Электромагнитные свойства экрана из диэлектрических трубок, заполненных плазмой тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

Российская Академия наук Объединенный институт высоких температур

Вн. №11402-УШ-2324/1дсп 14.05.2001.

УДК 537.874.4 На правах рукописи

Для служебного пользования Экз. №

Ильченко Сергей Алексеевич

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ЭКРАНА ИЗ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТРУБОК, ЗАПОЛНЕННЫХ ПЛАЗМОЙ

(Специальность 01.04.13 - электрофизика)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2001

Работа выполнена в Институте теоретической и прикладной электродинамики Объединенного института высоких температур РАН

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук А.Т. Кунавин

Официальные оппоненты: член-корреспондент РАН Л.Д. Бахрах доктор технических наук И.М. Минаев

Ведущая организация: кафедра электроники МГУ

Защита состоится "21" июня 2001 г. в а часов О 0 минут на заседании Специализированного совета Д 002-110.01 в Объединенном институте высоких температур РАН.

Адрес: 127412, Москва, ул. Ижорская, 13/19, ОИВТ РАН

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ОИВТ РАН Автореферат разослан »и» мая 2001 г.

Ученый секретарь Специализированного совета

кандидат физико-математических наук А.Т. Кунавин

/ ' '

© Объединенный институт высоких температур РАН, 2001 © Институт теоретической и прикладной электродинамики ОИВТ РАН, 2001

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В последние годы в ряде стран проводятся работы по снижению заметности летательных аппаратов (ЛА) в радиолокационном диапазоне, и можно говорить о значительных достижениях в уменьшении эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) планера. В связи с этим актуальным становится снижение на 20-40 дБ ЭПР антенны бортовой радиолокационной станции (РЛС), которая является одной из наиболее заметных частей самолета [1]. И, если заметность поверхности планера снижается за счёт выбора его формы или радиопоглощающих покрытий (РПП), то к антеннам такой подход пригоден лишь в ограниченной степени.

Так, применение РПП возможно для снижения отражения от некоторых элементов конструкции антенны. Встраивая антенну в обшивку планера, можно избежать дифракционного рассеяния на краях антенны [2]. Дополнительным фактором снижения заметности является использование неподвижных фазированных антенных решеток (ФАР), установленных под углом к направлению полета. Это уменьшает вероятность обнаружения главного лепестка диаграммы отражения, но многочисленные боковые лепестки по-прежнему будут давать вклад в отражение. В области рабочих частот РЛС снижение отражения достигается при согласовании нагрузки в СВЧ тракте. Для защиты вне этой области разрабатываются частотно-селективные структуры из проводников и диэлектриков [3].

Принципиально новым подходом было бы применение управляемых малозаметных антенных элементов, например, на основе р-г-п диодов [4] или плазменных образований [5]. Проблемой является устойчивость работы рч-п диодов в мощном СВЧ-поле бортовой РЛС. Использование плазмы в качестве излучателя связано со стабилизацией ее параметров. Таким образом, использование малозаметных элементов остается пока на стадии проектов. Но даже в случае их разработки будет существовать проблема защиты традиционных щелевых или параболических антенн и, возможно ФАР.

Данная проблема может быть разрешена установкой перед зеркалом антенны управляемого экрана (рис. 1), который в пассивном состоянии был бы прозрачен для излучения бортовой РЛС, а в активном рассеивал или поглощал зондирующие импульсы внешних радаров. В основу работы экрана могут быть положены различные принципы. Напри-Рис. 1. Расположение защитного экрана мер, можно использовать механические под обтекателем системы защиты типа жалюзи, но они

обладают большой инерционностью. Внутренний фотоэффект в полупроводниках позволяет создать рассеивающий экран, но для его активации потребуются достаточно интенсивные оптические поля. Разрабатываются экраны на основе рн-п диодов, их недостатки отмечались выше.

Множество публикаций посвящено возможности создания плазменных экранов, которые могли бы как поглощать, так и рассеивать СВЧ излучение, и обладали высокой скоростью включения [6, 7]. Главной проблемой на пути создания таких экранов является генерация плазмы с достаточной концентрацией и размерами без использования веществ и устройств, ограничивающих область ее применения. Весьма привлекательным с этой точки зрения представляется использование простого и наиболее исследованного способа создания плазмы— дугового разряда в трубках с газом низкого давления. Изучению электромагнитных свойств экранов из таких трубок и посвящена настоящая работа.

