ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме магистерской работы: «Исследование электромагнитной заметности объектов, которые имеют в своем составе антенные системы»

Содержание

Введение

В настоящее время актуальной является проблема маскировки радиотехнических комплексов. Несмотря на то, что, уже давно и достаточно широко используется мимикрия – способ маскировки подсмотренный у насекомых и некоторых представителей флоры, при котором насекомые выдают себя за листики веточки и т.д. В нашем же мире, мире высоких технологий, данный способ отлично подходит для маскировки антенн, для той же сотовой связи, когда их, к примеру, выдают за кактусы, деревья и т.п. Существуют более сложные дорогие и действительно качественные способы визуально замаскировать антенну, и они действительно отлично работают. Учитывая нынешние технологии, обнаружить, даже при помощи качественных оптических приспособлений, какой либо хорошо замаскированный комплекс со 100 метров действительно крайне затруднительно. Но, к сожалению, невидимая антенна всё равно остается антенной и поисковым, пеленгующим системам, направленным на поиск нашего комплекса всё равно, как выглядит антенна, не потому что у них нет глаз, а потому что «видят» они совершенно по-другому. Вот именно в этом и состоит основная сложность маскировки антенн и радиотехнических комплексов. Один из стандартных приемов маскировки это применение защитного колпака (оптически непрозрачного экрана), это довольно простой способ, но к сожалению не очень удобный в эксплуатации. Предлагается способ создания радионепрозрачной среды непосредственно вокруг антенны, колпак при этом будет радиопрозрачен. Плюсы данного метода в том, что нет необходимости снимать какое либо оборудование, достаточно просто изменить внутренне наполнение под колпаком, что бы антенна работала, или же была невидима для средств обнаружения. Так же одним из преимуществ данного способа является то, что он может быть применен на уже существующих антеннах и комплексах без внесения особых изменений в их конструкцию. В данное время на кафедре РТЗИ Донецкого национального технического университета ведутся разработки по созданию устройства способного защитить антенну от поисковых радиоэлектронных средств, не ограничивая её в функциональности, и скорости смены режимов «работа», «невидимость».

1. Цель и задачи исследования

Целью магистерской работы является разработка модели маскирующего комплекса с использованием радионепрозрачной среды непосредственно вокруг антенны, что существенно снизит ее эффективную площадь рассеивания (ЭПР), и тем самым сделает весь комплекс малозаметным для обнаружения радиоэлектронными средствами разведки.

Для достижения поставленной цели в магистерской работе необходимо выполнить такие задачи:

  1. Исследование методов радиомаскировки.
  2. Проведение сравнительного анализа свойств электролитических субстанций, и на его основе выбрать удовлетворяющую нашим условиям смесь.
  3. Моделирование антенны.
  4. Расчет параметров антенны по результатам моделирования.
  5. Моделирование антенны с применением маскировки.
  6. Расчет параметров антенны по результатам моделирования с применением маскировки.
  7. Экспериментальное подтверждение полученных данных.

2. Актуальность темы

Попытки решения проблемы создания техники и объектов, малозаметных для радиоэлектронных средств, предпринимались со времени начала развития радиоразведки. В связи с этим появилось понятие радиомаскировка. (Радиомаскировка - комплекс технических и организационных мероприятий, направленных на снижение эффективности радиоразведки противника). Существует множество способов маскировки путем уменьшения ЭПР по средствам применения различных материалов или конструкций в составе антенн. Метод создания радионепрозрачной среды непосредственно вокруг самой антенны позволит модернизировать уже имеющиеся комплексы без особого вмешательства в конструкцию антенн.

Таким образом, тема защиты антенных систем путем уменьшения ЭПР от обнаружения радиоэлектронными средствами актуальной в настоящее время.

3. Предполагаемая научная новизна

Разработка модели маскирующего оборудования, которое позволяет создать радионепрозрачную среду непосредственно вокруг антенны ново само по себе. Данный способ маскировки может быть применен к уже действующим антеннам после небольшой модернизации. На данный момент аналогов системы маскировки с применением газа обладающего свойствами металлов не существует.

