CC BY
126
УДК 621.396.67
АНАЛИЗ ПЕРСПЕКТИВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ АНТЕНН НА ОСНОВЕ ЛИНЗЫ ЛЮНЕБЕРГА
Ю.Е. Калинин, Ю.Г. Пастернак, С.М. Фёдоров
Данная статья посвящена анализу существующих перспективных технических решений в области проектирования сверхширокополосных антенн на основе планарной линзы Люнеберга
Ключевые слова: диаграммообразующая схема, сверхширокополосные антенны
Классические сферические линзы Люнеберга обладают уникальной способностью формировать сканирующий луч с любым значением угла места и азимутального угла, при этом форма диаграммы направленности остается неизменной. Однако при конструировании такой линзы возникают трудности, обусловленные технологической сложностью создания необходимого распределения коэффициента преломления вдоль радиуса сферы. Для решения этой проблемы линзу собирают из слоев с различным коэффициентом преломления, что приводит к падению точности аппроксимации закона Люнеберга. Стоит отметить, что для реализации возможности сканирования любой области пространства облучатели должны быть расположены вдоль всей поверхности сферы, а это приводит к затенению каналов противоположных облучателей [1].
Плоские же модификации линзы Люнебер-га проще в производстве и потенциально имеют возможность полноазимутального сканирования пространства.
В статье [2] рассмотрена конструкция плоской линзы Люнеберга, построенная на основе печатной метаструктуры. Предложенная структура представляет собой плоское основание с расположенными на ней цилиндрическими патчами размеры, которых изменяются при движении вдоль радиуса линзы так, чтобы получить необходимое, для правильной работы линзы Люнеберга, распределение коэффициента замедления. Для фокусировки отраженного излучения обратно в порт запитки, за ним установлен X/ 4 рефрактор (w = 10 мм, у = 5 мм). Толщина основания антенной решетки d = 0,7 мм, радиус R = 75,6 мм, минимальное расстояние между патчами 0,3 мм.
Калинин Юрий Егорович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, тел. 8(473) 246-66-47
Пастернак Юрий Геннадьевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8(473) 243-77-29
Фёдоров Сергей Михайлович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. 8(904) 210-05-35
В работе предложены два конструктивных решения создания решетки: с дискретным изменением высоты волновода (рис. 1) и с экспоненциально возрастающей высотой волновода (рис. 2). Как видно из рисунков, для предотвращения утечки поля половина линзы окружена стенкой. Наличие такой металлической стенки приводит к незначительному искажению эффекта линзы, так как вертикальное электрическое поле на краях обращается в ноль из-за нее.
С'
Рис. 1. Конструкция плоской линзы Люнеберга со скачкообразным изменением высоты волновода (^ = 2,3
мм, Ь = 5.75 мм) ь2
Рис. 2. Конструкция плоской линзы Люнеберга с экспоненциально возрастающей высотой волновода (\= 2,3 мм, = 5.75 мм)
Основным достоинством представленных конструкций является простота изготовления, а к недостаткам можно отнести возможность работы только в узкой полосе частот (диаграмма направленности искажается особенно сильно при увеличении частоты относительно цен-
тральной), наличие фазовых искажений из-за плохого согласования апертуры и воздуха окружающей среды.
В работе [3] описана конструкция плоской печатной линзы Люнеберга в которой нужный коэффициент отражения, достигнут с помощью сети пересекающихся полосковых линий с изменяющимся углом изгиба и толщиной. Из-за ограничений производителя антенна спроектирована для работы на частоте 13 ГГц. Диаметр линзы составляет 28,6 мм, что соответствует 12,4Я0 (Я0 - длина волны в открытом пространстве), для обеспечения ширины луча « 5°. Т.к. проектирование линзы Люнеберга основано на геометрической оптике, диаметр линзы должен быть равен как минимум нескольким длинам волн, для компенсации дифракции. Структура линзы разделена на квадраты со сторонами длиной 1,6 мм (Я/10,2), где 1 = ^/72. С размерами ячеек меньше Я/10, рассматриваемая конструкция может быть описана как среда с определяемым коэффициентом отражения, следовательно, к ней применима теория эффективной среды. В качестве подложки использовался Rohacell 3ЮТ толщиной 1 мм.
Конструкция линзы может быть масштабирована для работы на более высоких частотах, для этого надо будет уменьшить толщину подложки и ширину полосковых линий.
Рассматриваемая линза Люнеберга изготовлена по стандартной технологии производства печатных плат (фотолитография). Для контакта антенны с открытым пространством используется ТЕМ-рупор с раскрывом высотой 100 мм, спроектированный так, чтобы коэффициент отражения был меньше -12 дБ на частотах 10-16 ГГц (рис. 3а). Для запитки применяются микрополосковые линии обеспечивающие коэффициент отражения не больше -16 дБ на той же частоте. Линии запитки расположены на периферии линзы от -45° до 45° с шагом 15° для обеспечения возможности переключения каналов.
а)
1.6 mm
в)
Рис. 3. Общий вид линзы Люнеберга (а). Увеличенный вид центра линзы с синусоидальным изгибом линий (б). Край линзы с переходом изогнутых линий в плоский волновод (в)
В результате экспериментального исследования была определена ширина луча равная 5,97° и 4,34° на частотах 9 ГГц и 12 ГГц соответственно. Значение коэффициента усиления составило 16 дБ и 16,7 дБ на частотах 9 ГГц и 12 ГГц соответственно.
На основе приведенных выше материалов можно сделать вывод о перспективности создания плоских линз Люнеберга с возможностью полноазимутального сканирования, при этом избавленной от эффекта затенения каналов.
Литература
1. Банков С.Е. Двухслойная планарная линза Люнеберга // Журнал радиоэлектроники. 2012. № 12. С 125.
2. M. Bosiljevac, M. Casaletti, F. Caminita, Z. Sipus, S. Maci, "Non-uniform metasurface Luneburg lens antenna design," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 60, no. 9, pp. 4065-4073, Sep. 2012.
3. C. Pfeiffer, A. Grbic, "A Printed, Broadband Luneburg Lens Antenna," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 58, no. 9, pp. 3055-3059, Sep. 2010.
1.6 mm
■» V
б)
Воронежский государственный технический университет
ANALYSIS OF PERSPECTIVE AREAS OF ULTRA-WIDEBAND ANTENNAS BASED
LUNEBERG LENS DESIGNING
Yu.E. Kalinin, Yu.G. Pasternak, S.M. Fedorov
This article is devoted to analysis of existing advanced technological solutions in design of ultra-wideband antennas based on a planar Luneberg lens
Key words: beamforming scheme, UWB antenna