Цель и задачи работы состоят в:

a) проведении анализа технической возможности применения плазмы для создания управляемого защитного экрана, обосновании выбора параметров плазмы и способа ее генерации;

b) исследовании электромагнитных свойств плазменных экранов, собранных из газоразрядных трубок;

c) создании макета плазменного экрана, демонстрирующего возможность снижения ЭПР антенн до приемлемого уровня без существенного искажения их характеристик.

Научная новизна работы состоит в:

a) результатах экспериментального исследования в диапазоне 3+14 ГГц электромагнитных свойств плоских периодических решеток, составленных из диэлектрических трубок, как заполненных, так и не заполненных плазмой;

b) экспериментально по лученных диаграммах рассеяния электромагнитных волн (ЭМВ) экранами различной формы;

c) экспериментальном подтверждении возможности снижения ЭПР антенн с помощью плазменных экранов;

с!) результатах экспериментального исследования искажений диаграмм

направленности антенн экранами и практических методах их минимизации.

На защиту выносятся:

a) результаты измерения коэффициентов прохождения и отражения периодических решеток, составленных из газоразрядных трубок, их сопоставление с расчётами и вывод о целесообразности использования таких трубок для построения защитных экранов;

b) экспериментальные диаграммы рассеяния ЭМВ экранами различной формы;

требует высокого напряжения (до 100 кВ) и биологической защиты персонала от рентгеновского излучения. Фотоионизация также позволяет создать поглощающую плазму, однако развитие этого метода зависит от разработки экономичных источников света и техники работы с агрессивными легко ионизуемыми присадками. Эти же факторы являются препятствием для использования разрядов с предварительной ионизацией.

Табл. 1. Сравнительные характеристики плазменных экранов

Поглощающая плазма Отражающая плазма

Метод , \ . Фактор Электронный пучок Фото ионизация Импульсный разряд при высоком давлении Дуговой разряд пост, тока в трубках Импульсный разряд в трубках Предыони- зация + импульсный разряд Предыони- зация ■+ ВЧ разряд

Рентгеновское излучение ЬУ<100 КЭВ

Напряжение £100 кВ £1кВ Сотни кВ Десятки Вольт 1-10 кВ 10-20 кВ

Препятствие перед антенной Разрядная ячейка Трубки Трубки Разрядная ячейка Разрядная ячейка

Удельная мощность 51 кВт/и2 Несколько кВт/и2 ¿ОРТ! хЗ;/мг Несколько кВт/м2 -1 кВт/м2 Несколько кВт/м2 <1 кПт/м1

Время включения 0,1-1 икс ~1 ис 0,1-1 мке 0,1-0,5 ис 0,1-1 мке 0,1-1 мке Десятки мке

Рабочий газ Гелий, 100-760 Тор Гелий (760 Тор ) +Пары аромат! пса ^иерткый газ (300-760Тор) +Пары ароматнка Инертный газ (1-10 Тор) Инертный газ (1-40 Тор) Инертный газ (1-10 Тор) ■•Пары промзтика Инертный газ (¡-10 Тор) •»Нары ароматика

Техническая сложность Система инжекции электронного пучка в газ Технология работы с ядовитыми веществами Предиоии-зацня Прсдыоин-зация Прсдыони-

| | -нежелательный фактор; | | -усложняющий фактор; -положительный фактор

Электрические разряды в газах малопригодны для поглощающего экрана из-за быстрой контракция объемного разряда. Однако газоразрядная плазма п трубках диаметром несколько сантиметров может обладать заметными отражающими свойствами. Сравнивая энергетические и эксплуатационные характеристики генераторов плазмы на основе высокоскоростных волн ионизации, дуговых и импульсных разрядов п газах различного давления, сделан вывод о преимуществах экрана из трубок с дуговым разрядом в инертном газе низкого давления. Технология их изготовления для осветительных ламп хорошо отработана. Для инициирования разряда требуется напряжение не более нескольких киловольт, а для его поддержания -напряжение не более сотни вольт и удельная мощность в несколько кВт/м2.

