Исследование формирования распределения электромагнитного поля, близкого к полю плоской волны, в рабочей зоне безэховой камеры тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат наук Меньших Николай Леонидович

• Меньших Николай Леонидович
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Меньших Николай Леонидович

Введение

1. Обзор литературы

1.1. Низкочастотные рупорные камеры для электромагнитных измерений

1.2. Линзовые коллиматоры

1.3. Облучатели коллиматоров

2. Основы формирования квазиплоского поля в БЭК

2.1. Общие критерии квазиплоской волны

2.2. Требования, предъявляемые к системе коллиматор облучатель

2.3. Постановка задачи исследования

3. Разработка облучателя коллиматора со специальной формой диаграммы направленности

3.1. Коллиматор МАК-5М, его параметры

3.2. Эмпирические формулы для оценки геометрии рупора

3.3. Расчет рупора с изломом образующей и скосом апертуры методом моментов

Возбуждение рупора и граничные условия

Метод интегральных уравнений

Общая схема метода моментов

Метод моментов для проводящих поверхностей

Реализация метода моментов в программе БЕКО

Процедура расчета

3.4. Сравнение результатов расчета поля в рабочей зоне при использовании стандартного облучателя и облучателя со специальной формой ДН

3.5. Достоверность результатов расчета

3.6. Выводы

4. Формирование электромагнитного поля в рупорной безэхо-

вой камере

4.1. Принципы, лежащие в основе модели рупорной камеры

4.2. Геометрия рупорной камеры

4.3. Моделирование РПМ

Моделирование РПМ на стенках рупорной части камеры

Моделирование РПМ на стенках прямоугольной части камеры

4.4. Расчет рупорной части камеры, источник диполь . 82 МОМ для расчета рассеяния ЭМП на диэлектрических телах

Модель камеры в программе РЕКО

4.5. Экспериментальная проверка достоверности расчетов

4.6. Сравнение результатов расчета распределения поля

с экспериментальными данными

4.7. Моделирование источника излучения в камере

4.8. Результаты расчета распределения поля в камере с вибраторной антенной

4.9. Оценка достоверности результатов

Оценка сходимости

Пересчет поля

Погрешность метода

4.10. Выводы

5. Формирование квазиплоской волны в рабочей зоне рупорной

БЭК с линзой

5.1. Тип линзы и ее материал

5.2. Модель линзы

5.3. Оптимизация фокусного расстояния линзы

5.4. Поле в рабочей зоне рупорной камеры с линзой

5.5. Альтернативный расчет методом геометрической и

физической оптики

Расчет линзы гибридным методом физической/геометрической оптики

Результаты расчета. Выявление причин, ухудшающих равномерность поля в рабочей зоне

5.6. Вариации диаметра линзы

5.7. Использование просветления

Выбор частоты просветления

Просветление с двух сторон линзы

Просветление только на плоской поверхности линзы

5.8. Кросс-поляризационная компонента поля

5.9. Достоверность полученных результатов

5.10. Выводы

Заключение

Список используемых источников

Обозначения и сокращения

БЭК - безэховая камера

ГО - метод геометрической оптики

ГТД - геометрическая теория дифракции

ДН - диаграмма направленности

КБЭ - коэффициент безэховости камеры

КИП - коэффициент использования поверхности

КП - компактный полигон

MOM - метод моментов

ОПУ - опорно-поворотное устройство

РБЭК - рупорная безэховая камера

РИМ - радиопоглощающий материал

РРА - расфазированая рупорная антенна

СЛАУ - система линейных алгебраических уравнений

ФО - метод физической оптики

ЭМП - электромагнитное поле

ЭМВ - электромагнитная волна

ЭПР - эффективная площадь рассеяния

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование формирования распределения электромагнитного поля, близкого к полю плоской волны, в рабочей зоне безэховой камеры»

Актуальность темы

Современный мир невозможно представить себе без связи, навигации и радиолокации. Причем диапазонов частот, не использующихся для гражданских или военных целей, становится все меньше.

В радиолокации важной задачей является обнаружение искомого объекта. Особенно это актуально при проведении работ по разработке стелс-объектов. Для обнаружения объекта необходимо знать характеристики рассеяния или излучения объекта, такие как эффективная площадь рассеяния (ЭПР) или диаграмма направленности (ДН). Чтобы получить достоверные знания об объекте, нужны теоретические и экспериментальные исследования его свойств. Разработано множество приближенных и точных методов расчета, позволяющих вычислить нужную характеристику в заданном приближении. Однако, несмотря на развитие вычислительных мощностей современных компьютеров и численных методов, без измерений характеристик рассеяния или излучения исследуемого образца полностью обойтись нельзя. Это обусловлено сложностью формы поверхности объектов, наличием взаимосвязи между отдельными элементами конструкции, а также сложностью корректного описания характеристик материалов, которыми часто покрыта поверхность исследуемого объекта. Поэтому для решения любой комплексной задачи, будь то обеспечение связи межу объектами, сканирование местности или обнаружение объектов, нужно наличие измерительных стендов с соответствующим уровнем достоверности полученной информации.

Как и в любом эксперименте, электромагнитные характеристики объекта измеряются с некоторой точностью, характерной для данного стенда. Возникает задача уменьшения ошибки измерения. В связи со все возраста-

ющим количеством типов объектов, для которых необходимо знать характеристики рассеяния или излучения, возрастает и потребность в разработке новых стендов и модификации старых.

