Способ взаимного размещения двух антенн с сохранением их функциональных характеристик
METHOD OF MUTUAL ARRANGEMENT OF TWO ANTENNAE WITH PRESERVATION OF THEIR FUNCTIONAL CHARACTERISTICS

Изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано при определении мест размещения двух антенн на одном носителе.
Известен (RU, 2207671, опубл. 27.06.2003) способ выполнения антенны, при котором происходит уменьшение влияния на характеристики близкорасположенных антенн со стороны дополнительной антенны, которая вышла из работы на прием или передачу, т.е. выключена. Дополнительный антенный излучатель в этом случае выполняют в виде излучающих фрагментов, соединенных высокочастотными ключевыми элементами, цепи управления которыми содержат фильтры-дроссели, разделяющие провода цепей управления на участки определенной длины, причем линейный размер как излучающих фрагментов в направлении протекания высокочастотных токов, так и участков проводов цепей управления не превышает одну шестнадцатую длины волны, соответствующей верхней частоте рабочего диапазона близкорасположенных антенн.
Недостатком известного способа следует признать его узкую область применения - только для антенн, которые можно выполнить в виде набора излучающих фрагментов. Кроме того, такой способ предлагает получение свойства снижения взаимного влияния, только когда антенна вышла из работы, т.е. выключена. Недостатком такой схемы является также необходимость осуществления управления ключевыми элементами
Известен (RU, 2110123, опубл. 24.04.1998) способ уменьшения взаимного влияния спиральной антенны и линейного вибратора, входящих в состав совмещенной антенны, работающей в метровом и дециметровом диапазонах. Для этого предложено использовать совмещенную антенну, состоящую из конической двухзаходной спирали и линейного вибратора, причем плечи вибратора и его кабель питания размещены внутри спирали соосно с ней.
Недостатком известного способа следует признать его узкую область применения - только для совмещенных антенн, поскольку достижение свойства снижения влияния обеспечивается за счет соосного расположения излучателя.
Известен (SU, 1229701, опубл. 07.05.1986) способ определения места размещения антенны радиокомпаса на летательном аппарате. Согласно известному способу модели летательного аппарата и антенны устанавливают в переменном электромагнитном поле и измеряют сигналы на выходе антенны при различных ориентациях модели антенны относительно модели летательного аппарата, а место размещения антенны определяют по минимуму ошибки сигнала на выходе антенны, причем линейные размеры моделей летательного аппарата и антенны выполняют пропорционально их реальным размерам, модель антенны размещают на поверхности модели летательного аппарата, а частоту переменного электромагнитного поля подбирают в К - раз больше рабочей частоты радиокомпаса, где К - отношение реальных линейных размеров летательного аппарата к линейным размерам его модели.
Известный способ позволяет определить влияние объекта установки на характеристики других антенн.
Техническая проблема, решаемая посредством разработанного способа, состоит в оптимизации конструкции разрабатываемой антенны с точки зрения возможности размещения ее в зоне действия другой антенны при этом не нарушая ее работу.
Технический результат, достигаемый при реализации разработанного способа, состоит в снижении влияния проектируемой антенны на другую антенну.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанный способ взаимного размещения двух антенн с сохранением их функциональных характеристик. Согласно разработанному способу определяют зону расположения первой антенны в зоне излучения второй антенны, исходя из диапазона функциональных характеристик второй антенны, затем выбирают метаматериал и геометрию для изготовления первой антенны, представляющую собой полосно-пропускающий фильтр, со свойством радиопрозрачности в рабочем диапазоне частот второй антенны, рассчитывают геометрию первой антенны с учетом возможности достижения максимальной радиопрозрачности в диапазоне второй антенны, принимая во внимание характеристики выбранного метаматериала, изготавливают первую антенну, изготовленную антенну устанавливают на носителе так, чтобы ее влияние на формирование диаграммы второй антенны было минимальным, и определяют их функциональные характеристики.
Первая антенна может дополнительно содержать рефлектор для увеличения коэффициента усиления (далее - КУ) в рабочем диапазоне частот.
Для получения свойства снижения влияния на вторую антенну конструкция первой антенны должна обладать свойством «прозрачности» в рабочем диапазоне второй антенны Δf2, а в рабочем диапазоне первой антенны Δf1 обладать свойством проводимости.
Первая антенна может быть выполнена в виде квадратных петлевых щелевых элементов в проводящем слое на диэлектрической подложке.
