Факторы, определяющие характеристики БЭК

И.В.Ильин

Методы проектирования безэховых камер и измерения радиолокационных характеристик

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Таганрог 2007

УДК 621.396.96(075.8) + 538.3(075.8)

Ильин И.В.

Учебно-методическое пособие «Методы проектирования безэховых камер и измерения радиолокационных характеристик»;

- Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2007. – 112 с.

Ил. 68 Библиогр. 82

Описываются различные типы безэховых камер, принципы их работы и методика расчета основных параметров. Рассматриваются используемые в камерах радиопоглощающие материалы и различные методы настройки и тестирования безэховых камер.

Ó Таганрогский технологический институт, 2007

Ó И.В. Ильин, 2007

СОДЕРЖАНИЕ	Стр.
	Введение ……………………………………………..
1.	Виды безэховых камер ………………………………
1.1.	Факторы, определяющие характеристики БЭК …..
1.2.	Прямоугольные БЭК ………………………………...
1.3.	Профилированные БЭК …………………………….
1.4.	Рупорные БЭК ……………………………………...
1.5.	Торцовые стенки БЭК ……………………………….
1.6.	Пирамидальные БЭК ………………………………
1.7.	Безэховые камеры с криволинейными стенами …
1.8.	Безэховые камеры с несколькими облучателями ...
1.9.	Универсальные БЭК, антенные залы ………………
1.10.	Размеры БЭК ………………………………………..
1.11.	Радиопоглощающие материалы для облицовки БЭК ………………………………………………….
2.	Типы безэховых камер и особенности их применения …………………………………………….
2.1.	Классификация БЭК по качеству ………………….
2.2.	Выбор типа БЭК для заданных измерении ………..
3.	Методы разработки безэховых камер……………...
3.1.	Необходимые габариты безэховых камер……….….
3.2.	Определение размеров бликующих зон поверхности БЭК, которые необходимо перекрыть рассеивающими конфигурациями ………………………...
3.3.	Геометрический расчет конфигурации и поглощающих полостей рабочей поверхности БЭК ……...
4.	Радиопоглощающие материалы для безэховых камер, их типы и характеристики…………………….
4.1.	Краткий обзор РПМ………………………………...
4.2.	Особенности РПМ для БЭК………………………..
4.3.	Радиопоглощающие материалы градиентного типа
4.4.	Радиопоглощающие материалы интерференционного типа…………………………………………………
4.5.	Радиопоглощающие материалы рассеивающего типа………………………………………………….
5.	Радиотехнические характеристики и методы испытаний БЭК ……………………………………
	Список литературы …………………………………

ВВЕДЕНИЕ

Для измерений и испытаний радиотехнической аппаратуры, излучающей в свободное пространство, у нас в стране [1, 2] и за рубежом [3] широко применяются безэховые камеры. Безэховой камерой (БЭК) называется помещение, облицованное изну­три радиопоглощающим материалом (РПМ) с целью уменьше­ния отражения от стен и обеспечения в некотором объеме каме­ры — безэховой зоне — заданного малого уровня отражений, т. е. условий, приближающихся к условиям «свободного пространства». В БЭК могут быть выполнены почти все виды радиоизмерений, в частности измерения параметров антенн, характеристик рассея­ния радиолокационных целей, а в последнее время интенсивно проводятся испытания радиотехнических комплексов: радиоаппа­ратуры, устанавливаемой на самолетах [4, 5], радиоаппаратуры ракет различного назначения [6,7], аппаратуры космичес­кой радиосвязи [3] и т. д.

Во многих случаях испытания радиотехнических комплексов в таких камерах позволяют резко сократить или полностью исклю­чить натурные испытания, что приводит к значительной экономии средств, а главное — времени разработки сложной радиотехничес­кой аппаратуры. Например, зарубежные специалисты считают, что испытания авиационной радиоаппаратуры радиопротиводей­ствия в безэховой камере позволили сэкономить 2,5 года летных испытаний и 40 млн. долларов [4, 5].

Безэховые камеры удобно применять на всех этапах создания радиоэлектронной аппаратуры: разработке образцов, испытании, серийной продукции на заводах и др.

