Электромагнитная совместимость приемно-передающих устройств, расположенных на элементах конструкций сложной формы

При создании многих радиотехнических устройств очень часто возникает проблема обеспечения их нормальной работы в условиях сложной электромагнитной обстановки. Эта проблема носит название электромагнитной совместимости устройств [1−3]. В основном, ЭМС включает в себя задачи о влиянии непреднамеренных помех на работу различных радиотехнических систем. Происхождение помех может носить самый различный характер. Это могут быть помехи, создаваемые другими радиотехническими средствами, расположенными в непосредственной близости. Чаще всего такие проблемы встречаются на различного рода носителях: кораблях, подводных лодках, самолетах, космических аппаратах и т. д. Источниками помех могут быть также окружающие объекты, способные рассеивать излучаемые или принимаемые сигналы.

Для уменьшения взаимного влияния РТУ друг на друга обычно предпринимаются следующие меры: 1) Если это возможно, устройства проектируются таким образом, чтобы они работали в разных частотных диапазонах- 2) Уменьшается уровень бокового и заднего излучения приемных антенн- 3) Во входных каскадах устройств применяются различные фильтры, препятствующие дальнейшему прохождению помехи- 4) Применяются специальные электромагнитные экраны различной конфигурации. В крайних случаях, когда вышеперечисленные действия невозможны, либо неэффективны, осуществляется попеременная работа радиотехнических устройств.

Существует два основных способа получения информации о рассеивающих свойствах объектов: это экспериментальные исследования, связанные с измерениями полей рассеяния реальных объектов на полигонах, в безэховых камерах и т. п., и теоретические исследования, основанные на строгом или приближенном решении задачи дифракции электромагнитных волн. Поскольку первый метод предполагает наличие реального объекта рассеяния или его достаточно хорошего макета, то этот метод, наряду со своими значительными экономическими, организационными и физическими затратами, практически неприменим на ранних стадиях проектирования как новых аэродинамических объектов, так и систем локации. Поэтому методы математического моделирования, способные решить такую задачу, находят все большее применение.

Существует множество работ, посвященных определению рассеивающих свойств объектов сложной геометрической формы, например [4−10]. Однако в подавляющем большинстве этих работ рассмотрены ситуации, когда рассеянное объектом поле ищется на больших расстояниях от самих объектов (это актуально для задач радиолокации). Однако бывают случаи, когда необходимо вычислить рассеянное объектом поле в областях, находящихся в непосредственной близости от объекта. Это требуется при учете влияния рассеянных носителем полей на работу бортовых радиотехнических средств. Литературы, посвященной последней теме, крайне мало. Поэтому целью данной работы является попытка восполнить указанный пробел.

В работе [11] представлена методика, позволяющая весьма приближенно произвести расчет ошибок пеленгования ИРИ, расположенном на самолете. Использованы результаты решения задач дифракции электромагнитных волн на идеально проводящих прямоугольной, круглой пластинах и некоторых других простейших геометрических телах. Приведенный подход позволяет дать оценку погрешности пеленгования «не более чем.».

В [12] решена задача рассеяния радиоволн пеленгационной системой, представляющей собой кольцевую антенную решетку вибраторов. Приведены расчеты влияния переотражений в антенной системе на точность измерения направления на источник излучения. Приведен пример нейросетевого алгоритма обработки сигналов при пеленговании.

В настоящей работе рассмотрены некоторые задачи ЭМС, встречающиеся преимущественно на летательных аппаратах. Такие задачи, как правило, весьма сложны и громоздки. Во-первых, это связано с шириной полосы рабочих частот РТУ, которая зачастую составляет несколько октав. Во-вторых, затрудняется аналитическое решение задачи рассеяния (дифракции) электромагнитных волн корпусом носителя вследствие сложности его конструкции (так как точное решение дифракционных задач получено лишь для небольшого числа сравнительно простых геометрических тел [4, 13−18]). В-третьих, размеры носителя могут быть настолько велики, что применение специализированных компьютерных САПР для решения задач ЭМС становится весьма затруднительным или невозможным. В диссертации рассмотрены следующие задачи:

— Построение электродинамической модели разностно-дальномерного пеленгатора на самолете [19, 20];

— Определение ошибок пеленга, происходящих из-за рассеяния волн на элементах корпуса самолета;

— Расчет развязки между антеннами при наличии электромагнитного экрана сложной конфигурации [21, 22].

Целями диссертационной работы являются:

— Разработка процедуры определения точностных характеристик бортового радиопеленгатора, принимающего импульсные сигналы источника радиоизлучения;

— Определение величины развязки между антеннами, входящих в состав различных технических средств при наличии экранов сложной конфигурации.