Преимущественно первую антенну изготавливают путем химического травления через шаблон (маску).
Разработанный способ основан на выявленной возможности разрабатывать конструкции антенн с использованием метаматериалов с получением мета-антенн. Такие конструкции позволяют обеспечивать функциональные характеристики в рабочем диапазоне первой антенны Δf1, и одновременно обладают свойством «прозрачности» в рабочем частотном диапазоне второй антенны Δf2, который лежит в нерабочем диапазоне первой.
Последовательность действий при проектировании конкретной антенны следующая.
Решалась задача проектирования антенны для обеспечения работы оборудования угломерной системы VOR диапазона метровых волн и глиссадных сигналов системы посадки ILS диапазона метровых-дециметровых волн с горизонтальной поляризацией вектора электрического поля. Функциональные характеристики антенны должны соответствовать требованиям ГОСТ Р 50860-2009.
Было решено реализовать интегрированную курсо-навигационную и глиссадную антенну. Поскольку полоса частот глиссадного канала является третьей гармоникой полосы частот курсо-навигационного канала. При этом возникает необходимость использования частотно-разделительного устройства для распределения принимаемых сигналов между приемниками.
332
332
Спроектированная антенна представляет собой симметричный полуволновый вибратор для диапазона частот 108-118 МГц с учетом коэффициента укорочения. Плечи вибратора свернуты, что позволяет уменьшить габариты антенны и обеспечить всенаправленность диаграммы направленности (далее - ДН) в горизонтальной плоскости. Для частот 328-336 МГц электрическая длина составляет 3λ/2, вследствие чего возникают противофазные токи, уменьшающие КУ в направлении продольной оси. Для компенсации этого эффекта вводят рефлектор на расстоянии λ/2 от передней кромки вибратора. Конструкция интегрированной курсо-навигационной и глиссадной антенны приведена на Фиг. 1.
Такой вибратор может быть изготовлен как печатная антенна на гибком диэлектрическом основании (подложке) путем травления металлизации для дальнейшей приклейки, например, на внутреннюю поверхность обтекателя летательного аппарата.
В соответствии компоновкой антенного отсека летательного аппарата антенну располагают на нижней поверхности переднего радиопрозрачного обтекателя (РПО).
Для установления функциональных характеристик антенны было проведено электродинамическое моделирование антенны с учетом антенного окружения. Диэлектрические слои радопрозрачного обтекателя переднего обзора (РПО ПО), лакокрасочных покрытий и подложка являются прозрачным в рабочем диапазоне антенны, поэтому в расчете не учитывались.
Полученные характеристики приведены на рисунках 2-4, при этом:
на фиг. 2 приведена ДН антенны по курсовому каналу в горизонтальной и вертикально-продольной плоскостях;
на фиг. 3 - ДН антенны по глиссадному каналу в горизонтальной и вертикально-продольной плоскостях;
на фиг. 4 - частотная зависимость КСВ(н) антенны, курсовой канал и глиссадный каналы.
Из графического материала видно, что антенна удовлетворяет требованиям ГОСТ Р 50860-2009 к функциональным характеристикам антенн для оборудования угломерной системы VOR диапазона метровых волн и глиссадных сигналов системы посадки ILS диапазона метровых-дециметровых волн.
Настройку антенны на два частотных диапазона осуществляют путем подрезки свернутого плеча вибратора в зонах С, А+, А- (фиг. 5).
Причем подрезка в зоне С способствует одновременной настройке антенны по двум каналам, а подрезка в зоне А+, позволяет независимо настроить антенну по глиссадному канал, а А- позволяет независимо настроить антенну по курсовому каналу.
Поскольку антенну располагают на нижней поверхности переднего РПО, она находится в зоне излучения радиолокационной станции переднего обзора (РЛС ПО) и оказывает существенное влияние на его характеристики. Так, экспериментальная отработка радиотехнических характеристик РПО Су-35 с макетом антенны, которую проводили в безэховой камере Института теоретической и прикладной электродинамики Российской академии наук (ИТПЭ РАН), демонстрирует существенное влияние антенны на коэффициент прохождения (КП) РПО (см. фиг. 6). Нижняя кривая соответствует угловой зависимости в вертикально-продольной плоскости коэффициента прохождения (КП) РПО с макетом антенны, верхняя кривая - РПО без антенны. Видно, что влияние антенны проявляется в снижении КП ниже требуемого по ТУ уровня 0.75 в широком секторе углов места 0°…50° во всем рабочем диапазоне. Снижение КП на 15-25% РПО с антенной сплошной металлизации соответствуют снижению максимальной дальности радиолокаторана 10-17%, что влечет за собой снижение дальности обнаружения цели радиолокатором.
