель системы антенна – обтекатель с приёмной антенной. Плоская электромагнитная волна падает на внешнюю поверхность обтекателя. В каждой точке стенка обтекателя считается локально плоской, что позволяет найти эквивалентные электрические и магнитные токи на её внутренней поверхности и далее интегрированием определить поле, принимаемое антенной. Недостаток этой модели - значительные вычислительные затраты на расчет ДН, так как для каждого направления падения волны необходимо производить интегрирование по всей поверхности обтекателя для каждой точки на поверхности антенны. В [10] предлагается способ ускорения вычислений для такой модели с использованием метода стационарной фазы.

 2-я методика. В [5] рассмотрена модель системы антенна – обтекатель с передающей антенной. Как и в 1-й методике, поверхность обтекателя в каждой точке представляется локально плоской, а поле антенны в этой точке рассматривается как локально плоская волна, распространяющаяся вдоль действительной части вектора Пойнтинга. Поле с внутренней поверхности стенки пересчитывается на внешнюю поверхность обтекателя с помощью КП. Далее при расчете поля излучения интегрирование проводится по внутренней поверхности обтекателя, т.е. толщина стенки полагается нулевой. При этом КП нормируется на набег фазы, который получает фронт волны, проходя в свободном пространстве расстояние, равное толщине стенки с учётом угла падения.

3-я методика описана в [6]. В отличие от предыдущей модели внутренняя и внешняя поверхности обтекателя разнесены в пространстве на расстояние, равное реальной толщине стенки и, значит, КП не нормируется на фазовый набег волны в свободном пространстве. При таком подходе учитывается преломление волны в случае, что особенно важно, когда стенка изготовлена из плотного диэлектрика. В результате в некоторых случаях повышается точность вычисления такого важного параметра, как ОП системы антенна – обтекатель.

Основной причиной погрешностей всех выше описанных методик является предположение, что поле антенны на внутренней поверхности обтекателя является локально-плоской волной, распространяющейся вдоль действительной части вектора Пойнтинга. Часто точности этих методик не хватает, поэтому в статье предлагается новая, далее по тексту 4-я методика. Суть методики заключается в том, что на внутренней поверхности обтекателя по точным формулам рассчитывается поле излучения передающей антенны, определяются эквивалентные электрический и магнитный токи и вычисляются пространственные спектры этих токов на элементарной площадке, размеры которой намного меньше длины волны. Далее с использованием найденных спектров и аппарата длинных линий [8,11] рассчитываются спектры компонентов поля излучения на элементарных площадках внешней поверхности обтекателя и определяется ДН в дальней зоне как сумма спектров полей элементарных площадок.

Алгоритм 4-й методики представляется следующим:

1. По точным формулам рассчитывается поле антенны в каждой точке на внутренней поверхности обтекателя:

 

;                        (1)

,

где q - точка интегрирования на апертуре антенны SА; p - точка наблюдения на поверхности обтекателя;  - функция Грина свободного пространства; - расстояние от точки  p до точки q; e0 и m0 – диэлектрическая и магнитная проницаемости свободного пространства; - волновое число  свободного пространства; w - круговая частота электромагнитной волны;  - электрический и магнитный токи на апертуре антенны.

Вводятся эквивалентные токи на внутренней поверхности обтекателя как

,          ,                                                                       (2)

где  - внешняя нормаль к поверхности стенки.

2. В каждой точке на внутренней поверхности обтекателя вводится локальная система координат (1x, 1y, 1z) с осью Z, направленной вдоль  (рисунок 1). Определяются величины  - проекции эквивалентных токов на оси локальной системы координат. С учётом того, что на поверхности стенки обтекателя рассматривается небольшая по сравнению с длиной волны окрестность dS точки, в пределах которой компоненты эквивалентных токов Ix,y, Mx,y изменяются незначительно, спектры этих компонентов Ix,y и Mx,y в пространственной области принимаются постоянными (не зависят от пространственных частот ) и могут быть записаны в виде

, .                                                                                (3)

 

 

Рисунок 1 - Представление поля антенны в каждой точке на поверхности обтекателя в виде элементарного излучателя

 

3. Вводятся эквивалентные источники напряжения электрического и магнитного типов [8, 11] в эквивалентной схеме на рисунке 2, описывающей многослойную диэлектрическую стенку обтекателя в рассматриваемой точке

,                                                (4)

,

 

где  - пространственные частоты, связанные с углами распространения волны   в локальной системе координат, которые в свою очередь могут быть найдены по ориентации осей локальной системы координат и направлению распространения волны во внешнем пространстве,  - волновые сопротивления для плоских волн электрического или магнитного типов в свободном пространстве, падающих на стенку под углом