Антенные устройства на основе плазменных технологий

Начиная с конца 1970;х годов ведутся достаточно интенсивные исследовательские работы, направленные на снижение заметности объектов вооружения и военной техники (ОВ и ВТ). Снижение заметности осуществляется в радио, инфракрасном, видимом и акустическом диапазонах частот волн. Наиболее важной считается задача снижения заметности в радиодиапазоне, поскольку радиолокационные средства обеспечивают в настоящее время наибольшую дальность обнаружения [1].

Актуальность работ по снижению радиолокационной заметности (РЛЗ) ОВ и ВТ наиболее ярко проявляется в работах по снижению РЛЗ летательных аппаратов (ЛА).

Уменьшение РЛЗ ЛА является одним из основных методов снижения эффективности радиолокационных средств за счет снижения дальности обнаружения. Дальность обнаружения ЛА определяется выражением [2]:

Оценки вероятности потерь самолетов в зависимости от ЭПР показывают, что уменьшение ЭПР ЛА позволяет существенно снизить эффективность применения средств противовоздушной обороны (ПВО, см. рис.1) [2]. эпр

Рис. 1. Зависимость относительных потерь от (ЭПР).

Тенденции снижения эффективной площади рассеяния ЛА (без учета ЭПР антенн бортового радиооборудования) за последние четверть века таковы.

•у рис.2), что если в 1980 годах самолеты типа Б-15 имели ЭПР порядка 10 м, то у модернизированного самолета она составляет 1 -1.5 м2, а у перспективных самолетов пятого поколения, таких как Б — 22, Р — 35, снижена до 0.03 — 0.05 м2[3]. м2 16 14 12 10 8 6 4 2.

ЭПР.

• Р-З Тоонало Мираж Р-1С, Е.

Модернизация • • ] | Р-117Д «| • Р-22А.

1985 1990 1995.

• ЕР-2С.

1 Л5*,.

Год принятия на вооружаете.

Рис. 2. Снижение ЭПР ЛА с годами.

Для достижения минимальной радиолокационной заметности (РЛЗ) летательных аппаратов (ЛА) существует целый комплекс мероприятий направленный на снижение, как его отдельных элементов, так и всего ЛА в целом. Совокупной характеристикой радиолокационной заметности (РЛЗ) является эффективная площадь рассеяния (ЭПР). Оценка ЭПР производится экспериментально и расчетным методом. Для достижения минимальной заметности летательных аппаратов (ЛА) существует целый комплекс мероприятий направленный на снижение (минимизацию) (РЛЗ), как его отдельных элементов, так и всего-ЛА в целом.

На сегодняшний" день известны следующие традиционные способы снижения РЛЗ ЛА [4]:

— рациональный выбор формы отдельных элементов конструкции и ЛА в целом- - применение поглощающих покрытий и композиционных конструкционных материалов;

— применение специальных покрытий и устройств, целенаправленно изменяющих отраженный сигнал от ЛА. Однако основным является рациональный выбор формы отдельных элементов конструкции и ЛА в целом.

Эффективная площадь рассеяния ЛА, формируется центрами отражения — «блестящими точками». К ним можно отнести: кабину пилота, воздухозаборники, антенны, острые кромки, участки поверхности планера ЛА, нормаль к которым имеет направление, близкое к направлению на облучающую радиолокационную станцию (РЛС) [5].

Соотношение характерных размеров ЛА идлин волн РЛС позволяет использовать для оценки радиолокационных характеристик реальных воздушных целей модель совокупности центров рассеяния в предположении случайности фаз отражения отдельными, наиболее существенными элементами. Отраженный сигнал формируется в основном зеркальной составляющей-, рассеянием острымикромкамиэлементов ЛА, бегущими волнами на закругленной поверхности.

Задача формирования^ рациональной архитектуры состоит в устранении «блестящих» точек наповерхности JIA. При невозможности полного устранения применяются меры для уменьшения количества «блестящих» точек.

Существуют следующие подходы к созданию архитектуры наружной поверхности JIA:

— создание ДА такой конфигурации, при которой отражение происходит в направлениях, отличных от направления на облучающую PJIC;

— создание JIA с гладкой формой, по возможности лишенной элементов с малым радиусом кривизны.