4. Снижение заметности техники и объектов

Сделать объекты малозаметными для РЭС чрезвычайно трудно. Возможно лишь несколько уменьшить возможности их обнаружения разведывательными РЭС, если покрыть материалами, поглощающими энергию ЭМВ, или применить малоотражающие формы. Однако ощутимого результата в снижении радиовидимости можно добиться только в случае резкого снижения ЭПР объектов. Так, уменьшение ЭПР в 16 раз сокращает дальность радиолокационного обнаружения объекта вceгo и 2 раза. [7. 102-103]

4.1 Радиопоглощающие материалы

Радиопоглощающие материалы - это неметаллические материалы, обеспечивающие при взаимодействии с электромагнитными волнами поглощение, рассеяние и интерференцию их энергии. По принципу действия их разделяют на градиентные и интерференционные.

Градиентные (поглощающие) материалы представляют в виде диэлектрика, в состав которого входит основа и наполнитель. Они обеспечивают плавное либо ступенчатое изменение толщины комплексной диэлектрической и магнитной проницаемости. В качестве основы используется стеклотекстолит, пенопласт, разнообразные виды каучука. Используемыми наполнителями являются магнитные (никель-цинковые ферриты, порошок карбонильного железа) и немагнитные (порошок графита, угольная и ацетиленовый сажа) материалы. Покрытие хорошо поглощает электромагнитную энергию, если оно согласовано со свободным пространством, то есть волновое сопротивление на границе покрытие - свободное пространство равно сопротивлению свободного пространства. Согласование обеспечивается тем, что внешний слой выполняется из материала с диэлектрической и магнитной проницательностью, близкими к единице. Интенсивность поглощения энергии повышается, если концентрация наполнителя в материале увеличивается от внешней поверхности к основе. Это достигается пропиткой основы поглотителем или изготовлением многослойных покрытий, в которых концентрация поглотителя постепенно растет.

Применение многослойных покрытий расширяет их диапазонность. Для того чтобы на границах слоев не возникало паразитных отражений, не разрешается резкое изменение диэлектрической и магнитной проницаемости при переходе от слоя к слою, а также от окружающей среды до покрытия. Толщина покрытия определяет диапазон частот, в котором происходит поглощение энергии. Верхний (входной) его слой состоит из материалов, имеющих диэлектрическую проницаемость близкую к единице для обеспечения согласования с электрическими параметрами свободного пространства. Для уменьшения интенсивности отражения внешней поверхностью покрытия выполняют в виде шипов конусной или пирамидальной формы.

В них электромагнитные волны последовательно отражаются от поверхности шипов. Поэтому происходит гораздо больше соприкосновений с покрытием и увеличивается интенсивность поглощения. Некоторые шиповидные покрытия снижают интенсивность отражения электромагнитной энергии в сантиметровом диапазоне волн на 90% и более. Так, один из американских образцов покрытия из пористого стекловолокна толщиной 12,7 мм поглощает около 99% энергии, которая падает в диапазоне волн от 1 до 77 см. Оно имеет достаточную гибкость, огнестойкость, устойчивость к атмосферным воздействиям. Покрытие AF, разработанное в Великобритании на основе смеси пористого каучука и угольной пыли (сажи) имеет коэффициент отражения в сантиметровом диапазоне волн не более 6%. [7, с. 105]

Стационарные сооружения могут быть скрыты радиопоглощающими материалами из волосяных матов, которые пропитаны смесью неопрена (вид каучука), и проводящей угольной сажи. Поглощающие материалы из шерсти, смешанной с железной стружкой или опилками. Проникая в материал, электромагнитная энергия рассеивается металлическими частями и поглощается шерстью. Такие материалы выполнены в виде матов толщиной 40-50 мм, уменьшают энергию отраженного сигнала в 20-50 раз.

Малоподвижные или неподвижные объекты и сооружения (корабли, мосты) могут покрываться для уменьшения эффективной площади рассеяния широкодиапазонными поглощающими покрытиями из пористого каучука, смешанного с угольной пылью, или из пенополистирола, покрытого угольной пленкой. Он имеет твердую поверхность, в результате чего интенсивность отражения мало зависит от угла падения радиоволны. Их коэффициент отражения не превышает 1% мощности.

