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).