Широкому применению БЭК способствует их экранирование [6], обеспечивающее помехозащищенность и помогающее решить вопрос о радиосовместимости. В то же время радиоизмерения в экранированных камерах полностью свободны от различных ес­тественных и искусственных радио- и электропомех, - что позволяет выполнять точные измерения.

Благодаря созданию в БЭК стабильных электромагнитных, механических и климатических условий, измерения и испытания: радиоаппаратуры могут быть легко автоматизированы. Наиболее часто в БЭК проводят следующие измерения:

1. Испытания антенных систем. В БЭК измеряют пространст­венные, амплитудные и фазовые диаграммы направленности ан­тенн; поляризационные характеристики антенны, коэффициенты усиления антенн, сопротивление излучения и согласование антен­ны [3, 7].

2. Испытание обтекателей антенн. В БЭК удобно испытывать обтекатели антенн и определять ошибки, вносимые обтекателем в характеристики антенн: искажение диаграммы направленности, поляризационные и пеленгационные ошибки и др. [8].

3. Измерение характеристик рассеяния радиолокационных це­лей. Измерения одно- и двухпозиционных эффективных площа­дей рассеяния (ЭПР) радиолокационных целей выполняются как в универсальных [3, 7], так и в специализированных [9] БЭК. Для измерения малых ЭПР камеры отрабатывают особенно тща­тельно, так каккроме хорошей безэховости они должны иметь малую собственную величину «кажущейся» ЭПР, мало переотра­жать на испытуемую цель и иметь специальную опору или подвес­ку для крепления испытуемой радиолокационной цели, которая мало отражает (малая собственная ЭПР) [10, 11].

4. Испытание радиотехнических комплексов. При этих испыта­ниях в БЭК определяются радиочувствительность и электромагнит­ная совместимость систем, эффективная излученная мощность, юстировка пеленгационных систем, ошибки следящих систем и другие параметры [3]. Весьма важным типом измерений являет­ся измерение связи (развязки) между антеннами [12].

Безэховые камеры особенно широко стали использовать в по­следнее десятилетие. С одной стороны, это связано с тенденцией усложнения и увеличения точности антенных измерений и стендо­вых испытаний радиокомплексов, отмечаемой в последние годы. С другой стороны, широкому внедрению БЭК в технику испыта­ний безусловно способствовала разработка новых широкополос­ных радиопоглощающих материалов, теории и методов проекти­рования БЭК. Остановимся вкратце на определении основных по­нятий и терминов, связанных с разработкой безэховых камер.

Гарантированный малый уровень отраженного сигнала при проведении данных измерений в БЭК является ее основной харак­теристикой и называется рабочей безэховостью или коэффициен­том безэховости. В большинстве типов современных безэховых камер этот уровень обеспечивается не во всем объеме БЭК, а лишь в ее части, называемой «чистой», невозмущенной или безэховой зоной. В дальнейшем будем использовать последний тер­мин. Трудности создания безэховой зоны в пространстве БЭК во многом определяются зоной расположения антенн и источников из­лучения в БЭК — будем называть ее зоной излучения.

Расстояние между зонами излучения и безэховости определяет длину линии связи, реализуемую в БЭК.

При аттестации безэховых камер, а также при сравнении ха­рактеристик БЭК, предназначенных для различных измерений, удобно характеризовать качество БЭК уровнем отражения в без­эховой зоне. Под уровнем отражения обычно понимают паразит­ный отраженный сигнал в безэховой зоне камеры при приеме на всенаправленную антенну.

От размеров и взаимного расположения зон излучения и без­эховости во многом зависят оптимальные решения по выбору форм и конфигураций поглощающей рабочей поверхности БЭК и достижимые при данном РПМ значения рабочей безэховости.

Рабочая поверхность БЭК—поверхность, ограничивающая объ­ем камеры, покрытая РМП и обеспечивающая ее безэховость. По существу, задача разработки БЭК состоит в формировании ее ра­бочей поверхности, которая обеспечила бы при данном РПМ не­обходимый уровень отражений в безэховую зону. При формиро­вании рабочей поверхности камеры на части ее поверхности, от­ражения от которых превышают заданный уровень, так называе­мых зонах эффективных отражений, устанавливаются рассеива­ющие конфигурации, с помощью которых основная часть отра­женного поля направляется в поглощающие полости, образуемые, как правило, в углах рабочей поверхности БЭК.