Для решения этой проблемы и снижения влияния антенны на радиолокатор, было принято решение использовать в конструкции антенны метаматериалы.
Метаматериал представляет собой композиционный материал, свойства которого обусловлены его периодической структурой. Такой материал состоит из дискретных рассеивающих элементов, размер которых меньше длины волны излучения. За счет периодической структуры и расположения в пространстве таких элементов, диэлектрическая и/или магнитная проницаемость, а, следовательно, и показатель преломления, который характеризует взаимодействие электромагнитных волн (ЭМВ) с материалом, зависят от параметров падающей электромагнитной волны (от частоты, поляризации).
Эти свойства позволяют использовать метаматериалы в антенной технике различными способами:
1. изготовления подложек и излучателей в печатных антеннах для достижения широкополосности и уменьшения размеров антенных элементов;
2. уменьшение размеров излучателей за счет компенсации реактивности электрически малых антенн;
3. достижения узкой пространственной направленности элементарных излучателей, погруженных в метасреду;
4. изготовления антенн поверхностных волн;
5. уменьшения взаимного влияния между отдельными элементами антенной решетки за счет большей направленности;
6. согласования рупорных и других типов антенн.
Однако для решения поставленной задачи наиболее существенно такое свойство метаматериала, как частотная зависимость коэффициента отражения электромагнитных волн от периодической структуры. Это свойство можно использовать для решения проблемы влияния антенны на радиолокатор, если сделать ее конструкцию «прозрачной» в диапазоне работы радиолокатора с использованием метаматериала.
Тогда конструкция антенны на основе метаматериала должна представлять собой полосно-пропускающий фильтр для электромагнитных волн, причем:
в рабочем частотном диапазоне первой антенны Δf1 обладать свойством проводимости, чтобы обеспечивать функциональные характеристики,
в рабочем частотном диапазоне второй антенны (радиолокатора) Δf2, который совпадает с нерабочим частотным диапазоном первой антенны обладать свойством «прозрачности», чтобы снизить влияние на радиолокатор.
Синтез свойств частотной фильтрации метаматериала, который может осуществляться подбором типа метаматериала и характерных размеров входящих в его состав дискретных элементов, широко раскрыт в научно-технической литературе («Frequency Selective Surfaces. Theory and Design», Ben A. Munk, В частности сравнение элементов на стр. 59-60).
Критерием прозрачности в данном случае являлись требования ТУ к радиотехническим характеристикам (РТХ) РПО ПО, на который осуществляют приклейку антенны: а именно требования к КП и угловой ошибке пеленга (УОП) в рабочем диапазоне радиолокатора.
В общем случае задачу можно поставить шире, и в зависимости от соотношения Δfп и Δfp реализовать в конструкции антенны фильтр полосно-пропускающий или полосно-заграждающий.
Выбор типа метаматериала должен осуществляться с учетом следующих факторов:
1) тип фильтра, который нужно реализовать;
2) возможность реализации в конструкции антенны;
3) воздействие физико-механических факторов.
Известно («Frequency Selective Surfaces. Theory and Design» Ben A. Munk, В частности сравнение элементов на стр. 59-60), что свойства метаматериала существенно зависят от выбора формы дискретных элементов, входящих в ячейку. Элементы отличаются широкополосностью, поляризационными и угловыми характеристиками.
На основании проведенного сравнительного анализа частотных характеристик периодических структур на основе различных типов элементов по критериям ширины рабочего диапазона, поляризационной независимости и стабильности угловых характеристик лучшими матаматериалами для осуществления изобретения являются квадратные петлевые элементы и кольца, затем элемент в форме иерусалимского креста.
В рамках рассматриваемого технического решения основными критериями выбора элементов для метаматериала являются:
ширина рабочего диапазона
поляризационная независимость
стабильность угловых характеристик
технологичность
По этим критериям в качестве дискретных элементов были, в частности, выбраны петлевые квадратные элементы, хотя возможно использование и других вариантов.
Фильтр с полосно-пропускающей частотной характеристикой реализован на основе периодической структуры из щелей в форме квадратных петель в проводящем слое.
