Влияние метаматериалов в системе «Антенна-радиообтекатель» | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Несмотря на коронавирус, электронный вариант журнала выйдет 18 апреля.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №51 (289) декабрь 2019 г.

Дата публикации: 23.12.2019

Статья просмотрена: 16 раз

Библиографическое описание:

Горбачёв, И. А. Влияние метаматериалов в системе «Антенна-радиообтекатель» / И. А. Горбачёв. — Текст : непосредственный, электронный // Молодой ученый. — 2019. — № 51 (289). — С. 235-237. — URL: https://moluch.ru/archive/289/65623/ (дата обращения: 08.04.2020).



В статье описано влияние метаматериалов в радиообтекателе на диаграмму направленности системы «Антенна-радиообтекатель».

Ключевые слова: обтекатель, метаматериал, электромагнитная волна, эллипсовидная, диаграмма направленности.

С учетом современных требований к бортовым радиотехническим системам необходимо уделять особое внимание проектированию радиопрозрачных укрытий (РПУ), которые служат для защиты антенных устройств от внешних воздействующих факторов. Обтекатели на практике не всегда являются радиопрозрачными. При прохождении электромагнитной волны через стенку обтекателя, волна испытывает амплитудные и фазовые искажения, в результате чего происходит изменение диаграммы направленности антенны. В данное время, метаматериалы вызывают большой интерес научного мира своими свойствами, которые нельзя получить c помощью доступных материалов. Для антенной техники, метаматериалы с его неординарными свойствами обеспечивают дополнительные возможности: более широкие полосы пропускания, меньшие размеры и высокий коэффициент усиления антенны. Для анализа влияния обтекателя на характеристики антенной системы будет использоваться электродинамическая модель, на основе которой будут оцениваться, изменения диаграммы направленности (ДН) антенны.

В настоящее время все большую актуальность получают прочностные расчеты с использованием CAD/CAE-систем, в которых можно проанализировать, как поведет себя конструкция в тех или иных эксплуатационных условиях. [1]

Обтекатель — это конструкция, которая уменьшает аэродинамическое сопротивление объекта при обтекании потоками жидкости или газа. Обтекатели предназначены для защиты антенных устройств различных радиотехнических комплексов от внешнего воздействия влаги, температуры, ветра, механических ударов и других воздействий, и улучшения обтекаемости объектов, на которых он установлен. Их применение позволяет существенно продлить срок службы антенн. Основными задачами проектирования обтекателей является: обеспечение высокой радиопрозрачности (подбор материла для изготовления), сохранение формы обтекателя при эксплуатации (выбор конструктивных размеров и формы обтекателя, подбор толщины стенок). [2, 4] Разработка радиопрозрачных обтекателей на основе метаматериала (РПО) является сложной комплексной проблемой, включающей в себя вопросы технологии изготовления, испытаний, радиотехники, механической и тепловой устойчивости. Современные тенденции развития бортовой радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) существенно ужесточают требования к вновь разрабатываемым РПО.

Метаматериал — композиционный материал, свойства которого обусловлены искусственно созданной периодической структурой из макроскопических элементов, обладающих произвольной формой и размерами. Такие макроскопические элементы рассматриваются как искусственно внесенные в исходный материал атомы чрезвычайно больших размеров, в очень грубом приближение. Искусственная периодическая структура модифицирует магнитную и диэлектрическую проницаемости заданного материала. [3] Одно из вероятных свойств метаматериалов, который проявляется при одновременной отрицательности магнитной и диэлектрической проницаемости материала — отрицательный коэффициент преломления.

Был произведён анализ системы антенна–обтекатель при введении в обтекатель метаматериалов. Был выполнен обзор радиообтекателей и метаматериалов, на основании которого выбрана форма обтекателей (цилиндр и эллипсоид) и геометрия метаматериалов (двойное разрезное кольцо). После этого выбрана программа моделирования «FEKO». Исследования проводилось при изменении формы, толщины стенок обтекателя и места расположения метаматериалов. Основные измерения были на частоте 5 ГГц, с изменением от 4 до 6 ГГц. Был выбран источник электромагнитной волны с соответствующими параметрами (открытый конец волновода), что задало размер обтекателя.