Диссертационная работа состоит из пяти глав, введения и заключения. Глава 1 носит обзорный характер. В ней коротко излагается суть основных аналитических и численных подходов к решению дифракционных задач.

В главе 2 решена задача рассеяния электромагнитных волн некоторыми элементами конструкции самолета. Применен метод физической оптики в комбинации с методом эквивалентных краевых токов для расчета полей, рассеянных ребрами конструкции.

В главе 3 предложена методика расчета электромагнитных полей, рассеянных идеально проводящим круговым цилиндром конечной длины (цилиндром аппроксимируется фюзеляж самолета).

В главе 4 приведены оценки ошибок пеленгования источника импульсных сигналов (способ пеленгования — разностно-дальномерный).

Антенны на летательных аппаратах часто размещаются таким образом, чтобы они не выступали над поверхностью аппарата. Для этого антенны помещаются внутри открытых полостей (резонаторов). В главе 5 рассмотрена задача о влиянии различных источников электромагнитного излучения на антенну, расположенную внутри прямоугольного резонатора, который окружен прямоугольным металлическим экраном. Рассмотрено возбуждение экрана плоской и сферической волной, симметричное и несимметричное возбуждение резонатора, одномодовый и многомодовый режимы внутри резонатора. Предложены различные подходы для решения задачи в зависимости от способа возбуждения электромагнитного экрана.

Достоверность полученных результатов следует из того, что использованы апробированные методы решения задач дифракции, а там, где это возможно, подтверждается расчетами в специальном компьютерном пакете электромагнитного моделирования и экспериментальными данными.

Диссертационная работа носит в основном теоретический характер.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Построены аналитические модели рассеяния электромагнитных волн некоторыми элементами рассмотренной конструкции самолета (крыльями, стабилизатором) с учетом краевых эффектов (расчет основан на применении токового метода и метода краевых волн физической теории дифракции, разработанного П.Я. Уфимцевым);

2. Построена аналитическая модель рассеяния электромагнитных волн фюзеляжем самолета. Рассмотрено два типа аппроксимации последнего: идеально проводящим цилиндром конечной длины и идеально проводящим эллипсоидом вращения. Аналитическая модель рассеяния волн цилиндром конечной длины построена двумя способами: а) методом наведенных электродвижущих сил, что соответствует случаю, когда длина цилиндра составляет несколько длин волнб) с использованием метода физической оптики. Задача рассеяния электромагнитных волн эллипсоидом вращения также решена методом физической оптики. Определены границы применимости каждой из предложенных аналитических моделей.

3. Предложен способ расчета искажений импульсных сигналов, принимаемых пеленгационными антеннами, вследствие дифракции на корпусе самолета и определения ошибок пеленгации, связанных с этим;

4. Выполнен аналитический расчет входного сопротивления и распределения поверхностного тока осесимметричного диполя сложной конфигурации;

5. Построена аналитическая модель рассеяния электромагнитных волн идеально проводящим экраном сложной конфигурации при различных способах возбуждения последнего;

Положения, выносимые на защиту:

1. Предложенная электродинамическая модель корпуса самолета позволяет в явном виде получить аналитические выражения для компонент электромагнитного поля, рассеянного корпусом самолета.

2. Разработанная процедура определения искажений формы импульсных сигналов вследствие дифракции на корпусе самолета позволяет оценить величину ошибки пеленгования источника импульсных сигналов разностно-дальномерным методом. Показано, что уровень бокового излучения антенн пеленгатора существенно влияет на точностные характеристики последнего, ошибки пеленгования могут составлять десятки градусов, если уровень боковых лепестков ДН антенны достаточно высок. Также показано, что точность пеленга существенным образом зависит от несущей частоты и типа пеленгуемого сигнала.

3. Построенная математическая модель учета взаимного влияния антенн при наличии электромагнитного экрана сложной конфигурации позволяет рассчитать величину развязки между антеннами.

4. Предложенная математическая модель диполя сложной конфигурации позволяет произвести расчет частотной зависимости входного сопротивления диполя и закона распределения поверхностного электрического тока.

Результаты, полученные в диссертации, были доложены на следующих конференциях:

1. 62-я научно-техническая конференция, посвященная Дню радио, Санкт-Петербург, апрель 2007 г.

2. Конференция, приуроченная к 100-летию ФГУП «НИИ «Вектор», Научно-технические проблемы в промышленности, Санкт-Петербург, 12−14 ноября 2008 г.

Перечень публикаций по теме диссертации приведен ниже, а также в списке литературы.