Например, самолет — невидимка F — 117А имеет необычную конфигурацию, состоящую из большого числа плоских поверхностей и граней [6]. При такой конфигурации отражение происходит в’направлениях, отличных от направления на PJIC. На самолете нет криволинейных поверхностей и изогнутых кромок, способствующих изотропному рассеянию, и полностью отсутствуют прямые углы, играющие роль уголковых отражателей. Прямые края кромок, створок и люков, различных ниш и отсеков, расположенных перпендикулярно продольной оси самолета и направлению облучения в передней полусфере, прикрыты специальными накладками из радиопоглощающего материала с пилообразной окантовкой. ЭПР такого JIA составляет 0,025 м².

Второй подход использован при разработке стратегического бомбардировщика В-2 [7]. Самолет выполнен по схеме «летающее крыло» без вертикальных поверхностей управления. л.

Для получения минимальной ЭПР В-2 (а = 0.1 м) был использован принцип формирования рациональной архитектуры, заключающийся в концентрации всех отражений в четырех X — образных секторах [7]. На рис. 3 приведена архитектура наружной поверхности самолета В-2.

Рис. 3. Архитектура самолета В-2.

Полностью выполнить задачу отражением падающих лучей в сторону, отличную от направления на PJIC, не удаетсясуществуют сектора, в которых ЭПР самолетов F-117A, В-2 значительно выше средней величины. Поэтому расположение этих секторов подбирается так, чтобы сделать вероятность обнаружения JIA крайне малой.

Таким образом, содержание принципа формирования рациональной внешней формы состоит в создании конструкцииДА с отсутствием отраженных лучей в направлении на облучающую PJIC.

Этот метод не применим к снижению радиолокационной заметности авиационных антенных устройств, так как формирование рациональной внешней формы антенн приведет к функциональному нарушению их работоспособности.

Задача по достижению пониженной ЭПР JIA впервые была достигнута на самолетах, построенных по технологии «Стеле» В-2 и F-117, путем изменения формы планера и полной замены радиоэлектронного оборудования с металлическими антеннами на оптикоэлектронные системы. Это привело к снижению боевой эффективности JIA [7].

Уже при создании следующего поколения самолетов невидимок (F-22A «РАПТОР», F-35), в состав JIA был включен радиоэлектронный комплекс, что позволило найти компромисс между минимальной ЭПР J1A и его боевой эффективностью. Как уже отмечалось, в комплексе мероприятий по снижению.

РЛЗ наиболее сложными элементами являются антенные устройства (антенны радиолокаторов, связные, станций радиоэлектронного противодействия, радио ответчиков и т. д.) Большое количество антенных устройств, расположенных на ЛА могут дать вклад в ЭПР ЛА соизмеримый с ЭПР ЛА и даже превысить его. Так например, величина ЭПР только, одной бортовой антенны вибраторного типа связной станции, работающей в УКВ диапазоне гу метровом) составляет ~ 0.7 м, [6]. Таким образом, без решения задачи по снижению заметности бортовых антенных устройств ЛА, не предоставляется возможным получить удовлетворительное решение проблемы снижения общей заметности ЛА. Поэтому работам в этом направлении уделяется повышенное внимание. Главными требованиями, предъявляемыми к работе бортовых радиолокационных и связных станций на малозаметных ЛА, являются:

— радиомаскировка антенных устройств в пассивном режиме работы, с целью максимального снижения их заметности для радиолокаторов;

— быстрота, с которой станция может выходить на кратковременную связь или включать собственный радиолокатор, быстро менять частоту волн связи, а также переходить в, режим маскировки антенн при облучении средствами обнаружения.

Традиционные средства маскировки ЛА в данном случае не могут быть использованы без ухудшения технических характеристик антенных систем, а механические элементы маскировки обладают большой инерционностью. Поэтому разработка общих принципов управления характеристиками антенн, позволяющих снизить радиолокационную заметность объектоввооружения и военной техники (ОВ и ВТ) и, в частности, антенн ЛА без ухудшения технических характеристик радиоэлектронных комплексов, является актуальной и важной научной задачей. В связи с этим, предметом исследования являются физические и технические характеристики плазменных приемо-передающих вибраторных и волноводно-щелевых антенных устройств и пассивных плазменных решеток., а целью диссертационной работы является обоснование возможности использования перечисленных типов антенн в системах УКВ связи, создании волноводно-щелевых плазменных антенн с управляемой ДН и маскирующих плазменных экранов на основе пассивных плазменных решеток.