Интерференционные покрытия состоят из попеременных слоев диэлектрика (пластмасса, каучук) и пленки электропроводящего материала. В них при падении плоской электромагнитной волны на поверхность электропроводящей пленки в результате наложения волны, падающей и отраженной волны в диэлектрике возникают стоячие волны. Если толщина диэлектрика равна нечетном количестве четвертей падающей радиоволны, а волновое сопротивление пленки равно волновому сопротивлению свободного пространства, то электромагнитная энергия не будет отражаться. Поскольку характеристики интерференционных покрытий связаны с длиной волны, то они эффективны в ограниченном диапазоне радиоволн. Благодаря введению в состав покрытий ферромагнитных веществ с примесями сажи обеспечивают не только интерференционные свойства, но и поглощения. Для расширения полосы рабочих частот интерференционные покрытия делают многослойными. В них концентрация поглощающего материала увеличивается от одного слоя к другому. В результате этого рабочий диапазон увеличивается в 3-4 раза. Наиболее эффективно покрытия работают при нормальном падении волны, когда электромагнитная энергия ослабляется в несколько десятков раз. Для других направлений интенсивность ослабления резко падает. [7, с. 106]

Наиболее распространенными являются керамические ферритовые широкодиапазонные радиопоглощающие материалы. Покрытие из них имеют небольшую толщину и отличаются значительной устойчивостью к резким изменениям условий окружающей среды. При толщине ферритового слоя 0,83 см его коэффициент отражения не превышает 10% в диапазоне частот 30-300 МГц. Примером интерференционного покрытия является "Экосорб 269Е", изготовленный фирмой "Эмерсон Каминг" (США) из смеси мелкодисперсного ферритового поглотителя и связующего материала на базе каучуковых смол с коэффициентом поглощения 20 дБ / см на частоте 3 ГГц и 63 дБ / см на частоте 8,6 ГГц.

Новые радиопоглощающие материалы с большим коэффициентом поглощения изготавливаются с использованием металлических наполнителей в виде порошков и кристаллов железа и их сочетаний в связующих диэлектрических материалах типа эпоксидных или полиуретановых пластмасс, резины, содержащей кремний.

Общими недостатками, ограничивающих использование радио поглощающих материалов для маскировки техники и объектов является относительно малая диапазонность и значительная масса. Поэтому их наносят на те места (части) техники и объектов, больше отражающих электромагнитную энергию. Такие места называют блестящими точками. К ним относят стыки, резкие переходы, действующих как угловые радио отражатели, острые кромки, значительные по площади участки поверхности малой кривизны. Наиболее широко радио поглощающие материалы применяют для маскировки от радиолокационного обнаружения ракет, космических аппаратов, надводных кораблей и подводных лодок. [7, с. 107]

5. Метаматериал

Метаматериал — композиционный материал, свойства которого обусловлены не столько свойствами составляющих его элементов, сколько искусственно созданной периодической структурой.

Метаматериалы синтезируются внедрением в исходный природный материал различных периодических структур с самыми различными геометрическими формами, которые модифицируют диэлектрическую «ε» и магнитную «μ» восприимчивости исходного материала. В очень грубом приближении такие внедрения можно рассматривать как искусственно внесенные в исходный материал атомы чрезвычайно больших размеров.

Разработчик метаматериалов при их синтезировании имеет возможность выбора (варьирования) различных свободных параметров (размеры структур, форма, постоянный и переменный период между ними и т. д.).

Одно из возможных свойств метаматериалов — отрицательный (или левосторонний) коэффициент преломления, который проявляется при одновременной отрицательности диэлектрической и магнитной проницаемостей. Пример такого метаматериала показан на Рисунке.[рис.1, 10]

Отрицательное преломление

Уравнение распространения электромагнитных волн в изотропной среде имеет вид:

k^2-(w/c)^2 n^2=0

где:

k — волновой вектор,


w — частота волны,


с — скорость света,

Рис. 1

n^2=εμ — квадрат показателя преломления. Из этих уравнений, очевидно, что одновременная смена знаков у ε диэлектрической и μ магнитной восприимчивости среды никак не отразится на этих соотношениях.

5.1 «Правые» и «Левые» изотропные среды

Уравнение получено на основе теории Максвелла. Для сред, у которых диэлектрическая ε и магнитная μ восприимчивости среды одновременно положительные, три вектора электромагнитного поля — электрический E магнитный H и волновой k образуют систему т. н. правых векторов: [kE]=(w/c)μH, [kH]=(w/c)εE.

Такие среды, соответственно, называют «правыми».

Среды, у которых ε,μ — одновременно отрицательные, называют «левыми». У таких сред электрический E, магнитный H и волновой k вектора образуют систему левых векторов.

В англоязычной литературе описанные материалы называют right- и left-handed materials, или сокращенно RHM (правые) и LHM (левые), соответственно.