На точность измерений влияют несколько факторов [1, 2]. Во-первых, это отражение от посторонних предметов. Чтобы ликвидировать эту ошибку, объект помещают в безэховую камеру (БЭК). Правда, вместо отражения от посторонних предметов появляются помеховые сигналы от задней стенки, пола и потолка камеры, боковых стенок. Но так как все эти поверхности покрыты радиопоглощающим материалом (РПМ), то сигнал от них заметно ниже, чем сигнал от объекта измерений. Во-вторых, это шумы приборов, наводки в кабелях и прочие аппаратные ошибки. В современных генераторах и анализаторах цепей эти ошибки очень малы, поэтому на фоне остальных сигналов их просто не видно. Третья, и одна из самых больших ошибок, связана с неравномерностью распределения падающего поля. Считается, что все измерения на стендах проводятся при падении плоской волны. Для этого есть два обоснования: во-первых, на практике для большинства объектов наиболее важным является рассеяние волны в дальней зоне излучателя, а это означает, что на объект падает локально-плоская волна; во-вторых, понятие плоской волны не привязано к конкретным стендам, и потому можно проводить исследования в разных измерительных комплексах и сравнивать между собой и с расчетами, если таковые имеются. Но с этим требованием связаны серьезные трудности: в земных условиях сформировать идеальную плоскую волну в радиочастотном диапазоне невозможно, это всегда будет волна, волновой фронт которой в некотором приближении можно считать плоским. При этом важно, чтобы допустимая неравномерность фронта волны сохранялась во всем рабочем диапазоне частот. Заметно меньшей, но также до конца неустранимой ошибкой является помеховый сигнал от опорно-поворотного устройства. Кроме это-

го, есть еще ошибки, связанные с неточностью позиционирования объекта измерений и источника излучения, но эти ошибки ничтожны по сравнению с ошибкой, связанной с неравномерностью распределения поля, при использовании современного качественного оборудования.

В данной работе исследуется формирование распределения поля в рабочей зоне БЭК с коллиматором в виде зеркала или линзы. Именно неравномерность поля определяет точность измерения, все остальные ошибки измерения могут быть заметно снижены приведенными выше способами.

При проектировании измерительного стенда, ввиду его большой стоимости, актуально проведение теоретических исследований его характеристик с целью поиска возможных улучшений и внесения корректировок в конструкцию элементов стенда. Поэтому большой интерес представляет создание компьютерной модели БЭК, которая позволит определить неравномерность поля в рабочей зоне камеры.

В последнее время увеличивается потребность в исследовании объектов в диапазоне метровых длин волн, в частности, антенн, что в свою очередь делает актуальной задачу разработки измерительных стендов этого диапазона [3]. В диапазоне метровых длин волн почти безальтернативным измерительным стендом закрытого типа является рупорная камера. Создание линзового коллиматора на основе такой камеры требует предварительного моделирования, потому что на сегодняшний день измерительных стендов такого типа в мире просто нет. Отметим, что все параметры линзы реально достижимы за счет возможностей современного композитного материала. Благодаря этому материалу линза имеет небольшой вес, но при этом хорошо держит форму.

Для уже созданных и работающих стендов всегда актуальной задачей является возможность расширения их рабочей зоны (области, где распределение электромагнитного поля близко к распределению поля плоской

волны) и уменьшение неравномерности поля в некотором частотном диапазоне. Расширение зоны позволяет проводить исследование объектов больших размеров, уменьшение неравномерность увеличивает точность измерения [4]. 14 то, и другое позволяет расширить возможности измерительного стенда и увеличить его эффективность.

Научно-техническая проблема

Проблема формирования плоской волны в рабочей зоне измерительных стендов остается актуальной уже на протяжении нескольких десятилетий. Поиск новых возможностей повышения эффективности измерительного комплекса и их научное обоснование является важной научно-технической задачей.

Для формирования плоской волны необходимо скорректировать ее волновой фронт. Это можно сделать с помощью линзы или зеркала: сферическая волна, выходящая из фокуса, преобразуется в плоскую [5]. Но, к сожалению, и линза, и зеркало, исправляя фазу волны, вносят дополнительную неравномерность в амплитуду поля, связанную с дифракцией на их краях. Из-за конечности размеров коллиматора устранить дифракционные эффекты на его краях невозможно, но можно снизить их влияние. Разработка конкретных научно-технических решений, которые позволяют уменьшить неравномерность поля в рабочей зоне БЭК, является главной научно-технической задачей данной работы.

Объект исследования

В работе рассматривается задача формирования квазиплоской волны в двух измерительных стендах: низкочастотной рупорной камере и компактном полигоне (КП). Эти измерительные стенды дополняют друг дру-

га и обеспечивают возможность проведения экспериментальных исследований в полосе частот с перекрытием в 400 раз (диапазон рупорной камеры 100 МГц 1 ГГц, диапазон КП 1 40 ГГц). Для формирования плоского фронта волны в обоих стендах используется фазовый корректор: в рупорной камере это линза, в КП зеркало. Оба измерительных стенда предназначены для антенных измерений и измерений ЭПР объектов.

Зеркало коллиматора КП стало постоянным объектом исследования начиная с середины 80-х годов [6]. Пристальное внимание всегда уделялось профилю зеркала и выполнению его кромок специальным образом. Вместе с тем для уменьшения дифракционных эффектов на краях зеркала необходимо исследовать связку облучатель зеркало. Возможности повышения эффективности коллиматора за счет разработки специального облучателя изучены недостаточно хорошо. В данной работе основное внимание уделяется именно облучателю.

Линза в радиотехнике обычно используется в диапазоне сантиметровых и миллиметровых длин волн. В низкочастотном диапазоне линзы используются редко, т.к. технологически создать линзу такого размера сложнее. В работе учтены технологические ограничения.

Цели исследования

Целью диссертационной работы является разработка и исследование способов формирования в рабочей зоне компактного полигона электромагнитного поля, близкого к полю плоской волны.

С этой целью в диссертации решались следующие задачи:

1. Разработка облучателя со специальной формой ДН, позволяющего расширить рабочую зону компактного полигона, на примере коллиматора МАК-5М.

2. Проведение компьютерного моделирования распределения электромагнитного поля в низкочастотной рупорной БЭК. Экспериментальная проверка результатов исследования на масштабной модели.

3. Выявление основных факторов, влияющих на неравномерность поля в рабочей зоне рупорной камеры, с помощью приближенных методов расчета (физической и геометрической оптики).

4. Исследование возможностей уменьшения неравномерности поля в рабочей зоне рупорной БЭК за счет оптимизации параметров линзы.

Методы исследования

Почти все расчеты электромагнитного поля внутри измерительных стендов проводились с использованием строгого метода интегральных уравнений: это расчет излучения рупорного облучателя, распространения волны внутри рупорной камеры, формирования поля в рабочей зоне линзового коллиматора. Расчет поля в рабочей зоне КП был выполнен в приближении физической оптики, что ввиду больших размеров зеркала по сравнению с длиной волны почти не влияет на точность. Также был выполнен расчет поля после линзы гибридным методом, сочетающим в себе физическую и геометрическую оптики (ФО и ГО), что позволило оценить влияние дифракции на кромке линзы и переотражений в ней на распределение поля в рабочей зоне камеры.