Перечислим задачи, решаемые при создании безэховых камер.

Все многообразие типов БЭК определяется многообразием проводимых в них измерений и связанных с этим различным рас­положением зон излучения и безэховости, различием требований по точности и рабочим безэховостям. Изучение связи характери­стик РПМ, применяемых при облицовке рабочей поверхности БЭК, с предельно достижимыми уровнями отражений в рабочей зоне и выбор оптимального типа рабочей поверхности БЭК явля­ется одной из центральных задач, решаемых при разработке без­эховых камер.

Важным этапом является определение требуемой рабочей безэховости исходя из характера и точности проводимых в ка­мере измерений и определение допустимых отражений в безэхо­вую зону камеры от каждой части ее рабочей поверхности.

Методы проектирования рабочей поверхности БЭК включают определение требуемых минимальных габаритов камеры, рас­чет и моделирование рассеивающих конфигураций и поглощаю­щих полостей рабочей поверхности, анализ остаточных полей в безэховой зоне, а также способы аттестации характеристик без­эховых камер.

ВИДЫ БЕЗЭХОВЫХ КАМЕР

Факторы, определяющие характеристики БЭК

Характеристики БЭК зависят от нескольких факторов, основ­ными из которых являются ее форма, размеры и качество приме­ненного РПМ.

Форма и размеры БЭК могут быть самыми различными в за­висимости от назначения и видов измерений в них. Например, ес­ли в камере исследуется входное сопротивление антенны или связь (радиосовместимость) между различными антеннами, уста­новленными на объекте [12], камера может быть небольших раз­меров кубической, полусферической [13] или иной формы. Если в БЭК измеряются диаграммы направленности антенн или диаг­раммы ЭПР рассеивателей, в простейшем случае она может иметь прямоугольную форму, а ее продольный размер определя­ется расстоянием r между передающей и испытуемой антеннами или рассеивателем, как и в свободном пространстве:

r ≥ nD²/l, (1.1)

где п — коэффициент, выбираемый в пределах 2 ... 8; D — рас­крыв испытуемой антенны или рассеивателя; l— длина вол­ны [1].

При разработке были исследованы БЭК самой разнообразной формы. Далее в подразделах 1.2—1.9 дается краткое описание различных форм БЭК, выбираемых в зависимости от их назначения.

По размерам все безэховые камеры (БЭК) можно условно разбить на две группы: БЭК, в которых человек-оператор может находиться внутри камеры, и мини-БЭК, размеры которых малы по сравнению с ростом человека-оператора, поэтому оператор всегда находится снаружи камеры.

Для облицовки БЭК применяют радиопоглощающие материа­лы с электрическим и магнитным поглощением. Все РПМ с элек­трическим поглощением применяются в диапазоне от 30 МГц до 40 ГГц. Их отличительная особенность — сравнительно большая толщина при использовании в диапазоне метровых волн, так как оптимальная толщина РМП должна быть d≥l/4. Ферритовые РПМ с магнитным поглощением широкодиапазонны и могут эф­фективно работать в диапазоне 20 МГц ¸ З ГГц, причем их тол­щина может составлять сотые и меньше доли длины волн. Пара­метры наиболее характерных БЭК приведены в приложении.

Прямоугольные БЭК

Наиболее распространенной формой безэховой камеры являет­ся прямоугольная, так как эта форма проще всего вписывается в конфигурацию здания. Длина камеры выбирается в соответст­вии с формулой (1.1), а ширина и высота в 3—4 раза меньше. Эти размеры выбираются из условия, чтобы угол падения зеркаль­ного луча на РПМ стен, потолка и пола не превышал 60°, так как практически у всех РПМ, коэффициент отражения заметно уве­личивается при углах падения более 60°.

В БЭК с размерами, большими по сравнению с длиной вол­ны, в которых выполняются условия геометрической оптики, ока­зывается возможным покрывать радиопоглощающим мате­риалом стены, пол и потолок лишь частично [14—16] в местах падения зер­кальных и дву­кратно отраженных лучей (рис. 1.1 и 1.2). Эти лучи, как правило, вносят наи­больший вклад в «паразит­ное» отраженное поле БЭК.