с) выводы о возможности снижения ЭПР антенн ЛА с помощью плазменных экранов до приемлемого уровня без существенного искажения диаграммы направленности антенны;

Практическая ценность работы состоит в том, что

a) на основании испытаний разработанного макета экрана продемонстрирована техническая возможность снижения радиолокационной заметности антенн плазменными экранами, построенными из газоразрядных трубок;

b) выработаны способы оценки эффективности экранов и рекомендации по уменьшению искажений, вносимых экранами в диаграмму направленности антенн.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на 4-й Международной конференции по электрическим и оптическим свойствам неоднородных сред (Москва -С.Петербург, 1996г.), опубликованы в 4 печатных работах и содержатся в научно-техническом отчете 5 ЦНИИ МО РФ.

Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав и заключения. Содержание работы изложено на 163 страницах, включая 83 рисунка, 9 таблиц и список цитируемой литературы из 119 наименований.

Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, анализиру-' ..лея различные способы снижения радиолокационной заметности антенн ЛА, конкретизируются цели диссертации.

1 В первой главе обосновываются параметры плазмы, приемлемые для экранирования антенны. Для снижения заметности экран должен либо . рассеивать ЭМВ в безопасном направлении, либо эффективно их поглощать. В первом случае, плазма может быть редко столкновительной, но с достаточно высокой электронной плотностью (ленгмюровская частота превышает верхнюю границу радиолокационного диапазона, ю0>соц), форма плазмы - выпуклая. Во втором случае плазма должна иметь ленгмюровскую частоту меньше нижней границы радиолокационного диапазона (соо<Ш|), но более высокую частоту столкновений электронов (v ~ соь) и большую толщину. Для работы экрана в диапазоне длин волн 3-10 см толщина плазменного слоя в случае рассеивающей плазмы должна быть 1-5 см при плотности электронов «О~(3-10)х1012 см3, а в случае поглощающей-30-100 см при (3-30)хЮ10см"3.

На основе литературных данных анализируются различные способы генерации плазмы (табл. 1). Электронный пучок является эффективным средством для создания протяженной поглощающей плазмы, но его применение

Во второй главе экспериментально и с привлечением расчетных моделей исследуются электромагнитные свойства плоских периодических решеток, составленных из газоразрядных трубок как во включенном, так и в выключенном состояниях [А1-АЗ].

В трубках использовались оксидные катоды прямого накала, питание осуществлялось постоянным током. Решетки собирались из прямых трубок, установленных либо в один ряд (рис. 2), либо в два ряда параллельно или

перпендикулярно друг другу. Исследовались коэффициенты отражения и прохождения решеток из стеклянных и кварцевых трубок внешним диаметром 10-38 мм с толщиной стенок ~ 1 мм, заполненных либо Аг - Н^ смесью (промышленные люминесцентные лампы), либо Хе при давлении газа 2-3 Тор. Измерения выполнялись в диапазоне частот 3-16 ГГц с помощью панорамных измерителей ослабления СВЧ-волны. Падающее излучение было линейно поляризовано.

Расчетная модель, использующая метод собственных функций, была разработана В.А. Пермяковым для расчета коэффициентов рассеяния ЭМВ на периодической решетке из бесконечно длинных диэлектрических цилиндрических трубок, заполненных плазмой. Для расчета диэлектрической проницаемости плазмы использовалась элементарная теория:

4яе2»//1)

Рис. 2. Конструкция плоской решетки

*(г) = 1-

(1.1)

тго)(со-1{у))

где е и те-заряд и масса электрона, «»-частота волны, <у> - эффективная частота соударений электронов с атомами в СВЧ-поле, радиальное распределение концентрации описывалось функцией Бесселя нулевого порядка:

г,е(г)=п0М2,4г/а) (1.2)

где я-внутренний радиус трубки; г - расстояние от ее оси; и0 — концентрация на оси. Для .сопоставления расчетных и экспериментальных результатов концентрация плазмы оценивалась по величине тока в трубке с учетом подвижности электронов и напряженности электрического поля [8,9].

Результаты измерений удовлетворительно согласуются с расчетами (рис. 3). В низкочастотном диапазоне большее ослабление дает £гволна (вектор напряженности электрического поля параллелен осям трубок), а в высокочастотном - Я-волна (вектор Е перпендикулярен осям трубок). Поглощение ¿'-волны обусловлено электронными столкновениями, как в однородном плазменном

Рис.3. Измеренные-.и рассчитанные частотные зависимости коэффициентов

отражения, прохождения и поглощения для плазмы Хе в кварцевых трубках (/= 1,55 сш; 24=1,55 сш; 2а=1,37 сгп).

