CC BY
173
УДК 621.396.67
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНОЙ АНТЕННЫ, ПОСТРОЕННОЙ НА ОСНОВЕ МО ДИФИКАЦИИ ПЛОСКОЙ ЛИНЗЫ ЛЮНЕБЕРГА
С.А. Антипов, А.В. Ашихмин, В.В. Негробов, С.М. Фёдоров
Приведены результаты экспериментального и теоретического исследований антенны, построенной на основе модификации плоской линзы Люнеберга. Проведено исследование адекватности результатов, полученных в ходе численного моделирования, результатам, полученным при натурном эксперименте
Ключевые слова: линза Люнеберга, экспериментальное исследование
Наиболее популярными антеннами на основе линзы Люнеберга являются сферические или полусферические линзы запитываемые с помощью рупоров или открытых концов волноводов [1-4]. В то же время, авторами работы [5] предложена конструкция плоской линзы Люнеберга, реализованная в виде печатной платы со сложной топологией, структура которой изменялась от центра линзы к краям.
Из теории антенн известно [4], что среди линзовых антенн уникальными свойствами обладают линзы из неоднородного диэлектрика со сферической симметрией, называемые по имени автора линзами Люнеберга. Установлено, что если показатель преломления в сферической линзе изменяется вдоль радиуса по закону:
-Є Ч 2 - (Я / Яп
,)2
(1)
где Ятах - радиус сферы;
Я - текущий радиус точки внутри сферы; ег - диэлектрическая постоянная среды, то такая линза превращает сферический фронт волны точечного источника, расположенного на поверхности сферы, в плоский фронт волны. Перемещая первичный источник (например, открытый конец волновода или рупор) по поверхности сферы, можно перемещать луч антенны по всем направлениям без искажения формы диаграммы направленности (ДН). В данной работе исследовались варианты построения многолучевой антенной решетки с возможностью полноазимутального сканирова-
Антипов Сергей Анатольевич - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, тел. (473) 223-12-46
Ашихмин Александр Владимирович - ЗАО «ИРКОС», д-р техн. наук, тел. (473) 239-23-00
Негробов Владимир Владимирович - ВГТУ, аспирант, тел. 8-903-653-21-64
Фёдоров Сергей Михайлович - ВГТУ, аспирант, тел. (473) 223-38-52
ния на основе использования модификаций плоской линзы Люнеберга, поэтому в выражении (1) переменные Ятах и Я характеризовали не радиус сферы, а радиус плоского контура, лежащего в плоскости линзы.
Суть методики построения рассматриваемых диаграммообразующих схем (ДОС) опишем на примере алгоритма построения линзы из концентрических диэлектрических колец различной толщины:
1. Разбиение радиуса линзы Ятах на N
Я
равных отрезков, длиной Н = тах , мм.
N
2. Определение величины диэлектрической проницаемости согласно выражению (1) в
точках гп, на радиусе линзы, таких, что г0 = 0,
Гп = Гп-1 + Н .. % = Ятах , п = - 1.
3. Ввод величины действующей диэлектрической проницаемости на каждом из дискретных отрезков:
Єуоїп
Єт ' 1п + (Н - 1п )
Н
(2)
где
ет - диэлектрическая проницаемость полистирола (ет = 2.56);
- суммарная толщина слоя полистирола в радиальном направлении для п -го отрезка радиуса линзы, мм.
4. Определение таких значений 1п, при которых выполняется равенство еуо^ = е п на каждом отрезке.
Таким образом, используя конечное число отсчетовео на гладкой зависимости ег(Я), можно аппроксимировать с различной точностью закон изменения величины диэлектрической проницаемости (или показателя преломления) в структуре линзы (1). Очевидно, что точ-
ность аппроксимации определяется числом дискретных отсчетов N.
При построении других вариантов ДОС использовались методики, подобные описанной выше. Разница состояла лишь в технологических особенностях реализации закона изменения величины er (R).
Разработанные конструкции антенных систем могут использоваться, в частности, в комплексах радиомониторинга и радиопеленгации, поэтому в качестве исследуемого частотного диапазона был выбран диапазон от 0.5 до 3 ГГц. Исследования проводились путем численного моделирования с использованием метода конечного интегрирования (Finite Integration Method), описанного Вейландом в [6] для пространственно-временных координат решения соответствующей электродинамической задачи.
На рис. 1а представлен внешний вид исследуемых антенных систем, состоящих из двух металлических усеченных конусов, между которым расположена структура линзы. Внешний вид линзы, выполненной из концентрических колец, выточенных на основании каждого из конусов представлен на рис. 1, б. В других вариантах конструкций в качестве ДОС может использоваться система концентрических окружностей, изготовленных их полистирола (е = 2.56); система отверстий в двухсторонней печатной плате из Rogers RT5880 (е = 2.2), диаметр и частота расположения которых растет при удалении от центра линзы (рис. 2, а); а также, система секториальных перфораций в металлизированном полистироле (рис. 2, б).