Научная новизна

1. Впервые расфазированный рупорный облучатель с изломом образующей и со скосом апертуры рассчитан строгим методом интегральных уравнений. Выполнена оптимизация геометрии рупора путем прямого расчета для создания оптимального распределения поля на зеркале

коллиматора МАК-5М. Данный подход можно применить для разработки аналогичного облучателя для любого другого коллиматора.

2. Предложен подход к моделированию рупорной камеры, позволяющий проводить расчет распределения поля в рупорной камере на основе строгого метода интегральных уравнений при использовании относительно небольших вычислительных ресурсов.

3. Впервые проведено моделирование формирования поля в рупорной камере с линзой, выполнена оптимизация фокусного расстояния линзового коллиматора.

4. Исследовано просветляющее покрытие на линзе, позволяющее уменьшить неравномерность поля в рабочей зоне рупорной камеры во всем рабочем диапазоне частот. Показано, что в низкочастотной области просветление может быть использовано для подавления дифракционных эффектов на краях линзы.

Достоверность результатов

Показана сходимость и устойчивость полученных решений путем сравнения результатов расчета распределения поля при уменьшении шага сетки. Корректность расчетов полей в рупорной камере была подтверждена экспериментальными исследованиями на масштабной модели камеры. Результаты расчета линзы приближенным методом (ФО и ГО) и строгим методом (интегральных уравнений) находятся в хорошем соответствии друг с другом.

При расчете поля в КП пренебрегал ось рядов факторов. Чтобы оценить их влияние, были также проведены расчеты распределения поля в рабочей зоне КП для стандартного рупорного облучателя и сравнивались

с экспериментальными данными из работ по исследованию поля коллиматора МАК-5М. Эти сравнения показали адекватность выбранного приближения.

Положения, выносимые на защиту

1. Разработанный расфазированный рупорный облучатель с изломом образующей и со скосом апертуры позволяет увеличить диаметр рабочей зоны компактного полигона на 25% по сравнению со стандартным облучателем в полосе частот ±10% относительно центральной частоты.

2. Впервые проведено детальное компьютерное моделирование рупорной камеры с линзой при помощи программного комплекса БЕКО, что позволяет прогнозировать электродинамические свойства камеры и проводить оптимизацию отдельных ее частей.

3. Показано методом компьютерного моделирования, что выбор линзы с фокусным расстоянием больше, чем расстояние до источника излучения, позволил уменьшить неравномерность распределения амплитуды поля в рабочей зоне линзового коллиматора на основе рупорной камеры на 1-2 дБ в рабочем диапазоне частот.

4. Показано методом компьютерного моделирования, что нанесение просветляющего покрытия на плоскую поверхность линзы позволяет уменьшить неравномерность распределения поля в рабочей зоне рупорной камеры на 1 дБ во всей рабочей полосе частот.

Апробация работы

Основное содержание диссертации опубликовано в работах [105] [117]. Результаты работы докладывались на следующих конференциях:

1. 13-я 18-я ежегодные научные конференции ИТПЭ РАН, Москва 2012

2017гг.

2. I, IV, V Микроволновые конференции, ИРЭ РАН. Москва, 2013, 2016, 2017.

3. 56-я 58-я научные конференции МФТИ. Долгопрудный, 2013 2016гг.

4. IX Всероссийская Научно-техническая конференция «Метрология в радиоэлектронике». 17-19 июня 2014.

5. Международная научная конференция «Изучение и рассеяние электромагнитных волн» ИРЭМВ-2015. 28 июня 3 июля 2015, Дивно-морск.

6. Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации. 20-23 сентября 2015, Суздаль.

Практическое использование результатов диссертации

По результатам исследования были рассчитаны параметры линзы для рупорной БЭК в ИТПЭ РАН (разработано техническое задание) и для похожей камеры от компании VTE Pte Ltd (Сингапур). В настоящее время ведется работа по созданию измерительного комплекса в Сингапуре. Линза, рассчитанная в данной работе, изготовлена и готова к установке в измерительный комплекс. Акт о внедрении прилагается.

Кроме того, показана эффективность разработанного облучателя коллиматора МАК-5М, поэтому данный облучатель может быть использован в схеме измерительного стенда с указанным зеркалом.

Личный вклад соискателя

Все основные результаты научных исследований диссертационной работы получены лично автором, либо при его непосредственном участии. Автор самостоятельно провел все расчеты, он активно участвовал в определении методов исследования, в обсуждении результатов, в подготовке и в проведении экспериментальных исследований.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 20 работ, из них: 4 — статьи в изданиях по перечню ВАК; 9 — статьи в сборниках; 7 — работы, опубликованные в материалах всероссийских и международных конференций и симпозиумов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав основного текста, заключения и библиографии. Общий объем диссертации составляет 156 страниц, включает 80 рисунков. Библиография включает 117 наименований. К диссертации приложены два акта о внедрении результатов кандидатской диссертационной работы.

1. Обзор литературы

1.1. Низкочастотные рупорные камеры для электромагнитных измерений

Безэховые камеры для радиочастотных измерений имеют ряд преимуществ по сравнению с открытыми измерительными полигонами: удобство эксплуатации оборудования и измеряемого объекта независимо от погодных условий в более компактном пространстве; достижение большей точности измерений; повышение чувствительности приборов за счет устранения помехового сигнала [1].

С внедрением бэзэховых камер началось активное исследование и создание радиопоглощающих материалов (РПМ). Несмотря на то, что разработка велась одновременно во многих научных центрах [7], на начальном этапе РПМ плохо удовлетворял потребностям измерителей. Особенно это касалось области низких частот. Для измерений с приемлемой точностью в низкочастотном диапазоне требовалось создание больших камер, поэтому появилась идея создания камер особой формы. Геометрия таких камер была направлена на то, чтобы отклонить часть переотраженных лучей и направить их мимо рабочей зоны.