Эксперимент: о-/=0,24 А; □ -/=0,31 А; д-/=0,4 А;х-/= 0,47 А; Расчеты приведены для у=Ю10 с"1, е=3,8 и концентраций, соответствующих экспериментальным токам: кривая 1 - п0=5,0 х 1012 см"3; 2 - п0=6,5 х 1012 см"3; 3- п0=8,4х 1012см"3; 4- п0=9,8 х 1012 см"3

слое. Интересной особенностью рассеяния £-волны является увеличение прохождения при определенных частотах, зависящих от диаметра и диэлектрической проницаемости трубок (~15 ГТц при диаметре 16 мм, см. рис. 3). Это связано с резонансными свойствами периодического экрана из диэлектрических элементов. Диссипация //-волны в диапазоне 5-12 ГТц обусловлена не столько электронными столкновениями, сколько резонансным поглощением, которое связано с трансформацией ЭМВ в плазменные волны при наличии радиального градиента ие.

Определяющими защитными факторами отражающего плазменного экрана являются его форма (от нее зависят рассеивающие свойства экрана) и прозрачность экрана (от нее зависит, какая доля энергии зондирующей волны дойдет до защищаемого объекта и вернется назад, отразившись от него). Приемлемыми по ослаблению представляются экраны из трубок диаметром 3616 мм. Экран из 10 мм трубок обладает уже недостаточным ослаблением, что не исключает использование таких трубок на отдельных участках экрана.

Сравнение экранов из люминесцентных трубок и заполненных Хе, показывает, что ксеноновые трубки являются более экономичными для достижения требуемых параметров плазмы. Одной из причин этого является меньшая подвижность заряженных частиц в Те по сравнению с Аг.

Кроме защитных свойств экранов представляет практический интерес изучение коэффициентов прохождения решеток при выключенных трубках - в этом состоянии экран должен быть максимально прозрачен для излучения бортовой РЛС. Расчет коэффициентов прохождения периодических структур из диэлектрических элементов выполнялся методом интегральных уравнений по алгоритму А.И. Федоренко [АЗ]. Методика измерений такая же, как в случае трубок, заполненных плазмой.

Исследованы плоские решетки из трубок с различным диаметром и периодом I [АЗ]. Оказалось, что в рассеянном поле данных решеток могут содержаться высшие пространственные моды, которые ухудшают прохождение основной моды в отдельных частотных интервалах или углах падения волны (рис. 4, 5). Для предотвращения возбуждения высших мод рассеянного поля и наилучшего прохождения волны следует использовать решетки с периодом, меньшим длины волны, и наименьшей диэлектрической проницаемостью стенок. В частности, при работе бортовой РЛС в 3 см диапазоне длин волн предпочтительным является построение экрана из кварцевых трубок диаметром 16 мм. Максимальное снижение ЭПР объекта, защищаемого таким отражающим экраном, на основании рис. 3, оценивается как:

• -15 дБ в диапазоне 3 ГТц и -40 дБ в диапазоне 10 ГТц для Я-волны;

• —40 дБ в диапазоне 3 ГТц и -10 дБ в диапазоне 10 ГГц для £-волны.

Т2„,дБ

Т20,дБ

б)

-1.0 -1,5 -2,0

-2

— \ (Т\ /

и

3

\

д

: 1

0.0 -0.5 -1.0 -1.5

6 8 10 12 14 16 18 2 4 8 10 12 14 16 18

Г. ГГц Г. ГГц

П, ДБ в) Т\, дБ г)

3 7 ■ }

г— 1 ±—

г

--- 1 . г 1 Т 1

* 1 Е- к;

10

20

30 40 V, град

0.0 -0.5 -1.0' -1.5

р— 3 - С— •V ГУ'

г—а Е—п 1 >

1 ^ Г 1 1 [ 1 1 I т

-1 %

\ 1

1 1

0

10

20

30 40 ц), град

Рис. 4. Частотные (а, б, у=0) и угловые (в, г, /=9,4 ГГц) зависимости коэффициентов прохождения решеток из трубок, а, в - //-волна; б, г- £-волка. Стекло (2д=13 мм, 26=14,8 мм, /=14,8 мм):