Представленная на рис. 1, а антенная система имела следующие размеры: высота антенной системы (АС) составляет 212 мм, высота каждого конуса - 100 мм, диаметр большего основания конуса - 500 мм, меньшего - 300 мм, высота концентрических колец в структуре линзы - 4 мм.
Запитку изображенной на рис. 1, а АС предлагается осуществлять с помощью системы коаксиальных кабелей, расположенных по внешнему краю линзы. Потенциальный проводник каждого будет иметь электрический контакт с одной чашкой, а оплетка кабеля - с другой. Противоположные концы кабелей должны быть подключены к высокочастотному коммутатору, осуществляющему выбор активных каналов для передачи информации в том или ином азимутальном направлении. Следует отметить, что подобная схема запитки, в отли-
чие от схем запитки линз Люнеберга, использующих открытые концы волноводов или же рупора, не приводит к затенению одними каналами других, что и обеспечивает возможность полноазимутального обзора только за счет электрической коммутации каналов.
Рис. 1. Исследуемая антенная система: а) - внешний вид; б) - структура линзы из ряда концентрических колец
а)
б)
Рис. 2. Варианты структуры линзы, выполненной на основе двухсторонней печатной платы: а) с круглыми отверстиями; б) с секториальными отверстиями
На рисунках ниже представлены основные характеристики антенных решеток с металлическими и полистироловыми кольцами, исследуемые при моделировании: зависимость входного сопротивления АР (номограмма Вольпер-та-Смита), коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) и коэффициента усиления (КУ) от частоты, рис. 3, 4 и 5, соответственно.
Анализируя представленные ниже зависимости можно сделать вывод, что антенная система, у которой структура линзы выполнена их полистироловых колец, наиболее удачна в плане энергетического выигрыша (коэффициент усиления во всем исследуемом диапазоне на 1-3 дБ выше, чем у АР с металлическими кольцами), а также она лучше согласована с запиты-вающим трактом.
а)
б)
Рис. 3. Номограммы Вольперта-Смита в диапазоне от 0,5 до 3 ГГц, нормированные к 100 Ом: а) - АР с металлическими кольцами; б) - АР с кольцами из полистирола
0.5 1 1.5 2 2.5 3
/ГГц
Рис. 4. Зависимость КСВН от частоты (сплошная кривая -АР с металлическими кольцами, пунктирная кривая - АР с кольцами из полистирола)
-8 --------1---------:-----------------1--------
0.5 1 1.5 2 2.5 3
/ГГц
Рис. 5. Зависимость коэффициента усиления от частоты (сплошная кривая - АР с металлическими кольцами, пунктирная кривая - АР с кольцами из полистирола)
Для сравнения, на рис. 6 представлены зависимости коэффициентов усиления для линз, структуры которых изображены на рис. 2. Сплошной линией изображена зависимость для линзы с круглыми отверстиями, пунктирной -для линзы с секториальньными отверстиями.
Сравнивая зависимости на рис. 5 и рис. 6 можно заметить, что антенные системы, у которых ДОС выполнены путем перфораций, обла-
дают более равномерными зависимостями коэффициента усиления в рассматриваемом диапазоне частот, особенно это характерно для ДОС из круглых отверстий. Однако, варианты линз, изображенные на рис. 2 более сложны в реализации, чем линзы из концентрических колец.
Рис. 6. Зависимость коэффициента усиления от частоты для линз с перфорациями
На рис. 7 приведены проекции амплитудной диаграммы направленности (АДН) л(р), в экваториальной плоскости (при угле
места в = 900) в зависимости от азимутального угла р антенной решетки с полистироловыми кольцами при различных частотах в пределах исследуемого диапазона.
в)
Рис. 7. Амплитудная ДН антенны с полистироловыми кольцами при частоте: а) / = 1ГГц ; б) / = 2ГГц ; в) / = 3ГГц Как видно из представленных выше зависимостей, разработанные варианты антенн начинают эффективно функционировать с нижних частот 1.2 ^ 1.4 ГГц, при этом в ДН наблюдается существенный уровень задних лепестков, который желательно снизить.
В качестве конструкции линзы, предназначенной для макетирования и дальнейшего экспериментального исследования, из ранее описанных структур была выбрана ДОС, состоящая из концентрических металлических колец, расположенная между двумя усеченными конусами со сплошными образующими (рис. 1). Выбор был обусловлен не только относительной технологической простотой реализации (в сравнении с другими рассмотренными вариантами антенн), но и с учетом того, что характер зависимостей основных параметров данного типа антенны схож с характером зависимостей для других типов разработанных антенн (с диэлектрическими кольцами, с системой перфораций). Поэтому, получив натурные результаты в ходе исследований антенны, изображенной на рис. 1, схожие с полученными в ходе численного моделирования, можно будет с определенной долей уверенности говорить об адекватности построенных моделей и проведенных численных экспериментах.
Для простоты изготовления и удобства последующих исследований макета было решено в два раза уменьшить все геометрические размеры антенны. При этом, как следует из принципа электродинамического подобия, диапазон рабочих частот изменился также в два раза: с 1^3 ГГц до 2^6 ГГц, однако, при этом все параметры антенны остались прежними, что было подтверждено последующим численным экспериментом.