Целью работы является разработка формирующих радиоизлучение антенных устройств вибраторного, щелевого и рефлекторного типов на основе плазменных технологийобоснование возможности использования плазменных антенн вибраторного типа в системах УКВ связи, создании волноводно-щелевых плазменных антенн с управляемой диаграммой направленности и пассивных плазменных антенных решеток.

Для достижения поставленной цели-решены следующие задачи.

1. Разработаны основные физические принципы новых антенных устройств вибраторного, щелевого и рефлекторного типов на основе" плазменных технологий.

2. Создана экспериментальная установка для исследования характеристик плазменных приемо-передающих вибраторных антенн. Впервые исследованы, в зависимости от плотности плазмы, частотные характеристики антенных устройств и чувствительность в режиме приема.

3. Разработана и создана плазменная волноводно-щелевая антенна СВЧ диапазона. Проведены исследования возможности управления диаграммой направленности этих антенн с помощью изменения плотности плазмы.

4. Впервые был использован скользящий разряд для создания рефлекторной плазменной антенной решетки. Проведено численное моделирование по определению характеристик таких решеток.

Методы исследования. Представленные в работе результаты получены на основе сравнительного анализа, аналитически, численным методом и экспериментально.

Достоверность основных положений, выводов и результатов работы обеспечена: согласованностью ряда полученных результатов с аналогичными, и опубликованными в отечественной и зарубежной печатиадекватностью разработанных моделей реальным объектамсоответствием результатов, полученных экспериментально и на основе расчетов с использованием известного математического аппарата и моделированием на ПК.

Один из перспективных путей создания антенных устройств с управляемых параметрами — это использование плазменных технологий.

В частности, можно использовать плазменные проводники, для формирования которых используется' газовый разряд. В этом случае плазменный проводник формируется в диэлектрическом канале, заполненным газом [8]. Время «включения» плазменных антенных устройств определяется скоростью ионизации (обычно она составляет не более микросекунды). Время «выключения» определяется временем деионизации плазмы и может быть несколько выше в зависимости от режимов работы, но> не более миллисекунды.

Научная новизна диссертационной работы:

• Впервые продемонстрирована возможность использования, плазменной вибраторной антенны в качестве приемной, возбуждаемой собственным излучением передатчика.

• Для управления диаграммой направленности волноводно-щелевой антенны предложено использовать плазменные волноводно-щелевые антенны. Плазменные волноводно-щелевые антенны позволяют безинерционно управлять диаграммой направленности.

•¦> Впервые использовался скользящий разряд для создания рефлекторных антенн СВЧ диапазона.

Научная и практическая значимость работы. Применение результатов работы дает возможность реализации новых путей создания плазменных вибраторных антенн ЭПР которых на, один — два порядка меньше ЭПР металлических вибраторных антенн, волноводно щелевых антенн с практически безынерционным управлением ДН и пассивных плазменных антенных решеток.

Практическая ценность проведённых исследований состоит в том, что показаны пути реализации плазменных антенных устройств с управляемыми параметрами, эффективность работы которых (мощность излучения, форма диаграммы направленности, шумовые характеристики и КПД) сравнима металлическими аналогами. Например, применение таких антенн позволяет снизить PJI3 объектов вооружения и военной техники. В частности, боевая эффективность малозаметных самолётов (программа STEALS) оказалась низкой, в следствии того, что на этих самолетах отсутствуют радиоэлектронные комплексы, с традиционными типами антенн. Применение плазменных технологий позволяет решить эту проблему, практически не увеличивая ЭПР JIA.

Основные научные положения, выносимые на-защиту, и результаты:

1. Приемо-передающее плазменное антенное устройство с электронной перестройкой частоты приема и высокой чувствительностью, в которой возбуждение плазмы производится на одной частоте приемо7передатчика (более высокой), осуществляет прием сигнала на другой частоте (более низкой), с постоянной величиной разноса частот между ними.

