В статье описано влияние метаматериалов в радиообтекателе на диаграмму направленности системы «Антенна-радиообтекатель».
Ключевые слова: обтекатель, метаматериал, электромагнитная волна, эллипсовидная, диаграмма направленности.
С учетом современных требований к бортовым радиотехническим системам необходимо уделять особое внимание проектированию радиопрозрачных укрытий (РПУ), которые служат для защиты антенных устройств от внешних воздействующих факторов. Обтекатели на практике не всегда являются радиопрозрачными. При прохождении электромагнитной волны через стенку обтекателя, волна испытывает амплитудные и фазовые искажения, в результате чего происходит изменение диаграммы направленности антенны. В данное время, метаматериалы вызывают большой интерес научного мира своими свойствами, которые нельзя получить c помощью доступных материалов. Для антенной техники, метаматериалы с его неординарными свойствами обеспечивают дополнительные возможности: более широкие полосы пропускания, меньшие размеры и высокий коэффициент усиления антенны. Для анализа влияния обтекателя на характеристики антенной системы будет использоваться электродинамическая модель, на основе которой будут оцениваться, изменения диаграммы направленности (ДН) антенны.
В настоящее время все большую актуальность получают прочностные расчеты с использованием CAD/CAE-систем, в которых можно проанализировать, как поведет себя конструкция в тех или иных эксплуатационных условиях. [1]
Обтекатель — это конструкция, которая уменьшает аэродинамическое сопротивление объекта при обтекании потоками жидкости или газа. Обтекатели предназначены для защиты антенных устройств различных радиотехнических комплексов от внешнего воздействия влаги, температуры, ветра, механических ударов и других воздействий, и улучшения обтекаемости объектов, на которых он установлен. Их применение позволяет существенно продлить срок службы антенн. Основными задачами проектирования обтекателей является: обеспечение высокой радиопрозрачности (подбор материла для изготовления), сохранение формы обтекателя при эксплуатации (выбор конструктивных размеров и формы обтекателя, подбор толщины стенок). [2, 4] Разработка радиопрозрачных обтекателей на основе метаматериала (РПО) является сложной комплексной проблемой, включающей в себя вопросы технологии изготовления, испытаний, радиотехники, механической и тепловой устойчивости. Современные тенденции развития бортовой радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) существенно ужесточают требования к вновь разрабатываемым РПО.
Метаматериал — композиционный материал, свойства которого обусловлены искусственно созданной периодической структурой из макроскопических элементов, обладающих произвольной формой и размерами. Такие макроскопические элементы рассматриваются как искусственно внесенные в исходный материал атомы чрезвычайно больших размеров, в очень грубом приближение. Искусственная периодическая структура модифицирует магнитную и диэлектрическую проницаемости заданного материала. [3] Одно из вероятных свойств метаматериалов, который проявляется при одновременной отрицательности магнитной и диэлектрической проницаемости материала — отрицательный коэффициент преломления.
Был произведён анализ системы антенна–обтекатель при введении в обтекатель метаматериалов. Был выполнен обзор радиообтекателей и метаматериалов, на основании которого выбрана форма обтекателей (цилиндр и эллипсоид) и геометрия метаматериалов (двойное разрезное кольцо). После этого выбрана программа моделирования «FEKO». Исследования проводилось при изменении формы, толщины стенок обтекателя и места расположения метаматериалов. Основные измерения были на частоте 5 ГГц, с изменением от 4 до 6 ГГц. Был выбран источник электромагнитной волны с соответствующими параметрами (открытый конец волновода), что задало размер обтекателя.
В результате моделирования в программе «FEKO» получили следующие результаты:
Рис. 1. Вариант расположения метаструктуры в три ряда по диаметру эллиптического обтекателя
Рис. 2. Нормированные ДН в декартовой системе сравниваемых моделей
– метаматериалы приводят к изменению ДН системы антенна– обтекатель. Увеличивается глубина первого нуля ДН с увеличением количества метаматериалов (от -25 дБи до -35 дБи). При этом увеличивается уровень бокового лепестка ДН от 0,15 дБи до 3,16 дБи. При этом нет нарушения осевой симметрии главного лепестка. Таким образов возможно формирование глубокого нуля ДН, например, на направлении прихода стационарной помехи.
– проявляется зависимость уровня боковых лепестков от частоты (4 ГГц — нет боковых лепестков, максимальный уровень боковых лепестков на 6 ГГц). Это вызвано, по-видимому, смещением резонанса с 4,8 ГГц (по литературным данным) на 4,0 ГГц (по результатам моделирования). Это произошло скорее всего, из-за изменения периодичности структуры при моделировании;
– метаструктура, расположенная перпендикулярно к оси распространения электромагнитного излучения приводит к сужению ДН (на 6.67° на частоте 4.4 ГГц), но с возрастанием уровня боковых лепестков. В перспективе возможно управляемое воздействие на ширину ДН с помощью метаматериалов;
– зависимость амплитуды максимума ДН от частоты носит периодический характер с максимальными значения на 4,6 ГГц и 6,0 ГГц. Таким образом возможно регулируемое увеличение с помощью метаматериалов амплитуды максимума ДН.
Литература:
- Алямовский А. А. SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике. — СПб.: БХВ-Петербург, 2005. — 800 с.
- Гуртовник И. Г., Соколов В. И., Трофимов Н. Н. Радиопрозрачные изделия из стеклопластиков. — М.: Мир, 2003. — 368 с.
- Вендик И. Б., Вендик О. Г. Метаматериалы и их применение в технике сверхвысоких частот // Журнал технической физики. — 2013. — № 1. — С. 3–28.
- Василенко В. В., Карпов Я. С., Кривенда С. П. Технология изготовления обтекателей из композиционных материалов. — Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т им. Н. Е. Жуковского «Харьк. авиац. ин-т», 2005. — 48 с.