расчет (£=5, кривая / - по Федоренко; 2 - по Пермякову) и □ - эксперимент; Кварц (2а=13,7 мм; 24=15,5 мм; /=15,5 мм):

расчет (е=3,8; 5- по Федоренко; 4- по Пермякову) и Д - эксперимент

Т'о.ДБ

а)

о

-2

-4

» 1 К* ¿У

1 1 1 ) / / 1 1 » 1 1 \ • \ 1 /с / 1 \ 1 * ^ \ Л , »

1 1 1/ 0 / ' 1 1

ТЪ.ДБ

б)

8=5

6

-30

10 12 14 16 0 20 40 60 80

г, ггц , град

Рис. 5. Зависимости коэффициентов прохождения решетки из стеклянных трубок

(2а=36 мм; 2Ь=38 мм; /=38 мм), Я-волна. Расчеты по Федоренко, □ - эксперимент;

а) частотная зависимость: ^=0; расчет (кривая А - б=3,5; В - е=5; С - е=8,5)

б) угловая зависимость:/=10 ГГц; расчет (е=5, числа у кривых-номера гармоник)

В третьей главе анализируются результаты измерений моностатической ЭГТР плоского, цилиндрического и сферического экранов, проводится их сравнение с расчетами, выполненными по программе Пермякова для конечных экранов [А4]. Исследуется эффективность снижения экранами заметности антенн реальных ЛА.

В соответствии с выводами Главы 2, для минимизации искажений диаграммы направленности (ДН) защищаемой антенны, экраны составлялись из кварцевых трубок внешним диаметром 16 мм. Заполнение — ксенон.

Плоские экраны были составлены го 16 прямых трубок длиной 400 мм. Цилиндрический экран собирался из таких же трубок, установленных по полудуге окружности с радиусом 183 мм. Сферический экран образован из 22 трубок, изогнутых по дуге окружности с дискретно меняющимся радиусом. Оканчивались лампы прямолинейными электродными участками длиной 40-60 мм (рис. 6). Измерения выполнялись при частоте излучения 3 и 9,4 ГГц в дальней волновой зоне в безэховой камере [А4] и на открытом полигоне [А5]. Исследуемый объект закреплялся на столе, вращающемся в горизонтальной плоскости. Для калибровки на место экрана устанавливались предметы с известной ЭПР.

Рис. 6. Вид щелевой антенны №1 и ее расположение в сферическом экране

Результаты измерений ЭПР плоского и цилиндрического экранов удовлетворительно согласуются с расчетами по программе Пермякова (рис. 7). ЭПР этих объектов можно также оценить в приближении физической оптики

<7=Ом|Л|2 (5)

здесь Ом-ЭПР идеального отражателя такой же формы, как экран, |Я|2-

Я-волна

£-волна

Угол, град. Угол, град.

Рис. 7. Угловые диаграммы ЭПР плоского экрана, /=9,4 ГГц:

а, б - трубки выключены; в, г - [- 0,5 А; а, в - Я-волна; 6, г - Е-волна. Сплошная линия ■ эксперимент; пунктирная ■ расчет по Пермякову

Рис. 8. Угловая зависимость ЭПР сферического экрана во включенном

(сплошные линии, 1=0,5 А ) и выключенном (пунктир) состояниях: а, в ■ 3,0 ГГц; б, г - 9,4 ГГц; а, е - Я-волна; 6, г - Е-волна. Жирные линии - усреднение ЭПР в секторе ±4° 12

коэффициент отражения Е- или Н-волны от периодической плоской решетки из трубок (представлены в Главе 2).

Расчетная модель Периякова не позволяла получить диаграмму рассеяния сферы. Применение формулы (5) для оценки величины ЭПР сферического отражателя из трубок дает значение в 2-3 раза меньше экспериментального. Согласно измерениям, ЭПР сферического экрана не превышала уровня 0,3 м2 (рис. 8) и было наименьшим по сравнению с плоским и цилиндрическим плазменными экранами, что явилось основанием для разработки экранов, по форме близких к сферическим.

Были исследованы защитные свойства как сферических экранов (за которыми устанавливались металлический диск диаметром 31 см или щелевая антенна №1, рис. 6), так и овального (для закрытия плоской щелевой антенны №2 овальной формы). Размер овального экрана ограничивался пространством под обтекателем соответствующего ЛА, антенна полностью закрывалась экраном при ее угловом сканировании до 25°.

