ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОНФОРМНЫХ СТРУКТУР И МЕТАПОВЕРХНОСТЕЙ В АНТЕННЫХ СИСТЕМАХ МОБИЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ

Мобильные (подвижные) объекты размещения различных радиотехнических устройств и комплексов военного, гражданского и двойного назначения находят все более широкое применение [1] в современном мире. В настоящее время это – пилотируемые и беспилотные летательные аппараты, боевые, транспортные, специальные, дорожные, строительные и сельскохозяйственные машины, роботизированные боевые и транспортные комплексы, маломерные корабли и суда, в том числе безэкипажные, и многое другое. На мобильных объектах размещаются комплексы радиосвязи, радиолокации, радионавигации, радиоэлектронной разведки, радиоэлектронной борьбы и т.п. Одновременно с расширением сфер применения подобных объектов постоянно возрастают требования к тактико-техническим характеристикам их оборудования, включая антенно-фидерное. При этом существенно возрастают требования не только к характеристикам назначения, но и к массогабаритным и аэродинамическим характеристикам антенн.

Конформные антенны мобильных объектов

Одним из быстро развивающихся перспективных направлений в области создания новых по- колений антенн для мобильных объектов является применение конформных антенн, т.е. антенн, форма которых соответствует поверхности носителя [2]. При этом могут использоваться не только одиночные конформные излучатели [3], но и системы (решетки) таких излучателей [4].

Наиболее распространенными типами конформных антенн являются низкопрофильные полосковые структуры [3–6], которые устанавливаются на корпус (кузов, фюзеляж) носителя, в том числе на плоскости и фюзеляжи летательных аппаратов, включая беспилотные. Интересным направлением в области создания конформных антенн являются интегрированные антенные модули на основе современных композиционных материалов [6], обеспечивающие интеграцию антенны в несущую обшивку корпуса беспилотного аппарата и обладающие рядом значительных преимуществ перед классическими системами (рисунок 1).

Менее известной, но весьма перспективной разновидностью конформных антенн являются проволочные конформные антенны, в том числе магнитные [7], образованные проводниками, размещенными на корпусе объекта (рисунок 2).

Подобные конструкции могут быть реализованы в относительно низкочастотных диапазонах, включая декаметровый диапазон (ДКМВ).

Минкин М.А., Морозов Д.В., Нещерет А.М., 2024

Рисунок 1. Конформные антенны на основе интегрированных антенных модулей [5; 6]

Рисунок 2. Проволочная конформная антенна [7]

Обозначения на рисунке 2: 1.1 – полотно антенны, 1.2 – эквивалентная рамка, 2 – петля связи, 3 – балластная нагрузка, 4 – корпус объекта.

Аналогичные решения могут быть использованы и при разработке антенн для наземных подвижных объектов. Проведенный анализ опыта их применения позволил выявить, как минимум, две задачи по совершенствованию их антенн. Прежде всего, это потребность в обеспечении механической прочности и устойчивости к воздействию ударов о местные предметы в движении. Применение конформных антенн практически устраняет эту проблему, поскольку антенна почти не выступает за габариты объекта.

Кроме того, в ряде случаев необходимо обеспечить прием волн горизонтальной поляризации с горизонтальных направлений, что для традиционных антенн при их близком расположении к корпусу объекта крайне затруднительно. Решение этой проблемы может быть обеспечено путем использования конформных структур в виде планарных метаматериалов (метаповерхностей) [8], в том числе с киральными свойствами, обеспечивающих в месте установки антенны на корпусе объекта высокоимпедансную подстилающую поверхность со свойствами, близкими к магнитному экрану.

Метаповерхности

Метаповерхность [8; 9] представляет собой упорядоченный или квазихаотичный двумерный массив из плоских элементов субволновых размеров. Достоинства планарных метаматериалов, по сравнению с объемными, достаточно хорошо известны. Прежде всего, они более технологичны благодаря возможностям использования технологий полосковых и печатных плат. Кроме того, они имеют лучшие массогабаритные и технико-экономические характеристики.

В качестве плоских элементов метаповерхностей используются различные субволновые, в том числе киральные, элементы. В числе симметричных элементов следует отметить замкнутые, незамкнутые и концентрические кольца, I-образные элементы, прямоугольные и многоугольные плоские рассеиватели. Киральные элементы представлены плоскими спиралями, S-элементами, Ω-элементами, гаммадионами и т.д. [10].

Методы математического моделирования метаповерхностей достаточно многообразны [8; 9; 11] и обеспечивают строгое или приближенное описание отдельного элемента, учет геометрии ансамбля, расчет эквивалентных параметров и диспе-сионных характеристик поверхности и т.д.