Прохождение света через границу сред, у которых оба показателя преломления положительны n1>0, n2>0 рис. 2

Прохождение света через границу сред, у которых оба показателя преломления положительны n1>0,n2>0  [рис.2, 10]

Прохождение света через границу сред у одной из которых показатель преломления положителен n1>0, а у другой — отрицателен n2<0рис. 3

Прохождение света через границу сред у одной из которых показатель преломления положителен n1>0, а у другой — отрицателен n2<0 [рис. 3, 10]

Поток энергии, переносимой волной, определяется вектором Пойнтинга S, который равен S=(c/4π)[EH] . Вектор S всегда образует с векторами E, H правую тройку. Таким образом, для правых веществ S и k направлены в одну сторону, а для левых — в разные. Так как вектор k совпадает по направлению с фазовой скоростью, то ясно, что левые вещества являются веществами с так называемой отрицательной фазовой скоростью. Иными словами, в левых веществах фазовая скорость противоположна потоку энергии. В таких веществах, например, наблюдается обращенный допплер-эффект.

6. Антенна шар

рис. 4

Антенна шар

Шаровая антенна, представляющая собой проводники, нанесенные методом пленочной технологии на поверхность шара, заполненного легким газом, соединенные с усилительным блоком, расположенным в нижней части шара, выход которого подключен к трос-кабелю, отличающийся тем, что проводники выполнены в виде кольцевых рамок с геометрическими параметрами, соответствующими основному и дополнительному диапазонам частот, в которые через полуволновые промежутки включены короткозамкнутые четвертьволновые шлейфы, объединяющие соседние рамки, причем для волн горизонтальной поляризации рамки располагаются по параллелям шара, а для волн вертикальной поляризации — по его меридианам.  [рис.4, 10]

 

 

 

6.1 Радиопрозрачный колпак

На крыше башни под радиопрозрачным колпаком смонтирована антенна РЛС обнаружения и сопровождения целей рис. 4рис. 5

На крыше башни под радиопрозрачным колпаком смонтирована антенна РЛС обнаружения и сопровождения целей TRS-2620 «Герфаут» французской фирмы «tomcoh»-csf. РЛС -доплеровская, миллиметрового диапазона, кругового обзора. [рис.5, 10] Дальность обнаружения целей — до 14 000 м.

6.2 Модернизация


• Предлагается модернизация технологии маскирования антенн.


• В данный комплекс включается устройство для создания радионепрозрачной среды под радиопрозрачным колпаком.


• Суть метода заключается в том, что под герметичный колпак нагнетается газ обладающий свойствами металла, тем самым под колпаком создается радионепрозрачная среда которая маскирует антенну.

Анимация изменения среды
1 —Радиопрозрачный колпак.

2 — Антенна.

3 — Устройство нагнетания нужной атмосферы





Рис. 6







Рис. 6 Илюстрация смены внутреннего наполнения под колпаком (анимация 7 кадров, повторение 7, 167kb)

 

Список источников


  1. Антенны УКВ /Под ред. Г.З. Айзенберга. В 2-х ч. Ч. 2. - М.: Связь, 1977. - 288с. с ил.
  2. Антенны: (Современное состояние и проблемы)/ Под ред. чл.-корр. АН СССР Л.Д. Бахраха и проф. Д.И. Воскресенского.- М.: Сов. Радио, 1979.-208с
  3. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн: Учебник для вузов/ Г.А. Ерохин,  О.В. Чернышев и др.; Под ред. Г.А. Ерохина. – 3-е изд., - М.: Горячая линия-Телеком,2007.-491с.: ил.
  4. Жук М.С., Молочков Ю.Б. Антенно-фидерные устройства. М.: Энергия, 1966.
  5. Бекетов В.И. Антенны сверхвысоких частот: М.: Военное издательство министерства обороны союза ССР, 1957.
  6. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны: Учебник для студентов радиотехнических специальностей вузов. 2-е изд., перераб. И доп. М.: Энергия, 1975.
  7. Палий А.И. Радиоэлектронная борьба. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Воениздат, 1989. - 350с., ил
  8. Ротхаммель К. Антенны: Пер. с нем. – 3-е изд., доп. – М.: Энергия, 1979. – 320 с., ил.
  9. Ротхаммель К., Кришке А. Антенны. Том 2: Пер. с нем. – Мн.: ОМО «Наш город», 2001. -416с.: ил.
  10. http://ru.wikipedia.org/wiki/ Электронный ресурс.