Все защищаемые объекты имели приблизительно одинаковые размеры и величину ЭПР (50-100 м2 в 3-х см и 10-20 м2 в 10-ти см диапазонах длин волн). При измерениях с включенным экраном ЭПР снижалась до уровня 0,1-0,3 м2 (рис. 9). Исключение представляет случай //-волны в длинноволновом диапазоне: на диаграмме ЭПР возможно появление максимумов величиной до 1 м2 из-за частичной прозрачности плазмы и возбуждения колебаний в резонаторе, образованном поверхностью антенны и экраном (резонанса можно избежать, варьируя расстояние от экрана до антенны). При повороте антенны на 30° она начинает выходить за габариты экрана и на диаграмме ЭПР появляется максимум (рис. 10), величина которого определяется площадью незатененной части антенны. Следует заметить, что, несмотря на наличие максимумов, средний уровень ЭПР не выходит за пределы 0,1-0,2 м2 в 3-х и 10-ти см диапазонах длин волн для любой поляризации. Таким образом, экран из плазменных трубок является эффективным средством для снижения заметности антенн.

Четвертая глава посвящена исследованию влияния экранов на ДН антенн №1, №2 и №3 (размер 28x28 см): измерялись уровни главного и боковых лепестков, а также сдвиг направления пеленга. Причем сдвиг пеленга исследовался как в суммарном, так и в разностном режимах антенны №1. Эксперименты проводились в безэховой камере в секторе углов ±90°.

Оказалось, что искажения главного лепестка, вызываемые сферическим экраном, сравнимы с искажениями, характерными для обтекателей [10]: величина смещения пеленга в суммарном и разностном режимах не превышала 10 минут, а прохождение составляло 0,2-0,5 дБ (рис. 11). Большее влияние оказывал овальный экран, он имел недостаточные размеры для всестороннего

Я-волна

£-волна

ю

* 1 с

т

0,1 0,01

Г ' • [ Ы9.' ГГц

¡ЛГ/чГ ¡г 1 и |П||! ■ ' № >'1г 1/ ) | 7''¥У

'Ч

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

Азимут, градусы Азимут, градусы

10» ■ ■ ■ ■ ■ • ■ ■ ■ 10

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

Угол места, градусы Угол места, градусы

Рис. 9. Диаграммы ЭПР щелевой антенны N1 при выключенном (сплошная линия) и

включенном {пунктир) сферическом экране. Вверху - Г=9.4 ГГц, внизу - (=3 ГГц

О 20 40 -40 -20 0 20 40

Азимут, градусы Азимут, градусы

Рис. 10. Диаграммы ЭПР овальной щелевой антенны N2 при включенном (пунктир) и выключенном (сплошная линия) экране. Я-волна, /=9,5 ГГц; Слева - азимут антенны относительно экрана 0°, справа - 30°

пи

<рА, градусы 9Д, градусы

Рис. 11. Искажения главного лепестка диаграмм направленности антенн N1 и КЗ в Н-плоскости сферическим экраном в зависимости от азимутального положения антенны в экране. /=9,4 ГГц. л - антенна N1; □ - антенна N3;

а - азимутальный уход пеленга; б - подавление главного максимума

11

V \

N.

] >

-10 о Ю срЛ, градусы

ю

1 -0,2

я

8 -0,8

в)

4

-А-\ К

< >,__

-1.0

б)

- 1 N ^ [Л

,)

о,о

«

4 -0,1 «

и

Й -0,2

-0,3

3 -0.5

=1

С -0,6

-30 -20

-10 0 10 Фд, градусы

г1 ■

ч

Тп \ \

1 \

20

30

-30 -20 -10 0 10 20 30 -30 -20 -10 о 10

Уд, градусы Уд, градусы ,

Рнс. 12. Искажения главного лепестка диаграммы направленности антенны N 2 в Я- (а, 5) и

Е- плоскостях (в, г) в зависимости от угла поворота антенны внутри экрана. / = 9,3 ГГц ; а, в - сдвиг лепестка; б, г- подавление лепестка; д - до корректировки, о - после корректировки

0.4

6

О

6

I -0.4

а

Азимут, градусы Угол места, градусы

Рис. 13. Диаграммы направленности антенны Nie экраном (пунктир) и без него (сплошные кривые) в Н- плоскости (а) и в £-плоскости (6) при различных положениях антенны внутри экрана. /=9,4 ГГц. Угол места антенны (уд) и азимут (<рд) указаны на рисунке

Азимут, град. Угол места, град.