Такая конструкция БЭК достаточно эффективна, если в ка­мере в качестве передающей используется остронаправленная ан­тенна, основной лепесток которой не облучает стены.

Размеры камер можно существенно уменьшить, если они используются со­вместно с коллиматорными устройствами [17, 18] В этих слу­чаях при измерениях параметров антенн и рассеивателей в ближней зоне колли­матора можно уста­навливать РПЛ лишь на стенах, противопо­ложных коллиматору. При этом измерения выполняются в обыч­ном лабораторном помещении, в кото­ром установлены щиты из РПМ пло­щадью, несколько большей чем раскрыв коллиматорной ан­тенны.

Так, например, на рис. 1.3 приведена схема измерительной ус­та­новки, позволяю-щей измерять диа-граммы направленности ан­тенны и диаграммы ЭПР рассеивателей размером до 70 см на частоте 10 ГГц. В нее входят два зеркальных коллиматора: круг­лый парабо­лоид 1 вращения диаметром 3м и фокусным рас­стоянием 75 см, выполненный с допуском ±0,5мм, параболический цилиндр 2 раз­мером 2,74×1,83 м, выполненный с допуском ±0,25мм [18] и щиты с РПМЗ. Точность измерения диаграмм на­правленности антенн в ла­бораторном помещении с помощью кол­ли­матора получилась хорошей, что подтверждается совпадением тео­ретических и эксперимен­тальных диаграмм.

В качестве коллиматоров могут применяться также диэлектри­че­ские линзы [1, 19]. Расчет зеркальных и линзовых коллимато­ров дан в [1].

В 1978 г. в ФРГ была построена и испытана измерительная ус­тановки с «полуоткрытой» БЭК [20]. «Полуоткрытой» называет­ся БЭК, у которой одна (в данном случае передняя) стенка уда­лена и заменена радиопрозрачным материалом (рис. 1.4). «По­луоткры­тую» БЭК можно рассматривать как прямоугольную ка­меру с час­тичным покрытием РПМ, применение которой целесо­образно, когда расстояние между испытуемым объектом и переда­ющей антенной велико. Описываемая «полуоткрытая» БЭК [1] имеет следующие внутренние размеры, отсчитываемые от вершин пирамидального РПМ, покрывающего стены: 8,8×8,6×8,3м³. Она расположена на четвертом этаже здания и ее центр находит­ся на высоте 17м от по­верхности земли. Камера покрыта пирами­дальным РПМ типа VHP-70 высотой 1,8м и типа НРУ-54 высо­той 1,35м. Передняя стена за­крыта радиопрозрачной нейлоновой пленкой толщиной 0,35 мм. Вспомогательная передающая антен­на А_пер укрепляется на под­вижной мачте, которая может передвигаться по рельсам на рас­стояние 11 ¸ 80 м от БЭК. Работает БЭК в диапазоне частот от 120 МГц до 18 ГГц и имеет безэховую зону размером 2×2×2 м³.

Профилированные БЭК

При разработке первых БЭК, когда качество РПМ было невы­соким, делались попытки улучшить их характеристики за счет из­менения формы, например за счет применения попереч­ных гоф­ров [21]. Общий вид такой БЭК приведен на рис. 1.5. Безэховые камеры с поперечными гофрами 1 были построены в США, одна­ко, их испытания показали, что на кромках попереч­ных гофров 1 (рис. 1.5) электромагнитное поле дифрагирует, что приводит к ухудшению характеристик камер. В настоящее время БЭК такого типа не строят, а существующие перестраи­ваются [7].

В 1964 г. в США были построены БЭК с продольными гофра­ми [24], установленными вдоль оси и предназначенными для от­клонения лучей от безэховой зоны. Расчет формы БЭК с продоль­ными гофрами по методу Бакли [8], выполняемому графи­чески, учитывает то, что вмес­то построения хода простран­ственных лучей в БЭК можно ограничиться построением про­екции этих лучей на плоскость, перпендикулярную оси БЭК, ибо можно показать, что если закон Снелля выполняется для пространственных лучей, то он выполняется и для их проекций на плоскость, перпендику­лярную отражающей плоскости, и наоборот. Форма поперечного сечения БЭК выбирается так, чтобы лучи попадали в безэховую зону по крайней мере после трехкратного отражения от стен и продольных гофров (рис. 1.6). Без
эховая зона (БЗ) БЭК с про­дольными гофрами 1 имеет цилиндрическую форму и расположе­на вдоль ее оси. Хотя БЭК с продольными гофрами имеют луч­шие характеристики, чем БЭК с поперечными гофрами, однако некоторые авторы [7] считают, что дифракция на гребнях про­дольных гофров является нежелательным фактором и более эффек­тивно применение высококачественных РПМ в БЭК прямоуголь­ной формы.

