Проектирование радиопрозрачных обтекателей

О.И. Кудрин, Г.Н. Селиванова
Открытое акционерное общество «Центральное конструкторское бюро автоматики»
644027, г.Омск, проспект Космический, 24а
E-mail: ckba@omsknet.ru
ПРОЕКТИРОВАНИЕ РАДИОПРОЗРАЧНЫХ ОБТЕКАТЕЛЕЙ
Анализируются проблемы разработки радиопрозрачных обтекателей. Показаны основные этапы
проектирования слабонагруженных по тепловым и прочностным характеристикам радиопрозрачных обтекателей.
Разработка радиопрозрачных обтекателей (РПО) является сложной комплексной
проблемой, включающей в себя вопросы радиотехники, механической и тепловой
устойчивости, технологии изготовления, испытаний. Современные тенденции развития
бортовой радиоэлектронной аппаратуры ( РЭА) существенно ужесточают требования к
вновь разрабатываемым РПО. Все более актуальной становится проблема совместного
проектирования систем антенна-обтекатель.
ОАО «ЦКБА» традиционно является разработчиком бортовой РЭА. РПО,
используемые в изделиях предприятия, как правило, разрабатывались и
изготавливались сторонними организациями. На нашем предприятии ранее
проводилась только экспериментальная проверка РПО и анализ их радиотехнических
характеристик (РТХ). Накопленный опыт, а также развитие технологической базы на
предприятии позволяют в настоящее время проводить работы по собственному
проектированию и изготовлению РПО. Заметим, что зачастую ОАО «ЦКБА» является
одновременно разработчиком и антенной системы, и РПО, что дает нам возможность
оценивать и оптимизировать систему антенна-обтекатель в целом для достижения
требуемых характеристик.
Сконцентрировавшись на данном классе обтекателей, мы создали целый комплекс
инструментов проектирования многослойных стенок РПО и освоили технологии их
изготовления.
Можно выделить следующие основные этапы проектирования РПО:
1. Анализ характеристик РПО на упрощенной модели. Определение геометрии
обтекателя. Определение требований к РТХ многослойной стенки.
2. Расчет и оптимизация многослойных стенок РПО.
3. Анализ совместной геометрии системы антенна-обтекатель.
4. Электродинамическое моделирование системы антенна-обтекатель с
помощью программного пакета физической оптики.
5. Макетирование стенки. Изготовление локальных образцов стенки.
Экспериментальная проверка РТХ.
6. Изготовление макета обтекателя, экспериментальная проверка. Разработка
стенда и методики измерений.
7. Изготовление опытного образца, проверка РТХ, механические и
климатические испытания.
Рассмотрим первый этап проектирования, а именно, анализ характеристик РПО
на основе упрощенной модели. В этой модели сделаны следующие допущения и
упрощения:

рассматриваем антенну как передающую и считаем, что она излучает
параллельный пучок лучей по направлению максимального излучения (вдоль оси
антенны);