Рис. 14. Диаграммы направленности в Я-гшоскости (а) и в £-шюскости (б) антенны N 2 при ее различных положениях в обтекателе при наличии и отсутствии экрана. / = 9,3 ГГц. Сплошная кривая - без экрана; пунктир - с экраном; Угол места антенны (ц!л) и азимут (<рА) указаны на рисунке

прикрытия антенны, поэтому при ее повороте на краях экрана возникали фазовые искажения фронта волны и значительная девиация главного лепестка (рис. 12). Для уменьшения смещения пеленга производилась фазовая коррекция огибающих экран волн с помощью диэлектрических пластин, укрепленных вокруг экрана, которые являлись как бы его продолжением — в результате их действия смещение пеленга снизилось до б минут (см. рис. 12).

Среди других вероятных причин, искажающих ДН, можно назвать: неравномерность толщины трубок, неидеальность формы экрана, влияние электродов трубок, дифракционное рассеяние на кромках экрана, а также переотражения волны от экрана и антенны. Согласно оценкам, вклад неравномерности толщины стенок и неидеальности формы экрана в смещение пеленга составляет 1-2 минуты. Влияние этих факторов можно снизить совершенствованием технологии изготовления трубок и сборки экрана.

Переотражение от экрана, согласно предварительным расчетам, существенно при формировании боковых лепестков. Лепестки первого порядка возрастают незначительно (на 1-гЗ дБ), существеннее возрастают боковые лепестки более высоких порядков (в некоторых случаях до 5+10 дБ) (рис. 13, 14). Для уменьшения их уровня можно применить согласующий диэлектрический слой, наносимый на поверхность экрана, что кроме того, даст увеличение прохождения главного лепестка ДН. Эксперименты, выполненные с плоскими экранами, показали, что таким способом можно улучшить прозрачность до -0,04 дБ.

Для уменьшения дифракции на экране может быть уместным снижение интенсивности облучения его краев полем антенны. Кроме того, следует стремится к полному охвату антенны экраном или дополнять его элементами, увеличивающими размеры экрана (как при фазовой коррекции), особое внимание уделяя плавности стыка между экраном и дополняющими его элементами.

Заключение

Основные результаты работы состоят в следующем.

1. Анализ электродинамических и эксплуатационных свойств экранов из плазменных трубок говорит об их возможном применении для снижения заметности антенных систем.

2. Изучены особенности рассеяния ЭМВ периодической решеткой, построенной из газоразрядных трубок как заполненных, так и не заполненных плазмой. Для трубок, заполненных плазмой обнаружено резонансное поглощение //-волны и резонансное прохождение Е-волны. Для пустых газоразрядных трубок исследовано влияние высших мод в пространственном спектре рассеянного поля на прозрачность экрана и показана целесообразность использования кварцевых трубок диаметром 16 мм при работе в 3-см диапазоне

длин волн. Выполнены оценки возможного снижения ЭПР при построении экрана из таких трубок.

3. Выполнены измерения ЭПР плоских, цилиндрических и сферических экранов, собранных из газоразрядных трубок. Приведен простой способ оценки ЭПР таких объектов с использованием результатов по рассеянию ЭМВ плоской периодической решеткой.

4. Показано, что из-за непрозрачности плазменных экранов достигаемое снижение уровня ЭПР защищаемых объектов зависит от формы и размеров экрана и не зависит от свойств этих объектов. В частности, для сферического экрана достигнуто снижение ЭПР полотна антенны с характерным размером 40 см до величин порядка 0,1+0,3 м2. Исключение представляет зондирование Н-волной на частоте/=3,0 ГТц, для которой экран частично прозрачен, и случай, когда антенна может выходить за габариты экрана. Рассмотрены пути повышения эффективности экрана в этих ситуациях.

5. Построенные защитные экраны из газоразрядных трубок вносят искажения в диаграмму направленности, сопоставимые с искажениями, допустимыми для антенных обтекателей. Анализ показал, что основными причинами искажений являются неоднородность электромагнитных свойств экрана, связанная с технологией его изготовления, недостаточная прозрачность экрана и, в некоторых случаях, ограниченные размеры экрана. Рассмотрены способы уменьшения искажений.