В результате моделирования в программе «FEKO» получили следующие результаты:

Рис. 1. Вариант расположения метаструктуры в три ряда по диаметру эллиптического обтекателя

Рис. 2. Нормированные ДН в декартовой системе сравниваемых моделей

– метаматериалы приводят к изменению ДН системы антенна– обтекатель. Увеличивается глубина первого нуля ДН с увеличением количества метаматериалов (от -25 дБи до -35 дБи). При этом увеличивается уровень бокового лепестка ДН от 0,15 дБи до 3,16 дБи. При этом нет нарушения осевой симметрии главного лепестка. Таким образов возможно формирование глубокого нуля ДН, например, на направлении прихода стационарной помехи.

– проявляется зависимость уровня боковых лепестков от частоты (4 ГГц — нет боковых лепестков, максимальный уровень боковых лепестков на 6 ГГц). Это вызвано, по-видимому, смещением резонанса с 4,8 ГГц (по литературным данным) на 4,0 ГГц (по результатам моделирования). Это произошло скорее всего, из-за изменения периодичности структуры при моделировании;

– метаструктура, расположенная перпендикулярно к оси распространения электромагнитного излучения приводит к сужению ДН (на 6.67° на частоте 4.4 ГГц), но с возрастанием уровня боковых лепестков. В перспективе возможно управляемое воздействие на ширину ДН с помощью метаматериалов;

– зависимость амплитуды максимума ДН от частоты носит периодический характер с максимальными значения на 4,6 ГГц и 6,0 ГГц. Таким образом возможно регулируемое увеличение с помощью метаматериалов амплитуды максимума ДН.

Литература:

  1. Алямовский А. А. SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике. — СПб.: БХВ-Петербург, 2005. — 800 с.
  2. Гуртовник И. Г., Соколов В. И., Трофимов Н. Н. Радиопрозрачные изделия из стеклопластиков. — М.: Мир, 2003. — 368 с.
  3. Вендик И. Б., Вендик О. Г. Метаматериалы и их применение в технике сверхвысоких частот // Журнал технической физики. — 2013. — № 1. — С. 3–28.
  4. Василенко В. В., Карпов Я. С., Кривенда С. П. Технология изготовления обтекателей из композиционных материалов. — Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т им. Н. Е. Жуковского «Харьк. авиац. ин-т», 2005. — 48 с.
Основные термины (генерируются автоматически): электромагнитная волна, CAD, метаматериал, обтекатель, результат моделирования.


Похожие статьи

Принципы работы и применяемость DNG-метаматериалов

В статье представлена история возникновения метаматериалов, обобщены принципы их работы. Рассмотрены способы создания метаматериалов при помощи массивов резонаторных ячеек. Показаны существующие разновидности SRR-колец.

Компьютерное моделирование продольных механических волн...

Рис. 1. Моделирование продольной волны. Рассмотрим, каким образом может выглядеть приложение, реализующее виртуальную реальность для достижения целей обучения, на примере компьютерной программы для изучения продольных механических волн.

Демонстрация явления интерференции волн от двух точечных...

В статье кратко описана методика учебного исследования явления интерференции волн от двух точечных источников с помощью компьютерной модели данного явления. Компьютерную программу, моделирующую интерференцию, предлагается использовать для объяснения...

Внедрение в учебный процесс электронной виртуальной...

При исследовании электромагнитных явлений в свободном пространства распределение векторов напряженности электрического поля Е и магнитной индукции В, в любой точке пространства полностью характеризует электромагнитное поле.

Математические модели поверхностных гравитационных волн...

Волны на воде — один из видов волн, возникающих на поверхности раздела между жидкостью и газом или жидкостью и жидкостью.

Идея применения дифференциальных уравнений непосредственно для решения задач о гравитационных волнах, являющихся одной из форм...