Примером такой геометрии служит камера, разработанная в начале 1960-х гг. Смитом (Smith) [8]. Он предложил выполнить боковые стенки камеры в форме зубцов. Такая форма камеры обеспечивает падение волны на стенки под углами, близкими к нормальным, что заметно увеличивает эффективность РПМ. Камера получается сильно вытянутой, источник находится в некотором углублении, чтобы сразу отрезать его задний лепесток диаграммы направленности.

Примерно в то же время была предложена схожая геометрия камеры [9]. В этой камере источник излучения находится вовсе за ее придела-

ми. Электромагнитная волна попадает в камеру через небольшое отверстие. Сначала волна проходит область с изломанными стенками, где боковое излучение поглощается, затем через диафрагму попадает уже в ту часть камеры, где расположен объект. Этот принцип, конечно, не позволяет избавиться от дифракционных эффектов в камере, но при этом уровень шумового сигнала снижается. Этим же автором были разработаны и запатентованы несколько других форм помещения БЭК, способствующих уменьшению попадания переотраженных лучей в рабочую зону [10].

Другой дизайн для решения проблемы измерений на низких частотах это круглая камера. В ее основе лежит принцип шепчущей галереи: волна, отражаясь от стенок, распространяется вдоль них из-за очень малых углов падения. Одна из первых полукруглых камер для антенных измерений была разработана в СССР [11]. Особенностью этой камеры является то, что только небольшая часть стенок камеры непосредственно за исследуемой антенной требует хорошего покрытия, все остальные стенки могут быть покрыты РПМ относительно низкого качества. Круглые, полукруглые и эллиптические камеры активно исследуются и проектируются и сегодня [12]. Одна из наиболее известных камер такого типа находится в исследовательском центре военно-морского флота США в Вашингтоне [3].

В круглых камерах стенки не участвуют в формировании поля в рабочей зоне, потому измерения в таких БЭК это измерения в дальней зоне антенны. По своим размерам и по стоимости, определяющейся в первую очередь площадью покрытия и качеством РПМ, такая камера мало отличается от прямоугольной камеры.

Камера в форме рупора впервые была предложена Эмерсоном (Етегноп) в 1965 году [13]. Было показано, что подобная форма камеры позволяет заметно снизить вклад отраженных от стенок лучей в формирование поля в рабочей зоне. Данная геометрия была не только исследована

теоретически, но и реализована на практике. Камера имеет широкий диапазон частот от 120 МГц. Данная геометрия камеры запатентована [14].

Одной из первых работ, где приведены не только качественные теоретические оценки, но и выполнен эксперимент, стала работа [15]. В работе экспериментально исследовано поле в рабочей зоне рупорной камеры (измерения проводились в модели камеры на частоте 8,5 ГГц). Показано, что данный дизайн действительно снижает уровень помеховых сигналов.

В начале 70-х годов была рассмотрена квазирупорная камера [16] длиной 27,5 метров, высотой почти 6 метров, имеющая отдельный отсек для излучателя в устье. Преимущество камеры заключается в удобстве установки антенны за счет наличия в устье отсека прямоугольной формы. Уровень шума в низкой части диапазона составляет -25 дБ, в верхней части до -50 дБ. Камера широкополосная, позволяет проводить антенные измерения практически для любого диапазона частот от 100 МГц.

Авторы работы [17] также исследовали квазирупорную камеру. Они экспериментально показали, что расположение излучателя в небольшой прямоугольной секции за началом рупорной части уменьшает неравномерность поля в рабочей зоне. Идея заключалась в добавлении волноводной части для рупорной камеры.

В работе [18] была предложена модернизация камеры Эмерсона за счет установки источника излучения не внутри рупорной части, а в ее начале, т.е. камера как бы являлась естественным продолжением облучателя. Как оказалось, это позволяет заметно уменьшить неравномерность поля в рабочей зоне камеры. В [3] Хемминг (Hemming) объяснил этот факт влиянием зеркальных источников. Действительно, углы падения волны на материал на стенках, полу и потолке камеры очень малы. При таких углах РПМ работает плохо, поэтому отраженный сигнал весьма существенен. Этот сигнал можно описать зеркальными источниками. Чем ближе

источник находится к вершине рупора, тем меньше разность фаз между реальным источником и его зеркальными изображениями. Поле в рабочей зоне камеры есть суперпозиция полей всех источников, потому чем меньше разность фаз между ними, тем меньше неравномерность поля.

В начале XXI века Бернсайдом (Впгпн1с1е) и его коллегами была предложена рупорная камера с особым поглощающим материалом [19] на задней стенке. Это был материал, выполненный в форме пирамид, но высота пирамид имеет специальный профиль, так называемый Чебышевский слой. Такой слой имеет низкий коэффициент отражения, что позволяет улучшить поле в рабочей зоне камеры. Было предложено еще одно технологическое решение: для смены поляризации поворачивают не антенну, но целую секцию камеры, содержащую источник излучения.

На современном этапе развития радиотехники продолжаются исследования новых форм камер рупорного типа. В работе [20] был предложен новый дизайн рупорной камеры: вместо стандартных пирамидального или конического рупора исследовалась камера с восьмиугольным сечением.

Численный расчет влияния переотражений в рупорной камере был выполнен в работе [21]. Автор рассчитал поле, создаваемое прямыми лучами, и поле, создаваемое лучами, отраженными от стенок камеры (расчет "из первых принципов"). Эти расчеты распределения поля в рабочей зоне камеры оказались близки с результатами экспериментальных исследований.

В работе [22] рассчитано поле в прямоугольной части рупорной камеры методом ГО с учетом переотражений. Оптимизацией приближенного подхода исследователи занимаются и сегодня [23]. В работе рассмотрен генетический алгоритм, который позволяет методом лучевой оптики найти оптимальные параметры покрытия камеры для получения наилучшего распределения поля в рабочей зоне рупорной камеры.