2. Характеристики приемной плазменной антенны определяются плотностью плазмы.

3. В о лново дно-щелевые плазменные' антенные устройства позволяют осуществлять электронную перестройку ДН с практически безынерционным управлением в широком секторе углов.

4. Рефлекторные плазменные антенные решетки (ПАР) дают возможность управлять положением боковых лепестков ДН. ПАР используемые в качестве маскирующих экранов имеют особенности, определяемые параметрами плазмы, которые дают им преимущества по сравнению с традиционными металлическими антеннами.

5. Особенности физического механизма работы плазменных антенн показывают их преимущества по сравнению с металлическими антеннами, что позволяет создать приемо-передающие плазменные антенны с величиной ЭПР меньше, чем 0.03.0.05м2.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, приложений, списка использованных источников информации, включающего 53 наименованиясодержит 111 страниц текста, 61 рисунок и 4 таблицы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

1. Впервые проведены испытания приемного плазменного антенного устройства вибраторного типа, которые позволили установить:

— существует возможность приема сигналов на плазменное антенное устройство, возбуждаемое собственным излучением приемопередатчика;

— частотный диапазон соответствует частотному диапазону приемопередатчика;

5 6.

— уровень сигнала, при котором осуществлялся прием, составил ~ 10″ .10″ Вт.

2. Впервые было продемонстрировано, что волноводно-щелевые плазменные антенные устройства позволяют осуществлять электронную перестройку диаграммой направленности с практически безынерционным управлением в широком секторе углов.

3. Была разработана и создана плазменная антенная решетка из плазменных антенных устройств вибраторного типа на скользящем поверхностном*разряде с управляемой диаграммой направленности, которая может использоваться в качестве рефлекторной антенны. Проведены расчеты и сравнение плазменной антенной решетки с металлической (диаграммы направленности рассеянного излучения в области различных длин СВЧ диапазона и разных поляризаций падающего излучения), которые показали, что рефлекторные плазменные антенные решетки (ПАР), в отличии от металлических, дают возможность управлять положением боковых лепестков ДН.

4. Полученные в диссертационной работе результаты открывают принципиально новые возможности в радиолокации за счет реализации быстродействия в управлении диаграммой направленности многощелевых антенных устройств.

БЛАГОДАРНОСТИ.

Автор выражает благодарность своему научному руководителю Н.Г. Гусейн-Заде за постановку задачи и повседневную помощь при её решении. Автор благодарит так же своего научного консультанта И. М. Минаева за руководство при проведении экспериментов и обсуждении их результатов. А так же выражаю благодарность сотрудникам теоретического отдела ИОФРАН и сотрудникам лаборатории резонансных явлений отдела колебания за обсуждения результатов. Особую благодарность хочу выразить своему учителю К. Ф. Сергейчеву обучившему меня основам радиофизики и экспериментальной техники.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Данная диссертационная работа посвящена разработке новых электродинамических систем и устройств формирования и передачи радиосигналов с использованием плазменных технологий, в частности плазменных антенн и их элементов, а виде резонаторов и волноводов, в радиодиапазоне. Обоснование возможности использования плазменных антенн вибраторного типа в системах УКВ связи, создании волноводно-щелевых плазменных антенн с* управляемой диаграммой направленности и пассивных плазменных антенных решеток.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработаны основные физические принципы новых электродинамических систем и устройств формирования на основе плазменных технологий, а именно плазменных вибраторных и щелевых антенн и плазменных решеток и их элементов.

2. Создана установка для исследования характеристик плазменных приемопередающих вибраторных антенн. Измерены частотные характеристики и чувствительность приемных антенн в зависимости от плотности плазмы.

3. Разработана и создана плазменная волноводно-щелевая антенна СВЧ диапазона. Проведены исследования возможности управления диаграммой направленности этих антенн с помощью изменения плотности плазмы.

4. Впервые был использован скользящий разряд для создания рефлекторной плазменной антенной решетки. Проведено численное моделирование по определению характеристик таких решеток.