каждый луч из пучка попадает на стенку обтекателя в какой-то точке
внутренней поверхности обтекателя, в которой мы считаем стенку обтекателя локально
плоской. Луч проходит через стенку и отражается от нее согласно законам
геометрической оптики. В каждой точке можно построить модель стенки (в общем
случае многослойной), электрические параметры которой находим, пользуясь
приближенными методами. Характеристики РПО определяются интегральными
характеристиками всей стенки (по всей поверхности обтекателя).
Анализ сводится к следующему: сначала выбирается форма (геометрия) РПО и
определяются возможные углы падения лучей от антенны на стенку обтекателя (из
геометрии системы антенна-внутренний контур обтекателя). Затем для стенки РПО
определяется амплитудный коэффициент прохождения для определенного выше
диапазона углов падения и оценивается общий коэффициент прохождения для
обтекателя, усредненный по углам падения.
Для анализа формы обтекателя разработана программа (в среде Microsoft Office
Excel), позволяющая рассчитать углы падения на стенку и пространственные углы как
первого переотражения луча от стенки, попадающего в переднее полупространство
обтекателя, так и углы переотражений по цепочке “стенка обтекателя - антенный диск переднее полупространство обтекателя”. В общем случае определение углов падения
на стенку обтекателя - это трехмерная задача, причем оценку надо производить для
каждой точки на поверхности антенны для всех вариантов расположения антенны под
обтекателем. Величина этих углов является критерием выбора формы РПО.
Следующим этапом в проектировании РПО является расчет многослойной стенки
обтекателя. Создана программа, позволяющая рассчитать электрические параметры
многослойной (до 7 слоев) стенки обтекателя, основанная на приближении
прохождения плоской волны через бесконечно большой плоский лист и на
представлении стенки в виде набора эквивалентных линий передач. Принципиально
нового в данной программе ничего нет, эти методы давно известны и широко
применяются. Основное внимание при создании программы уделялось разработке
удобного пользовательского интерфейса, позволяющего рассчитывать параметры
стенки в диапазоне частот и углов падения. Наиболее важные параметры - толщина
слоев и диэлектрическая проницаемость - выведены на движки, что позволяет легко и
наглядно просматривать различные варианты стенки РПО. Программа реализована в
среде Microsoft Office Excel с расчетными подпрограммами, написанными на
встроенном языке Visual Basic for application (VBA).
Для синтеза многослойной стенки создана еще одна программа (более мощная,
чем предыдущая), написанная в среде Microwave Office. Она позволяет не только
рассчитывать, но и оптимизировать стенку, используя стандартный набор
инструментов Microwave Office, в том числе и численную оптимизацию.
Расчет стенки РПО на данном этапе может быть осуществлен только в первом
приближении, в основном потому, что отсутствуют достоверные (определенные с
требуемой точностью) эквивалентные электрические параметры материалов стенки.
Эквивалентная толщина и диэлектрическая проницаемость материала зависит не
только от паспортных значений этих величин на применяемый материал, но и от
технологии изготовления. Отметим, что реальная конструкция стенки ограничена
имеющейся номенклатурой материалов. Можно рассчитать требуемую стенку, но не
найти соответствующих материалов для ее реализации. С помощью программ синтеза
многослойной стенки можно оценить влияние погрешности толщины каждого слоя на
электрические характеристики РПО.
Также стоит отметить, что был создан набор программ, в которых анализируется
совместная
геометрия
системы
антенна-обтекатель
без
проведения
электродинамических расчетов.
Была сделана попытка создать пакет полного математического моделирования
системы антенна-обтекатель методом физической оптики. Пакет включает в себя
следующие компоненты:
- задание модели антенны (излучателя) на основе расчетных или
экспериментальных данных;
- задание геометрии обтекателя и стенки;
- расчетное ядро (программа интегрирования полей на поверхности обтекателя с
учетом многократных переотражений от стенок и основания);
- программа расчета полей в дальней зоне;
- программа графического отображения полей и диаграмм направленности
(амплитудных и фазовых).
Но для проведения строгого электродинамического расчета достаточно больших
систем антенна-обтекатель мы используем стандартные программы трехмерного
электродинамического моделирования.
Следующим этапом при проектировании РПО является изготовление плоского
образца многослойной стенки с целью экспериментального подтверждения
теоретически рассчитанных характеристик. Изготовлена установка в виде волноводной
камеры (10×23 мм) для измерения коэффициентов прохождения и отражения
помещенного внутрь нее образца и написана методика измерений. Методика
заключается в построении полной трехмерной математической модели камеры с
помещенным внутрь нее композитным образцом и подборе характеристик образца до
максимального совпадения расчетных данных с экспериментальными.
Кроме программного обеспечения мы имеем практически полный комплект
измерительной аппаратуры для создания рабочего места проверки антенной системы
вместе с РПО: безэховая камера, поворотные устройства, генераторы (вплоть до
миллиметрового диапазона), облучающие антенны, приспособление для пристрелки,
импульсное рабочее место и др.
В заключении еще раз отметим, что развитие технологической базы на
предприятии, накопленный опыт, использование разработанного нами программного
обеспечения и методик проектирования РПО позволяют в настоящее время проводить
работы по собственному проектированию и изготовлению слабонагруженных по
тепловым и прочностным характеристикам РПО. На предприятии в интересах
потребителя уже разработан и изготовлен целый ряд обтекателей различного
назначения. Следующим этапом развития методик проектирования РПО может стать
освоение тепловых и прочностных расчетов, а также анализ стенок обтекателей из
метаматериалов и перспективных материалов с высокими диэлектрическими и
магнитными проницаемостями.