В начале нашего века интерес к рупорным камерам заметно увели-

чидся, в первую очередь из-за возможности численного расчета больших объектов. Появляются статьи с численным расчетом поля в рабочей зоне рупорной камеры [24]. Авторы моделируют коническую камеру с плоским слоем РПМ на стенках. Расчет показал, что рупорная камера может поддерживать равномерное распределение поля в достаточно большом диапазоне частот (рассчитывались частоты 300 МГц и 3 ГГц). Было выявлено, что погружение источника излучения внутрь материала заметно улучшает равномерность поля в рабочей зоне, хотя и ослабляет сам сигнал. Позже этими же авторами были выпущены работы, посвященные изучению положения и типа источника излучения [25 27]. В этих работах также проводилось дальнейшее усовершенствование части рупорной камеры, содержащей излучатель. Был разработан широкополосный вибратор с плавным расширением, создающий наилучшее поле в рабочей зоне рупорной камеры.

В работе [28] представлен новый метод численного расчета: предложен неявный БОТО-метод с неортогоналыюй сеткой. Такая сетка помогает сократить время расчета, по сравнению со стандартной ортогональной сеткой. В качестве примера рассматривалось несколько БЭК разной формы, в том числе и рупорная камера. Выявлено хорошее соответствие между полученным расчетом и экспериментальными данными.

Таким образом, отчетливо видна тенденция к использованию математического моделирования низкочастотной камеры для электромагнитных измерений.

1.2. Линзовые коллиматоры

Радиотехнические измерения требуют наличия квазиплоской волны в рабочей зоне камеры, т.е. неравномерность амплитуды и фазы не должна превышать выбранных критериев плоской волны. Специальная геометрия

камеры позволяет решить проблему с неравномерностью амплитуды поля, уменьшить внешние сигналы, что повышает точность измерений. Но геометрия камеры не может уменьшить неравномерность фазы поля в рабочей зоне. Потому размер рабочей зоны во всех описанных выше камерах определяется именно неравномерностью фазы на верхней частоте рабочего диапазона.

Чтобы уменьшить неравномерность фазы поля в рабочей зоне, необходимо использовать линзу или зеркало. Оба прибора формируют плоскую волну при облучении их источником, расположенном в фокусе.

Простейшие из осесимметричных линз это линзы с одной преломляющей поверхностью. Формула гиперболической и эллиптической линз выведена, например, в [29].

В [30] сравниваются эллиптическая и гиперболическая линзы в радиочастотном диапазоне. Сравнивались результаты экспериментальных измерений поля после линзы диаметром 80 мм на 40 ГГц и на 90 ГГц. Результаты измерений показали, что в геометроптическом пределе разницы нет, но вот на нижней частоте усиление поля после эллиптической линзы больше.

Гиперболическая линза рассматривалась в работе [31]. Диаметр линзы равен фокусу и составляет 200 мм, проницаемость материала линзы 2,3. Рассматривается облучение линзы антенной с заданной диаграммой. Линза формирует узкий пучок шириной 2,5° по уровню -10 дБ и позволяет производить качание диаграммы в широком диапазоне углов 24°.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Меньших Николай Леонидович, 2020 год

Список используемых источников

1. Maii иviьс К.К.. Торгованов В,А, Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей, М,: Советское радио, 1972, 232 с,

2. Knott E.F., Shaeffer J.F., Tulev М.'Г. Radar cross section, Boston: SciTeeh Publishing, 1993, second edition, 477 p.

3. Hemming L, H, Electromagnetic Anechoic Chambers A Fundamental Design and Specification Guide, IEEE Press and Wiley Interseienee,: NY, 2002,

4. Балабуха Н.П., Зубов A.C., Солосин B.C. Компактные полигоны для измерения характеристик рассеяния объектов. М,: Наука, 2007. 266 с.

5. Зелкин У.Г., Петрова Р.А. Линзовые антенны. М,: Советское радио, 1974. 280с.

6. Burnside W.D., Gilreath М.С., Kent В.М., Giancarlo L.C.; Curved edge modification of compact range reflector. IEEE Trans, on Anten. and Prop., V.35, February 1987, pp.176 - 182.

7. Emerson W. H. Electromagnetic wave absorbers and anechoic chambers through the years. Antennas and Propagations, IEEE Transactions on. 1973. V. 21, N.4, P.484.

8. Smith C.L. Rooms for testing electric equipment. US 3,100,870. Patented Aug. 1963.

9. Buckley E.F. Microwave anechoic chamber. US 3,113,271. Patented Dec. 3, 1963

10. Buckley E.F. Microwave anechoic chamber. US 3,120,641. Patented Feb. 4, 1964

11. Пиотровский А.А. Безэховая камера для антенных измерений. Авторское свидетельство 173813, Авг. 1965.

12. Kogo М. Electromagnetic anechoic chamber with an inner electromagnetic surface and an electromagnetic wave absorption small ball disposed in the chamber. European patent 0294205B1, 1994.

13. Emerson W.H, Sefton H.B. An improved design for indoor ranges. Proc. IEEE, 1965. ¥.53, N. 8, P. 1079.

14. Emerson W.H. Anechoic chamber. US 3,308,463. Patented Mar. 1967.

15. King H,, Shimabukuro Т., Wong J. Characteristics of a Tapered Anechoic Chamber. Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, V. 15. 1967. N: 3, pp. 488-490.

16. Dvbdal R,, Yowell C. VHF to EHF performance of a 90-ft quasi-tapered anechoic chamber. IEEE Trans, on Anten. and Prop.. 1972, V.21, N. 4, P. 579.

17. Zachariah E,, Vasudevan K,, Pravinkumak P., Mohanan P., Nair K. Design, Development & Performance Evaluation of an Anechoic Chamber for Microwave Antenna Studies.

Indian Journal of Radio & Space Physic, V, 13, Feb., 1984, pp. 29-31,

18. Hemming L, H,, Sanchez G.A. EF absorber test system, US 5,039,949, Patented Aug, 1991.

19. Burnside W.D., Walton E.K., Essman S,, Theunissen W. Tapered anechoic chamber. US 6,437,748. Patented Feb. 2002.

20. Rodriguez V. A Cone shaped tapered chamber for antenna measurements both in near field and far field in the 200 MHz to 18 GHz frequency range. Antennas and Propagation Society International Symposium, 2012 IEEE.

21. Crawford M. Evaluation of reflectivity level of anechoic chambers using isotropic, 3-Dimensional probing. Antennas and Propagation Society International Symposium, 1974. V. 12, June, pp. 28-34.

22. Gillette M.E. EF anechoic chamber design using ray tracing. Antennas and Propagation Society International Symposium, 1977 , V.15, Jun 1977, pp. 246 - 249.