Список цитируемой литературы

1. Монин М.А., Ягудина КМ. Радиолокационная заметность самолетов. (Обзор по материалам зарубежной печати) —М.: ЦАГИ. 1986. 57 с.

2. Бочкарев A.M., Донгов М.И. Радиолокация малозаметных летательных аппаратов//Зарубежная радиоэлектроника. 1989. №7. С. 4-17

3. Frequency Selective Surface and Grid Array. Edited by Wu Т.К. John Wiley & Sons, Inc. 1995.331 p.

4. Вайсблат A.B. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых диодах. - М.: Радио и связь. 1987. 120 с.

5. Meger R.A., Mathew J., Gregor J.A., Pechacek R.E., Fermier R.F., Manheimer W., Robson A.E. Experimental investigation of the formation of a plasma minor for high-frequency beam steering //Phys. Plasmas. 1995. V.2. P.2532-2538.

6. Vidmar R.J. On the use of atmospheric pressure plasmas as electromagnetic reflectors and absorbers // IEEE Trans. Plasma Sci.1990. V.18, №4, P.733-741

7. Плохих А.Б., Важенин H.A. Методы и средства модификации воздушной среды при наблюдении воздушных объектов // Зарубежная радиоэлектроника. 1992. №9. С. 29-56

8. Bailie P., Chang J.-S. /., Claude A., Hobs on R.M., Ogram G.L., Yaw A.W. Effective collision frequency of electrons in noble gases //Journal Phys. B: Atomic and Molecular Phys. 1981. V.14. №9. P.1485-1495

9. Ершов А.П. Исследование кинетики электронов в плазме ВЧ разряда низкого давления в инертных газах. Дисс. к.ф.-м.н. МГУ. М.: 1982. 186 с.

10. Каплун В.А. Обтекатели антенн СВЧ.— М.: Сов. Радио. 1974.240 с.

Основные результаты диссертации представлены в работах:

А1. Danilov А. V., Ilchenko S.A., Kunavin А.Т., Markov А. V., Permyakov V.A., Sapozhnikov D.V., Tsemko S.N., Volsky V.A., Yakovlev V.Y. Electromagnetic waves scattering by periodic plasma structure//Physica A. 1997. V.241. P.226-230

A2. Danilov A. V., Ilchenko S.A., Kunavin A.T., Markov A. V., Permyakov V.A., Sapozhnikov D.V., Tsemko S.N., Volsky V.A., Yakovlev V. Y. Electromagnetic wave scattering by an array of tubes filled with plasma //J. Phys. D: Appl. Phys. 1997. V.30.P.2313-2319

A3. Данилов А.В., Ильченко C.A., Кисель H.H., Кунавин A.T., Марков А.В., Сапожников Д. В., Федоренко А, И., Яковлев В.Е. Дифракция электромагнитной волны на решетке из диэлектрических трубок. Препринт ОИВТ РАН № 8-437.-М. 1999. 27с.

А4. Данилов А.В., Дорофеев И.В., Ильченко СЛ., Кунавин А.Т., Марков А.В., Пермяков В.А., Сапожников Д.В., Федоренко А,И., Яковлев В.Е. Рассеяние электромагнитных волн на трубчатых плазменно-диэлектрических структурах. Препринт ОИВТ РАН. № 8-443. -М„ 2000. 20 с.

А5. Савинов В.А., Бурмакин Н.Ф., Шевченко Г.А., Кибгц С.Г., Ильченко С.А., Бардин А.А., Смирнов М.П. Отчет 5 ЦНИИИ МО РФ. Утвердил В. Мишненков. № 16/53 ДСП. Книга 2. 24.05.2000

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ЭКРАНА ИЗ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТРУБОК, ЗАПОЛНЕННЫХ ПЛАЗМОЙ

С.А. Ильченко

Автореферат

Подписано в печать 10.05.01

Печать офсетная

Тираж 100 экз._

Уч.-изд.л. 1,19 Заказ № 467

Формат 60x84/16 Усл.печ.л. 1,04 Бесплатно

ОИВТ РАН. 127412, Москва, ул. Ижорская, 13/19

Отп. 1 экз.+100 (ксерокс). 1й-100й экз.— рассылка, 101й—б-ка. Исп. —Ильченко С.А. 10.05.2001.