Демонстрация решения простейших задач квантовой механики...

Рассмотрена возможность применения компьютерных моделей системы Wolfram Mathematica для демонстрации законов квантовой механики.

Математическое моделирование плазмонных спектров

В завершении статьи представлена компьютерная программа для моделирования плазмонных спектров.

Далее предлагается математическая модель и алгоритм для моделирования спектров плазмонных взаимодействий.

В результате возникают поверхностные плазмоны.

Учебные компьютерные модели волновых процессов и явлений

Предложена методика использования компьютерных моделей в учебных исследованиях волновых процессов и явлений. Указано на аналогии, присутствующие в научном и учебном исследовании. Кратко представлен перечень волновых процессов и явлений, которые можно...

Учебные компьютерные модели механических волн

Образная часть модели (первое окно), отвечающая за визуализацию волны, занимает большую часть экрана. В случае моделирования поперечной волны на экране изображаются две пластины, между которыми натянут упругий шнур, по которому и будет распространяться волна.

Анализ возможности применения в учебном процессе виртуальной...

Для описания электромагнитного поля, необходимо характеризовать его в каждой точке пространства, в каждый момент времени, как по величине, так и по направлению.

Рис. 1. Лицевая панель виртуальной лабораторной установки «плоская электромагнитная волна».

Похожие статьи

Принципы работы и применяемость DNG-метаматериалов

В статье представлена история возникновения метаматериалов, обобщены принципы их работы. Рассмотрены способы создания метаматериалов при помощи массивов резонаторных ячеек. Показаны существующие разновидности SRR-колец.

Компьютерное моделирование продольных механических волн...

Рис. 1. Моделирование продольной волны. Рассмотрим, каким образом может выглядеть приложение, реализующее виртуальную реальность для достижения целей обучения, на примере компьютерной программы для изучения продольных механических волн.

Демонстрация явления интерференции волн от двух точечных...

В статье кратко описана методика учебного исследования явления интерференции волн от двух точечных источников с помощью компьютерной модели данного явления. Компьютерную программу, моделирующую интерференцию, предлагается использовать для объяснения...

Внедрение в учебный процесс электронной виртуальной...

При исследовании электромагнитных явлений в свободном пространства распределение векторов напряженности электрического поля Е и магнитной индукции В, в любой точке пространства полностью характеризует электромагнитное поле.

Математические модели поверхностных гравитационных волн...

Волны на воде — один из видов волн, возникающих на поверхности раздела между жидкостью и газом или жидкостью и жидкостью.

Идея применения дифференциальных уравнений непосредственно для решения задач о гравитационных волнах, являющихся одной из форм...

Демонстрация решения простейших задач квантовой механики...

Рассмотрена возможность применения компьютерных моделей системы Wolfram Mathematica для демонстрации законов квантовой механики.

Математическое моделирование плазмонных спектров

В завершении статьи представлена компьютерная программа для моделирования плазмонных спектров.

Далее предлагается математическая модель и алгоритм для моделирования спектров плазмонных взаимодействий.

В результате возникают поверхностные плазмоны.

Учебные компьютерные модели волновых процессов и явлений

Предложена методика использования компьютерных моделей в учебных исследованиях волновых процессов и явлений. Указано на аналогии, присутствующие в научном и учебном исследовании. Кратко представлен перечень волновых процессов и явлений, которые можно...

Учебные компьютерные модели механических волн

Образная часть модели (первое окно), отвечающая за визуализацию волны, занимает большую часть экрана. В случае моделирования поперечной волны на экране изображаются две пластины, между которыми натянут упругий шнур, по которому и будет распространяться волна.

Анализ возможности применения в учебном процессе виртуальной...

Для описания электромагнитного поля, необходимо характеризовать его в каждой точке пространства, в каждый момент времени, как по величине, так и по направлению.

Рис. 1. Лицевая панель виртуальной лабораторной установки «плоская электромагнитная волна».

Задать вопрос