Для запитки антенны было решено использовать жесткий коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом. Диаметр внешнего
проводника составлял 3.57 мм, внутреннего - 1 мм. Для обеспечения зазора между основаниями ДОС в 6 мм были использованы 4 стойки из полистирола, расположенные по внешнему радиусу линзы. На рис. 8 изображена модель, построенная с учетом наличия коаксиального кабеля, диэлектрических стоек, уменьшенная в два раза по сравнению с моделью, показанной на рис. 1.
Рис. 8. Уточненная модель антенны, учитывающая наличие диэлектрических стоек и коаксиального кабеля
На рис. 9 а изображена выточенная из алюминиевой заготовки толщиной 7 мм структура концентрических колец, а на рис. 9 б изготовленный макет антенны, оснащенный разъемом К-типа для подключения к измерительной аппаратуре. Образующие усеченных конусов были изготовлены из латуни толщиной 0.5 мм.
На рис. 10 изображены зависимости
КСВН, снятые экспериментально с помощью измерителя КСВ Р2-86 (сплошная линия), и полученные в ходе электродинамического моделирования антенны, изображенной на рис. 8 (пунктирная линия).
5.5 6
/ГГц
Рис. 10. Зависимость коэффициента стоячей волны по напряжению от частоты
Из рисунка видно, что натурные данные и данные расчетов очень схожи как по характеру зависимостей, так и по своему значению. Расхождения обусловлены в том числе и тем, что измерения проводились не в безэховой камере.
Также были получены натурные данные зависимости коэффициента усиления и диаграммы направленности в азимутальной плоскости в исследуемом диапазоне частот. ДН были сняты с шагом в 15 градусов по азимуту. Зависимости КУ приведены на рис. 11. Пунктирной линией изображена теоретическая зависимость, сплошной - экспериментальная.
Рис. 11. Зависимость коэффициента усиления от частоты
Ниже, на рис. 12 приведены зависимости диаграммы направленности в азимутальной плоскости, полученные с помощью расчета (пунктирные линии) и с помощью натурных измерений макета (сплошные линии) на частотах 3 ГГц (рис. 12 а) и 5 ГГц (рис.12 б).
Рис. 9. Изготовленные структура ДОС (а) и макет антенны (б)
измерений макета, положение максимумов и минимумов на них, а также наличие симметрии относительно направления максимального излучения, можно сделать вывод о высокой степени соответствия разработанной модели и ее технической реализации в виде макета.
Таким образом, было выяснено, что полученные результаты в ходе численного моделирования являются адекватными получаемым при натурных исследованиях.
Литература
1. Панченко Б.А., Лебедева Е.В. Антенные характеристики линзы Люнеберга // Антенны. 2010. № 12. С. 5-9.
2. Xidong Wu, Laurin, J.-J. Fan-Beam Millimeter-Wave Antenna Design Based on the Cylindrical Luneberg Lens // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2007. № 8 (55). P. 2147-2156.
3. Liang C.S., Streater D.A., Jian-Ming Jin, Dunn E., Rozendal T. A quantitative study of Luneberg-lens reflectors // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2005. № 2 (47). P. 30-42.
4. Liang C.S., Streater D.A., Jian-Ming Jin, Dunn E., Rozendal, T. Ground-plane-backed hemispherical Luneberg-lens reflector // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2006. № 1 (48). P. 37-49.
5. Pfeiffer C., Grbic A. A Printed, Broadband Lune-burg Lens Antenna // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2010. № 9 (58). P. 3055-3059.
6. Weiland T. A discretization method for the solution of Maxwell's equations for six-component fields // Electronics and Communication, 1977. V. 31. PP. 116-120.
Воронежский государственный технический университет Научно-производственное предприятие ЗАО «ИРКОС», г. Москва
EXPERIMENTAL RESEARCH OF ULTRAWIDEBAND ANTENNA, BASED ON PLANE
LUNEBERG LENS MODIFICATION
S.A. Antipov, A.V. Ashihmin, V.V. Negrobov, S.M. Fedorov
The results of experimental and theoretical researches of antenna constructed on the basis of modified plane Luneberg lens are given. Research of adequacy of results obtained from numerical simulation to results obtained with the full-scale experiment is performed
Key words: Luneberg lens, experimental study
А, дБ io
7.5 5
2.5 0
-2.5
-5
-7.5
-10
-12.5
-15
/ /#
/V t j W /1 ;Д 4\
•А V 1 Ik/ I if \
w ttj i i Vi
' ''7 1 V'' <
V ( t
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360
<Р,°
б)
Рис. 12. Амплитудные ДН в азимутальной плоскости на частоте: а) - / = 3ГГц ; б) - / = 5ГГц .
Стоит отметить, что столь большой шаг по азимуту при обмере не позволяет установить положение и величину всех максимумов и минимумов в диаграмме направленности антенны. Однако сравнивая характер зависимостей ДН полученных путем моделирования и натурных