В то же время, для метаструктуры относительно небольших конечных размеров использование современных программных средств позволило решать задачи моделирования метаповерхности на основе строгой электродинамической модели, непосредственно включающей весь ансамбль элементов и, таким образом, учитывающей все существенные факторы.

Были проведены исследования характеристик метаповерхностей на основе S-элементов и гам-мадионов. Исследовались конечные апертуры (панели), содержащие упорядоченные двумерные ансамбли плоских S-элементов (матрица 6х14) и гаммадионов (матрица 6х6).

На рисунке 3 приведены результаты расчета частотных характеристик нормированного эквивалентного поверхностного тока на метаповерхностях при их возбуждении плоской нормально падающей волной (нормирование условное).

В обоих случаях наблюдаются ярко выраженные резонансные свойства эквивалентного поверхностного импеданса. На резонансных частотах метаповерхности ведут себя как проводящие плоскости и могут выполнять функции экранов или рефлекторов, а вдали от резонансных частот они возбуждаются слабо и близки к диэлектрикам.

Резонансные частоты для S-элементов и гам-мадионов достаточно близки. Добротность для гаммадионов, как и следовало ожидать, несколько выше.

Частота, Гц

Рисунок 3. Расчетные характеристики метаповерхностей

Экспериментальные исследования

Для экспериментального исследования характеристик метаповерхностей были изготовлены макеты, представляющие собой панели на основе S-элементов и гаммадионов с топологией, соответствующей ранее рассчитанным структурам, выполненные путем наклеивания плоских металлических элементов на диэлектрик (рисунок 4) [12].

а)                             б)

Рисунок 4. Макеты метаповерхностей на основе

S-элементов (а) и гаммадионов (б) [12]

Экспериментальное исследование макетов включало измерение коэффициента передачи между измерительной и вспомогательной антеннами (рисунок 5) при отсутствии панели, при установке панели между антеннами (панель-экран) и при ее установке за вспомогательной антенной (панель-рефлектор).

Такой подход позволил в широкой полосе частот оценить эффекты, возникающие при установке экрана (рефлектора), по сравнению с исходной характеристикой коэффициента передачи между двумя антеннами.

На рисунке 6 приведены экспериментальные характеристики соответствующих коэффициентов передачи для метаповерхности (панели) из S-элементов.

Рисунок 5. Проведение измерений [12]

Рисунок 6. Экспериментальные характеристики панели из S-элементов [12]

На частотах, близких к резонансной (примерно 620 МГц), наблюдается достаточно эффективное экранирование: коэффициент передачи примерно на 10 дБ меньше, чем без экрана. В то же время, в режиме «панель-рефлектор» на этих частотах коэффициент передачи не только не увеличивается, но заметно снижается. Это связано, по-видимому, с киральностью элементов (а значит и метаповерхности в целом), благодаря которой имеет место эффективное рассеяние волны в направлениях, параллельных плоскости панели [13].

Указанный эффект требует проведения дальнейших исследований, однако уже сейчас можно предполагать возможности его использования для формирования пространственных характеристик антенных систем, а также для создания конформных структур (покрытий), снижающих радиолокационную заметность объектов установки.

На рисунке 7 приведены аналогичные характеристики коэффициентов передачи для панели из гаммадионов. В этом случае наблюдаются аналогичные закономерности, однако эффект парадоксальной работы рефлектора выражен не столь явно, что может быть связано с более высоким порядком поворотной симметрии элемента.

Рисунок 7. Экспериментальные характеристики панели из гаммадионов [12]

Заключение

Проведенные исследования, включая экспериментальные, подтверждают перспективность дальнейшей деятельности, направленной на создание антенных систем подвижных объектов на основе конформных структур и метаповерхностей.

Предварительно могут быть сформулированы ближайшие задачи исследований [1]:

– обоснование путей решения основных проблем в области антенн подвижных объектов на основе применения конформных структур и метаструктур на объектах различных типов и разного назначения;

– исследование характеристик метаповерхностей на основе элементарных рассеивателей различных типов в зависимости от их электрических размеров, ориентации, характера и плотности размещения;

– разработка методов и технологий формирования импедансных поверхностей с заданными свойствами;

– исследование характеристик двухслойных и многослойных метаструктур;

– исследование возможностей использования конформных структур и метаструктур, в том числе многослойных, для снижения радиолокационной заметности объектов;

– разработка антенн, маскирующих покрытий и т.п. для мобильных объектов на основе конформных структур и метаповерхностей.