23. Razavi S.M., Khalaj-Amirhosseini M. The use of rav-tracing and genetic algorithms to optimize a tapered anechoic chamber. Progress in electromagnetics research symposium, Beijing, China, March 23-27, 2009.

24. Lee K.H., Chen C.C., Lee R,, Burnside W.D. Numerical Analysis of a Novel Tapered Chamber Feed Antenna Design, AMTA, 2002.

25. Lee K.H., Chen C.C., Teixeira F.L., Lee R. Numerical Study of a UWB Dual-Polarized Feed Design for Enhanced Tapered Chambers. Antennas and Propagation Society International Symposium, 2003. IEEE V.l.

26. Lee K.H., Chen C.C., Lee R. Design of a tapered chamber feed using the FDTD method. Proceedings of ISAP'04, Sendai, Japan.

27. Lee K.H., Chen C.C., Lee R. Novel dual-polarized tapered-chamber feed design concepts. Antennas and Propagation Magazine, IEEE V. 47, Issue: 4, Aug. 2005, pp. 214 - 218.

28. Kantartzis N,, Tsiboukis T. Wideband numerical modelling and performance optimization of arbitrarily-shaped anechoic chambers via an unconditionally stable timedomain technique. Electrical Engineering, 2005, V, 88, N.l, pp. 55-81

29. Silver S. Microwave Antenna Theory and Design. McGraw-Hill, N-Y,: 1948.

30. Piksa P., Zvanovee S,, Cernv P. Elliptic and Hyperbolic Dielectric Lens Antennas in mm-Waves, Radioengineering. V.20. N.l. April 2011. P. 270.

31. Richter J.,Simon A., Schmidt L.P. Experimental Characterization of a Wide Angle Lens for Millimeter-Wave Imaging Ant. and Prop. Soc. Int. Svmpos, 2005.

32. Milligan Т. Modern antenna design, 2nd ed, Wiley: New Jersey, 2005, 614p,

33. Борн M.. Вольф Э. Основы оптики. Изд. 2-е., исправленное. М.: Наука 1973 г. (перевод 4-го издания от 1968 г.)

34. Корнблит С. СВЧ оптика. Оптические принципы в приложении к конструированию СВЧ антенн. Пер. с англ. Фролова. М,: «Связь». 1980. 360с.

35. Baehman P.L. Dielectric lens model. E-systems Inc. 1972. Report for air Development center.

36. Morita Т., Cohn S.B. Microwave lens matching by simulated quarter-wave transformers. IRE Trans, on Anten. and Prop.. V.4 N.l. P33.

37. Silveirinha M.G.M.V., FernandesShaped C.A. Double-Shell Dielectric Lenses for Wireless Millimeter Wave Communications. Antennas and Propagation Society International Symposium, 2000. IEEE V.3 P. 1674.

38. Costa J.R., Silveirinha M.G., Fernandes C.A. Evaluation of a Double-Shell Integrated Scanning Lens Antenna. IEEE Antenna and Wireless Propagation letters, V.7, 2008. P. 781

39. Handbook of Antenna Technology, Zhi Ning Chen (Editor), Springer 2016, ISBN-10: 981456043X [section Dielectric lens Antennas, by Fernandes C.A., Lima E.B. and Costa J.R.]

40. Uslenghi P.L.E. Optical behavior of elliptical lenses made of DNG metamaterial. IEEE Antennas AND Wireless Propagation Letters, V.9. 2010. P.566.

41. Mentzer J.R. The Use of Dielectric Lenses in Reflection Measurements. Proc. IRE, pp. 252-256, February 1953.

42. Hemming L.H. Range Focus Lens. US Patent 4,218,683, Aug. 1980.

43. Newnham P.D. The design and development of a 94 GHz wide scan angle lens corrected cassegrain antenna. Millimetre-wave and Quasi-Optical Antennas. IEE Colloquium on. 1990. 14 June.

44. Тучков Л.Т., Биричевекий В.М., Бойко Б.Н., Вяткина В.М., Сарычев В.А. и Щепкин Ю.Н. Авт. Свидельство 427432, Дек. 1974.

45. Зиновьев Ю.С, Вяткина В.М. Авт. Свидельство 472409, Сен. 1975.

46. Matitsine S,, Lagoiski P., Matvtsine L,, Matvtsine M,, Chia T.-T., Tan P.-K., Rodriguez V. Extension of Tapered Chamber Quit Zone with Large RF Lens. AMTA, 2012, A12, P.0081.

47. Chia T.T., Matitsine S. Plano-convex lens with matched layers to reduce plane wave

field amplitude variation, 35th AMTA 2013,

48. Chantraine-Bares В., Sauleau R,, Mahdjoubi R, Accurate synthesis of millimeter wave homogeneous dielectric lenses of arbitrary shape, IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, 2003, V.4. P.518,

49. Chantraine-Bares В., Sauleau R,, Le Coq L,, Mahdjoubi R, A New Accurate Design Method for Millimeter-Wave Homogeneous Dielectric Substrate Lens Antennas of Arbitrary Shape, IEEE Trans, on Anten, and Prop,, V, 53, N.3, March 2005,

50. Taguchi M,, Masuda M,, Shimida H,, Tanaka K, Analysis of Arbitrarily Shaped Dielectric Lens Antenna. IEEE Anten. and Prop. Soc. Int. Svmp., 2001, V.2, P.769.

51. Taguchi M,, Igasaki M,, Shimida H,, Tanaka K. Analysis of Arbitrarily Shaped Dielectric Lens Antenna by Ray Tracing Method, IEEE Anten, and Prop, Soc, Int. Svmp,, 2003, V.3, P.697.

52. Costa J.R., Fernandes C.A. Calculation of the near-field from axial symmetric apertures using Gaussian-like discretization of the aperture field. IEEE Anten. and Prop. Soc. Int. Svmp., 2004, V.2. P.1343.

53. Венецкий А.С., Калошин В.А. Восстановление коэффициента преломления среды с центральной симметрией по фазовому распределению прошедшей волны на основе слоистой модели. Журнал Радиоэлектроники. 2008. №5.