Такая структура в конструкции антенны может быть изготовлена путем травления по шаблону (метод фотолитографии для изготовления гибких печатных плат).
Для расчета и оптимизации структуры использовали САПР для электродинамического моделирования HFSS. Достоверность полученных с использованием этой методики численных результатов подтверждается согласованием с экспериментальными данными и расчетами в других программах электродинамического моделирования.
Методика реализует полноволновое электродинамическое 3D-моделирование периодической конструкции метаматериала на основе метода конечных элементов (FiniteElementMethod) и теории бесконечных периодических дифракционных решеток. В соответствии с этой методикой расчет сводится к построению геометрической HFSS-модели единичной ячейки одного периода (канала Флоке) периодической структуры. Канал Флоке моделируют установкой граничных условий на боковых сторонах канала, описывающие периодичность электромагнитного поля в соседних периодах бесконечной модели структуры.
Расчетная единичная ячейка включает в себя объем канала Флоке, модель одного периода проводящей структуры, диэлектрическую подложку антенны, диэлектрические слои РПО, лакокрасочные покрытия.
Подложку и другие диэлектрические слои моделируют заданием относительных диэлектрических и магнитных проницаемостей, потерями и другими свойствами с учетом частотных зависимостей.
Свойства материала проводников соответствуют меди, толщина определяется толщиной металлизации используемой подложки (35 мкм).
Падающая ЭМВ - плоская, характеризуется частотой, поляризацией и углом падения. Расчет проводили для параметризованной геометрии (т.е. все геометрические размеры задавались параметрически с некоторым шагом) для поиска оптимальных геометрических параметров ячейки, обеспечивающего наилучшие характеристики с учетом стенки РПО. Оптимизация проводилась по величине периода расположения элементов в структуре, ширине щели, ширине проводника между соседними элементами.
При выборе размера элемента в первом приближении для оптимизации учитывали тот факт, что периодическая структура располагается вблизи слоев диэлектрика, которые оказывают большое влияние на ее частотные характеристики, поскольку длина волны в слое диэлектрика уменьшается примерно в  раз.
Геометрические параметры дискретного элемента структуры, оптимизированные с учетом требований к частотной характеристике, приведены в таблице 1.
Полученные в результате расчетов частотные и угловые зависимости КП оптимизированной структуры приведены на фиг. 7 (частотная зависимость КП оптимизированной структуры метаматериала, параллельная поляризация) и фиг. 8 (частотная зависимость КП оптимизированной структуры метаматериала, перпендикулярная поляризация).
На графиках (фиг. 7-8) представлены частотные зависимости КП для различных углов падения ЭМВ на структуру, отсчитываемые от нормали в угломестной и азимутальной плоскости при параллельной и перпендикулярной поляризации.
Из графиков (фиг. 7-8) видно, что коэффициент прохождения стенки РПО с периодической структурой квадратных петлевых щелей обладает требуемой частотной характеристикой. В диапазоне работы радиолокатора она обладает свойством «прозрачности» КП РПО (≥0.8), что удовлетворяет требованиям ТУ, а в рабочем частотном диапазоне антенны Δfp обладает свойством проводимости КП стремится к 0.
Также оптимизированная структура обеспечивает равномерность угловых характеристик (свойства сохраняются во всем угловом секторе падения ЭМВ - для углов, 0…45° КП в рабочем диапазоне не хуже 0.8) и поляризационную независимость (свойства сохраняются в двух взаимно перпендикулярных плоскостях: угломестной и азимутальной).
Снижение влияния на локатор антенны на основе метаматериалов по сравнению с антенной со сплошной металлизацией была подтверждена экспериментальной оценкой РТХ РПО ЛА с макетами антенн, которая проводилась в безэховой камере ИТПЭ РАН. См. фиг. 9 - приведена угловая зависимость КП РПО в вертикально-продольной плоскости для нижней рабочей частоты радиолокатора, фиг. 10 - приведена угловая зависимость КП РПО в вертикально-продольной плоскости для средней рабочей частоты радиолокатора, фиг. 11 - приведена угловая зависимость КП РПО в вертикально-продольной плоскости для верхней рабочей частоты радиолокатора, где верхняя кривая показывает зависимость без антенны, нижняя - с макетом антенны со сплошной металлизацией, средние (пунктирные) - с макетом антенны из метаматериала.