1. Суриков, В. В. Рассеяние электромагнитного поля элементами конструкции самолета / В. В. Суриков, В. П. Акимов // Научно-технические ведомости СПбГПУ. — 2008. — № 2. — С. 235−239. -Библиогр.: с. 239.

2. Суриков, В. В. Применение метода эквивалентных краевых токов к расчету дифракционных полей от элементов конструкции самолета/В.В. Суриков, В. П. Акимов // Тезисы 62-й научно-технической конференции, посвященной Дню радио. Санкт-Петербург. — 2007. — С.12−13. Библиогр.: с. 13.

3. Суриков, В. В. Рассеяние высокочастотных импульсов элементами конструкции самолета / В. П. Акимов, В. В. Суриков // Научно-методологические основы космической деятельности России. М.: РАН. -2008.-С. 18−32.-Библиогр.: с. 32.

4. Суриков, В. В. Расчет развязки между антеннами при наличии электромагнитного экрана сложной конфигурации / В. П. Акимов, В. В. Суриков // Научно-технические ведомости СПбГПУ. — 2008. -№ 3. -С. 137−144.-Библиогр.: с. 144.

5. Суриков, В. В. Влияние экрана на развязку между магнитным диполем и электрическим вибратором /В.В. Суриков, В. П. Акимов // Научно-технические ведомости СПбГПУ. — 2008. — № 6. — С.10−16. — Библиогр.: с. 16.

6. Суриков, В. В. Расчет развязки между антеннами при наличии электромагнитного экрана сложной конфигурации // тезисы конференции, приуроченной к 100-летию ФГУТТ «НИИ «Вектор». Научно-технические проблемы в промышленности. Санкт-Петербург. -2008.-С. 135−141.-Библиогр.: с. 141.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе рассмотрено электродинамическое влияние корпуса самолета на точностные характеристики бортового радиопеленгатора. Произведен расчет развязки между антеннами различных радиотехнических средств при наличии электромагнитных экранов сложной конфигурации.

Ниже перечислены основные результаты диссертационной работы:

1. Для рассмотренной аппроксимации корпуса самолета решена задача дифракции электромагнитных волн на отдельных элементах его конструкции, таких как стабилизатор, фюзеляж, крылья. Для учета вклада полей, рассеянных плоскими идеально проводящими кромками конструкции аппарата применен метод физической теории дифракции. Для учета резонансных эффектов, возникающих при касательном падении плоской электромагнитной волны на фюзеляж, применен метод наведенных электродвижущих сил.

2. Используя результаты решения задачи дифракции электромагнитных волн на корпусе самолета, рассчитаны ошибки пеленгования источника радиоизлучения, вызванные влиянием корпуса носителя. Предполагалось, что используется разностно-дальномерный метод пеленгования. Рассмотрено два типа антенн: ненаправленная (изотропный излучатель) и слабонаправленная. Ширина ДН последней антенны по уровню минус 3 дБ составляла 90°. Величина дальнего бокового излучения составляла минус 12 дБ. Показано, что максимальный вклад в величину ошибки пеленгования вносит фюзеляж самолета в нижней части рассматриваемого диапазона частот (когда на длине фюзеляжа укладывается порядка 7 длин волн). Применение ненаправленных антенн неприемлемо, так как ошибки пеленгования в этом случае могут составлять десятки градусов. Использование антенны второго типа снижает величину ошибок пеленга, однако имеются узкие сектора, где ошибки пеленга превышают 10°. В более высоком диапазоне частот (когда длина фюзеляжа составляет порядка 70 длин волн и более) ошибки пеленга имеют существенно меньшие величины. Также показано, что тип принимаемого сигнала существенным образом влияет на точность пеленга.

3. Решена задача о влиянии электромагнитного экрана на величину развязки между антеннами. Рассмотрены случаи, когда антенны удалены друг от друга (экран облучается плоской волной), и когда антенны находятся в непосредственной близости (экран облучается сферической волной). В зависимости от способа возбуждения, задача решена двумя различными методами (использовано строгое решение задачи дифракции плоской электромагнитной воны на идеально проводящем клине, а также приближение Гюйгенса-Кирхгофа). Рассмотрены одномодовый и многомодовый режимы внутри резонатора.

В одном из вышеперечисленных случаев в качестве приемной антенны рассматривался диполь сложной конфигурации. Для того чтобы вычислить величину развязки между антеннами, необходимо знать входное сопротивление и распределение тока по диполю. Для расчета входного сопротивления электрического диполя был использован метод наведенных ЭДС. При этом распределение тока на поверхности диполя находилось тем же способом, что и распределение тока на цилиндре конечной длины в главе 3.