54. Fuehs В, Palud S, Le Coq L et al. Scattering of Spherically and Hemispherieally Stratified Lenses Fed by Any Real Source. IEEE Trans, on Anten. and Prop., 2008, V.56 N.2. P.450-460.

55. Вычислительные методы в электродинамике. Под ред. Митры. М,: Мир, 1977. 487с.

56. Jorgensen Е,, Meineke P., Neto A,, Llombart N, Generalized Admittance Matrix Method for Fast Full-Wave Analysis of Integrated Lens Antennas. The 8th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), 2014, P.3195.

57. Boriskin A.V., Boriskina S.V., Sewel P., Benson T.M., Nosich A.I. Advanced Design of an Elliptic Lens Antenna for MM-wave and Sub-mm Wave Receivers. European Radar Conference 2004, Amsterdam P. 77.

58. Boriskin A.V., Boriskina S.V., Godi G,, Sauleau R,, Nosich A.I. Small Hemielliptie Dielectric Lens Antenna Analysis: Boundary Integral Equations vs. GO and PO, European Microwave Conference, 2005, V.l, P.4.

59. Sorensen S.B., Pontoppidan K. Lens analysis methods for quasioptical systems. The 2th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), 2007, P.l.

60. Booton E, С, Computational methods for electromagnetics and microwaves, N.Y.: Wiley, 1992. 182p.

61. Godi G,, Sauleau E. FDTD analysis of reduced size substrate lens antennas. IEEE Anten. and Prop. Soc. Int. Svmp., 2004, V.l, P.667.

62. Johnson E.C. Antenna range for providing a plane X wave for antenna measurements. US Patent 3302205, 31 January 1967.

63. Johnson E.C., Ecker H.A., Moore E.A. Compact range techniques and measurements. IEEE Trans, on Anten. and Prop., 1969, ¥.17, N.5, P.568.

64. Carl W. I. Pistorius, Walter D. Burnside; An improved main reflector design for compact range applications, IEEE Trans, on Anten. and Prop., V.35, N.3, March 1987, pp.342 -347.

65. Lee Teh-Hong, Burnside W.D. Compact range reflector edge treatment impact on antenna and scattering measurements, IEEE Trans, on Anten. and Prop., V.45, January 1997, pp.57 - 65.

66. Johnson E.C., Ecker H.A., Hollis J.S. Determination of far-field antenna patterns from near-field measurements. Proc. Of the IEEE. 1973. V.61. N.12. P. 1668.

67. Gupta J., Burnside W. D. A numerical method to compute diffraction from blended surfaces, 1987 IEEE Int. Antennas Propagat. Svmp. Dig. V.25, pp.534 - 537, June 1987.

68. Gupta J.J., Ericksen K.P., Burnside W.D. A method to design blended rolled edges for compact range reflectors. IEEE Trans, on Anten. and Prop., V.38, pp.853 - 861, June 1990.

69. Айзенберг Г.З., Ямпольекий В.Г., Терешин О.Н., Антенны УКВ, М,: "Связь", 1977.

70. Вайнштейн Л.А. Электромагнитные волны. М,: Радио и связь, 1988.

71. Huang J., Eahmat-Samli Y,, Woo К. A GTD Study of Pyramidal horns for offset reflector antenna applications. IEEE Trans, on Anten. and Prop., V.31, N.2, March 1983.

72. Mather J.C. Broad-Band Flared Horn with Low Sidelobes. IEEE Trans, on Anten. and Prop., V.29, N.6, November 1981.

73. Burnside W.D., Chuang C.W. An Aperture-Matched Horn Design. IEEE Trans, on Anten. and Prop., V.30, N.4, July 1982.

74. Heedv D.J., Burnside W.D. An aperture-matched compact range feed horn design. IEEE Trans, on Anten. and Prop., V.33, N,11, November 1985.

75. Brachat P. Sectorial pattern synthesis with primary feeds. IEEE Trans, on Anten. and Prop., Y. 12. N.4, April 1994.

76. Olver A.D., Xiang J, Design of profiled corrugated horns, IEEE Trans, on Anten, and Prop.. 1988. V. 36, N. 7, July.

77. James G.L., Clark P.E. Greene K.J. Diplexing feed assemblies for application to dual-reflector antennas. IEEE Trans, on Anten. and Prop.. 2003. V.51, N.5, May.

78. Gonzalo R,, Teniente J., and del Rao C. Improved Radiation Pattern Performance of Gaussian Profiled Horn Antennas. IEEE Trans, on Anten. and Prop., V.50, N,11, November 2002.

79. Kishk A.A., Lim C.S. Comparative analysis between conical and Gaussian profiled horn antenna. PIER ¥.38, 2002. P.147.

80. Казакова Т. A., ('пшик H. H,, Тимофеева А. А. Уменьшение уровня бокового излучения рупорных антенн путем использования поглощающих насадок. Труды НИИР, № 3, 1982.

81. Балабуха Н. П., Григорьева М. И., Курочкин А. П. и др., Стержневой диэлектрический облучатель с диаграммой направленности специальной формы. Антенны, 2001, №2.

82. Балабуха Н.П., Башарин А.А. Диэлектрический стержневой облучатель с расширенной полосой рабочих частот. Антенны, № 12, 2008.

83. Дронова В. А., Козловская И. А., Тимофеева А. А., Хлопкова 3. К. Выбор формы раскрыт,а пеосесимметричиых антенн в зависимости от диаграммы направленности облучателя. Труды НИИР, № 3, 1987.

84. Глазман Я. Д., Коршунова Н. В., Тимофеева А. А. Улучшение осевой симметрии главного лепестка и снижение уровня бокового излучения рупорных антенн. Труды НИИР, № 3, 1990.

85. Тимофеева А.А. Определение геометрических размеров рупорных облучателей с диаграммами направленности близкими к оптимальным. - Электросвязь, 1977, №5.

86. Вайнштейн Л.А. Теория диффракции и метод факторизации. М,: Советское радио, 1966. 428с.

87. Keller J.В. Diffraction by an Aperture. J. of Applied physics. 1957. V.28. N.4. P.426

88. Боровиков В.А. Кинбер Б.Е. Геометрическая теория дифракции. М,: Связь, 1978, 248с.