Применение метаматериалов в антенне позволяет сохранить КП РПО на требуемом уровне выше 0.8 в рабочем диапазоне локатора для углов места до +40°. Также было проведено исследование зависимости влияния макета антенны на локатор от ее расположения. Длинный пунктир на фиг. 11 соответствует смещению антенны на 700 мм относительно локатора, короткий пунктир - на 400 мм. Большее смещение антенны вперед относительно локатора приводит к большему снижению КП в секторе углов 0±15°, что нежелательно, поэтому следует располагать антенну по возможности ближе к локатору.
Далее проводили оценку функциональных характеристик антенны с учетом введения в ее конструкцию периодической структуры.
Расчет излучающих характеристик антенны проводили в программной среде электродинамического моделирования FEKO. Антенну рассчитывали, как в свободном пространстве, так и с учетом антенного окружения.
Первоначальной задачей было оценить, насколько влияет введение периодической структуры в конструкцию антенны на ее функциональные характеристики. Для этого расчет антенны в свободном пространстве проводили для варианта антенны со сплошной металлизацией и варианта с конструкцией на основе метаматериала. Результаты расчета КСВ(н) и ДН подтвердили, что введение периодической структуры в антенне не влияет на ее ДН. Частотная зависимость КСВ(н) более чувствительна к введению структуры. Особенно это проявляется в диапазоне глиссадного канала, где сказывается рост индуктивности за счет увеличения пути протекания тока по структуре. Это приводит к изменению настройки антенны на более низкие частоты. Подстройку антенны проводят согласно фиг. 5, подрезая конструкцию строго по границам единичной ячейки, чтобы не потерять частотно-селективные свойства.
Расчет функциональных характеристик антенны с учетом влияния антенного окружения можно проводить для антенны со сплошной металлизацией (см. фиг. 2-4). Но необходимо будет учесть, что при переходе к конструкции с периодической структурой в тех же габаритных размерах изменится настройка антенны, и необходимо заложить «запас» для подстройки антенны путем подрезания.
Исходные требования к конструкции проектируемой антенны были следующие:
- обеспечение функциональных характеристик в рабочем диапазоне
- снижение влияние на другую антенну, работающую в отличном частотном диапазоне.
Для решение этой проблемы были использованы в конструкции метаматериал (а именно, периодическая структура из дискретных элементов). Такая периодическая структура, как известно обладает свойствами частотной фильтрации.
Тип метаматериала (квадратные щелевые элементы в проводящем слое на гибком диэлектрическом основании) был выбран исходя из требуемых параметров частотной характеристики, возможности реализации в конструкции антенны, обеспечения требуемых физико-механических параметров и удобства монтажа и настройки антенны. Оптимизация свойств метаматериала осуществлялась путем подбора характерных размеров входящих в его состав дискретных элементов - квадратных щелевых элементов.
Оптимизированная периодическая структура в конструкции антенны представляет собой полосно-пропускающий фильтр. В рабочем частотном диапазоне антенны Δf1 конструкция обладает свойством проводимости, обеспечивая требуемые функциональные характеристики. Антенна с конструкцией на основе метаматериалов с хорошим запасом выполняет требования по неравномерности и КУ.
В диапазоне работы радиолокатора Δf2 конструкция антенны обладает свойством «прозрачности» для снижения влияния на его работу. Критерием прозрачности в нашем случае являлись требования технических условий (ТУ) к радиотехническим характеристикам (РТХ) РПО ПО, на который осуществляется приклейка антенны.
Снижение влияния на локатор антенны на основе метаматериалов по сравнению с антенной со сплошной металлизации была подтверждена экспериментальной оценкой. КП РПО с макетом антенны соответствует требованиям ТУ.
Ниже приведен пример реализации конструкции антенны (фиг. 12).
Антенна для аппаратуры VIM-95 выполнена на гибкой диэлектрической подложке типа полиимида, на которой сформирован метаматериал в виде периодического рисунка проводящих элементов из фольги толщиной 35 мкм путем химического травления через шаблон. Экспериментальная проверка показала, что антенна подобной конструкции, размещенная на РПО летательного аппарата, не вносит ошибок в работу антенны радиолокатора.
Размещение антенны относительно антенны радиолокатора приведено на фиг. 13, где применены следующие обозначения: 1 - первая антенна (антенна для аппаратуры VIM-95), 2 - вторая антенна (радиолокатор), 3 - радиопрозрачный обтекатель (РПО), 4 - зона излучения второй антенны, в которой размещается первая антенна.