Рупорные БЭК

В 1967г. были предложены БЭК рупорной формы [25 —28]. Стены такой БЭК наклонены друг к другу так, что поперечное се­чение внутри увеличивается от одного конца камеры к другому (рис. 1.7). В конце широкая часть БЭК заканчивается прямо­угольным отсеком, в котором располагается испытуемая антенна или рассеиватель. По своей форме такая БЭК напоминает ру­порную антенну, отличающуюся тем, что в ней нет лучей, отра­женных от боковых стенок, расфазированных с прямым полем, так как возбуждающая антенна расположена в вершине рупора и вдоль стенок камеры идут скользящие лучи. Поэтому поле в без­ эховой зоне (БЗ), в отличие от камер прямоугольной формы, имеет слабо выраженную интерференцию [3, 7].

Характеристи­ки рупорной БЭК лучше, чем у камер других типов. Поэтому в последнее время рупорные БЭК наряду с прямоугольными получили значительное распространение. Для уменьшения размеров ру­порной БЭК в ней могут применяться металлические плоские зер­кала.

Одна из возможных конфигураций такой БЭК [25] пред­ставлена на рис. 1.8, где показан ход луча от передающей антен­ны А_пер к испытуемой (приемной) А_пр после от­ражения отзер кала 1. Исследования рупорных БЭК показали, что на их бо­ковых стенках может при­меняться РПМ невы­сокого качества, так как при сколь­зящем падении волны прак­тически все РПМ имеют примерно одина- ковые харак­теристи­ки.

Поверхность стен ру­порной БЭК меньше, чем у прямоугольной, поэто­му она де­шевле прямо­угольной. Однако БЭК рупорного типа имеют следующие недостатки: 1) возбуждающая передаю­щая антенна в них должна точно юсти­роваться; 2) возможны только однопозиционные измерения диа­грамм рассеивателей; 3) собственная «кажущаяся» ЭПР рупор­ной БЭК не­сколько больше, чем прямоугольной [12]. Несмот­ря на эти недостатки рупорные БЭК нашли в настоящее время широ­кое применение для реше­ния ряда задач.

Крупным недостатком опи­санных рупорных БЭК является также наличие в них прямоуголь­ного отсека и плоской торцовой (задней) стенки за безэховой зо­ной. Это приводит к ухудшению безэховости и увеличению собст­венной «кажущейся» ЭПР каме­ры. Для уменьшения этого недостатка предложены различ­ные конструкции задней стенки БЭК.

Торцовые стенки БЭК

Для измерения малых ЭПР (менее 0,01 м²) рассеивателей и других прецизионных измерений необходимы БЭК с очень ма­лой «кажущейся» ЭПР, по крайней мере на порядок меньшей измеряемой. Такую очень малую «кажущуюся» ЭПР при изме­рениях на фиксированных частотах можно получить в БЭК с ре­гулируе­мыми (настраиваемыми) стенками. Особенно заметен эффект по уменьшению «кажущейся» ЭПР дает изменение по­ложения (настройка) торцовой (задней) стенки БЭК.

Изобретение Эмерсона [29] позволяет изменять наклон тор­цо­вой стенки камеры с помощью механизма перемещения 1 и шар­нирного устройства 2 (рис. 1.9). Использование подвижной настраиваемой торцовой стенки в прямоугольных и рупорных ка­мерах дает хороший результат [7]. Было построено несколько БЭК с управляемыми стенками.

В 1972 г. в России была предложена БЭК [30], торцовая стен­ка которой перемещается в двух плоскостях устройством для ди­станционного управления. Однако, такая конструкция торцовых стенок сложна и оправдана лишь для специализированных БЭК, в которых выполняются очень точные измерения.