89. Kinber B.Y. Diffraction at the open end of a sectorial horn. Radio Engrg, Electronics Phvs. V.7 N.10, P.1620. October 1962.

90. Hamid M.A.K. Mutual coupling between sectorial horns side by side. IEEE Trans, on

Anten. and Prop.. V.15. N.3. 1967, May. P.475.

91. Hamid M.A.K. Diffraction by conical horn. IEEE Trans, on Anten. and Prop.. V.16. N.5. 1968, September. P.520.

92. Harms P.H., Malonev J.G., Kesler M.P., Kuster E.J., Smith G.S. A system for unobtrusive measurement of surface currents. IEEE Trans, on Anten. and Prop.. V.49. N.2. 2001, February. P.174.

93. Li X., Hagness S.C., Choi M.K., Weide D.W. van der. Numerical and Experimental Investigation of an Ultrawideband Ridged Pyramidal Horn Antenna With Curved Launching Plane for Pulse Radiation. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. V.2. 2003.

94. Балабуха Н.П., Зубов А.С., Солосин B.C., Федоров С.А. Коллиматор МАК-5М. Конструкция и Технические характеристики. Радиотехника и Электроника, Т. 54, №5, С. 634-640, 2009.

95. Ильинский А.С., Кравцов В.В., Свешников А.Г. Математические модели электродинамики. М,: Высшая школа, 1991 г. 224 с.

96. Свешников А.Г. Принцип излучения // Докл. АН СССР. 1950. Т.73. №5. С. 917-920.

97. Банков С.Е., Курушин А.А. Расчет излучаемых структур с помощью FEKO. М,: Родник, 2008, 245 с.

98. Rao S.M., Wilton D.R., Glisson A.W. Electromagnetic scattering by surfaces of arbitrary shape. IEEE Transactions on antennas and propagation. V.30, 1982, N3, pp.409-418.

99. Никитенко А. В., Зубов А. С., Шапкина H. Е. Моделирование электромагнитного рассеяния на радиопоглощающем материале методом связанных волн. Матем. моделирование, T.26. №9 (2014), С. 18-32.

100. Бреховеких Л.М. Волны в слоистых средах. М.: Наука, вт. изд., 1973, 343 с.

101. Medgvesi-Mitsehang L.N., Eftimiu С. Scattering from Axisymmetrie obstacles embedded in axisymmetrie dielectrics: the method of moments solution. Appl. Phye,, V.19, 1979, 1.3, pp. 275-285.

102. http://www,ets-lindgren,eom3164-01

103. http://www.mvg-world.com/en/svstem/files/absorvers_overview_2017_bd.pdf

104. Гольдштейн Л.Д., Зернов H.B. Электромагнитные поля и волны. М,: "Советское радио 1971 г. С.665.

105. Балабуха Н.П., Меньших Н.Л., Солосин B.C. Математическое моделирование электромагнитных характеристик рупорной безэховой камеры. Антенны, 2015 №9, е.

61-66.

106. Балабуха Н.П., Меньших Н.Л., Солоеин B.C. Раефазированный рупорный облучатель е изломом образующей и со скосом апертуры для коллиматора МАК-5М. Журнал Радиоэлектроники, 2016, .V"(¡.

107. Балабуха Н.П., Меньших Н.Л., Солоеин B.C. Моделирование распределения электромагнитного поля в рабочей зоне рупорной безэховой камеры с линзой. Антенны, 2017 №2, с. 42-49.

108. Балабуха Н.П., Меньших Н.Л., Солоеин B.C. Оптимизация линзового коллиматора, расположенного в рупорной безэховой камере. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2017. Д'"9. Режим доступа: http://jre,eplire,ru/jre/sepl7/5/text,pdf

109. Балабуха Н.П., Меньших Н.Л., Солоеин B.C. Расчет рупорной безэховой камеры для электромагнитных измерений на низких частотах. Труды I Микроволновой конференции, ИРЭ РАН. Москва, 27-29 ноября 2013.

110. Балабуха Н.П., Меньших Н.Л., Солоеин B.C. Расчет рупорной безэховой камеры для электромагнитных измерений на низких частотах. Труды 56-ой научной конференции МФТИ. Долгопрудный, 23-28 ноября 2013.

111. Балабуха Н.П., Меньших Н.Л., Солоеин B.C. Моделирование рупорной безэховой камеры с диэлектрической линзой для электромагнитных измерений на низких частотах. Труды IX Всероссийской научно-технической конференции «Метрология в радиоэлектронике». 17-19 июня 2014.

112. Балабуха Н.П., Меньших Н.Л., Солоеин B.C. Моделирование распределения электромагнитного поля в низкочастотной рупорной безэховой камере, возбуждаемой реальным вибратором. Труды 57-ой научной конференции МФТИ. Долгопрудный, 24-29 ноября 2014.

113. Балабуха Н.П., Меньших Н.Л., Солоеин B.C. Численный анализ электромагнитного поля в рупорной безэховой камере е линзой. Труды международной научной конференции "Излучение и рассеяние электромагнитных волн"(Р1РЭМВ), Дивно-морск, 28 июня - 3 июля 2015.

114. Балабуха Н.П., Меньших Н.Л., Солоеин B.C. Математическое моделирование электромагнитного поля в рупорной безэховой камере е диэлектрической линзой. Труды 8-ой международной конференции "Акуетооптичеекие и радиолокационные методы измерений и обработки информации"(ARMIMP-2015), 20-23 сентября 2015, Суздаль.

115. Балабуха 11.11.. Меньших 11.. I.. Солосин B.C. Моделирование поля в рупорной без-эховой камере с линзой. Труды 58-ой научной конференции МФТИ, Долгопрудный, 23-28 ноября 2015.

116. Балабуха И.П., Меньших И.Л., Солосин B.C. Исследование электромагнитного поля в рабочей зоне рупорной камеры с линзой, покрытой с двух сторон просветляющим слоем. Труды IV Микроволновой конференции, ИРЭ РАН. Москва, 23-25 ноября 2016.

117. Балабуха И.П., Меньших И.Л., Солосин B.C. Оптимизация линзового коллиматора, расположенного в рупорной камере, за счет нанесения просветления. Труды V Микроволновой конференции, ИРЭ РАН. Москва, 27 ноября - 1 декабря 2017.