В большинстве БЭК торцовая стенка делается неподвижной, но ее форма и положение специально подбираются [31]. Широкое распространение получили торцовые стенки с подобранным углом наклона. Торцовые стенки выполняются также в виде вертикаль­ного клина, большой пирамиды и т. д.

Ряд усовершенствований рупорных БЭК был предложен в России. Существенным недостатком рупорных камер, предложен­ных Эмерсоном, является наличие прямоугольного отсека, где расположена безэховая зона. Этот отсек и определяет, в основ­ном, безэховость камеры и ее «кажущуюся» ЭПР. Для устране­ния указанного недостатка В. Е. Сагач и К. И. Фахрудинов (Россия) в 1968г. предложили применять на выходе рупорной ка­меры второй рупор-ловушку [32]. Схема предложенной БЭК при­ведена на рис. 1.10. Передающая рупорная антенна А_пер помеще­на в вершину расширяющейся рупорной части камеры 1, покры­той РПМ 2 невысокого качества. Вместо прямоугольного отсека камера заканчивается сужающимся рупором 3, покрытием тем же РПМ. Испытуемая антенна А_пр установлена в безэховой зоне (БЗ) в средней части камеры. В связи с уменьшением отражения от рупора-ловушки по сравнению с торцовой

стенкой такая БЭК имеет более высокую безэховость и меньшую «кажущуюся» ЭПР.

В 1970 г. для увеличения рабочего объема рупорной БЭК. Л. Т. Тучков, Ю. Н. Щепкин, Р. Т. Уланов и В. М. Вяткина (Россия) предложили выполнить БЭК в виде двух конусных рупо­ров, причем на поверхности излучающего рупора выполнены коль­цевые канавки, глубина которых соизмерима с длиной рабочей волны и уменьшается к горловине рупора [33].

В 1971 г. В. М. Биричевский привел описание рупорной БЭК (рис. 1.11), применяемой для динамического исследования характеристик радиолокационных целей [34]. Камера состоит из облу­чателя А_пер, конического рупора 1, фокусирующей линзы 2, цилин­дрического отсека 3, в котором находится установочная тумба 4 и исследуемая цель 5, расположенная в безэховой зоне (БЗ). Для уменьшения отражений от рупора-ловушки 7 вводятся диафраг­мы 6.

В 1973 г. А. А. Глускиным, О. И. Комаровым и М. Ю. Мицмахером была предложена рупорная БЭК [35], торцовая стенка которой выполнена в виде части эллиптической поверхности, один фокус которой совмещен с вершиной передающего рупора, а в другом фокусе размещена вставка из высококачественного РПМ.

В том же 1973 г., несколько позже, Ю. С. Зиновьевым и В, М. Вяткиной была предложена БЭК [36] с торцовой стен­кой, выполненной в виде короткофокусной линзы, в фокусе кото­рой, расположенном вне БЭК, помещен гасящий рупор.

Приведенные усовершенствования задних стенок БЭК значи­тельно улучшили их качество.

Пирамидальные БЭК

Близкой по принципу действия к рупорной является пирами­дальная БЭК, предложенная в 1970 г. В. А. Торговановым [37]. Она представляет собой многогранник, все грани и ребра которо­го пересекает под острыми углами плоскость, в которой вращает­ся испытуемый объект. На рис. 1.12, а изображена БЭК, выполненная в виде косой трехгранной пирамиды ABCD. В вершине А ра­сположена передающая антенна А_пера в точке О расположен ис­пытуемый объект 1 (антенна или рассеиватель), вращающийся в плоскости AEF вокруг оси DO_x перпендикулярной плоскости AEF. Боковые грани пирамиды

DBC, DBA, DCA пересекают плос­кость вращения объекта AEF под острыми углами a, b, g соответ­ственно.

В пирамидальной БЭК, так же как и в рупорной, отсутству­ют лучи идущие от облучателя А_пер, и отраженные от стен, но, в отличие от рупорной, в пирамидальной БЭК в безэховую зону (БЗ) не попадают также лучи, переотраженные между измеряемым объектом, вращающимся в горизонтальной плоскости, и стенами. Это хорошо видно по ходу лучей в поперечном сечении БЭК (рис. 1.12,б).