CC BY
112
УДК 621.396.67
Радиоэлектроника и системы связи
ФОРМИРОВАНИЕ ЛУЧЕЙ В СЕКТОРНОЙ МНОГОЛЕПЕСТКОВОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКЕ НА ОСНОВЕ ПЛОСКОЙ ЛИНЗЫ ЛЮНЕБЕРГА
А.С. Авдюшин, А.В. Ашихмин, Ю.Г. Пастернак, С.М. Федоров
В работе исследована возможность создания антенны с секторным широкоугольным сканированием, построенной на основе линзы Люнеберга, представляющей собой ступенчатый конус
Ключевые слова: линза Люнеберга, многолепестковая антенна, секторное сканирование
В настоящее время антенные устройства, способные формировать множество диаграмм направленности, широко используются в системах мобильной коммуникации, радиоастрономии, радионавигации, радиолокации, радиопеленгации, системах космической связи. В качестве таких многолучевых антенн часто используют многолучевые фазированные антенные решетки (ФАР) и многолучевые линзовые антенны. Наряду с электронным сканированием, для изменения пространственной ориентации главного лепестка, может использоваться устройство, осуществляющее механический поворот антенны с высокой направленностью (например, зеркальной или линзовой антенны) или ее облучателя. Механические способы управления направленностью излучения имеют очевидные недостатки - малая скорость сканирования и низкая надежность.
ФАР обладают высокой скоростью изменения диаграммы направленности, однако, их полоса рабочих частот и секторы сканирования ограничены. Существенными недостатками ФАР являются их конструктивная сложность, сложность управления, а также - высокая стоимость.
Классическая сферическая линза Люнебер-га также является достаточно сложной и дорогой в производстве антенной.
Поэтому актуальным является разработка и исследование новой конструкции сверхширо-кополосной многолучевой антенны на основе плоской линзы Люнеберга с возможностью секторного сканирования, как более простой и дешевой, по сравнению с классической линзой сферической формы.
Авдюшин Артем Сергеевич - ВГТУ, аспирант,
тел. (473) 296-95-35
Ашихмин Александр Владимирович - ЗАО «ИРКОС», д-р техн. наук, тел. (473) 296-95-35
Пастернак Юрий Геннадьевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 223-12-46
Фёдоров Сергей Михайлович - ВГТУ, аспирант, тел. 8 (904) 210-05-35
За основу исследуемой антенной системы (АС) была взята линза Люнеберга, представляющая собой ступенчатый конус, в которой для реализации изменения величины диэлектрической проницаемости согласно закону Люнебер-га, при движении по радиусу от края к центру ступенчато увеличивается высота [1]. Радиус основания конуса линзы составил 480 мм, высота 11,5 мм, в качестве материла, использовался фторопласт (е = 2,1). Высота волновода построенной АС равна 12 мм, толщина стенок 1 мм, высота раскрыва рупора 150 мм, его длина 300 мм, ширина 1000 мм (рис. 1).
б)
Рис. 1. Секторная АС на основе линзы Люнеберга в виде ступенчатого конуса: а) вид без волновода и рупора; б) полностью собранная АС
На боковых стенках находится поглотитель, предотвращающий отражения волны и как следствие улучшающий согласование антенны. 15 экспоненциальных облучателей расставлены с шагом 6° на окружности с радиусом 500 мм, и направлены к центру начала раскрыва рупора [2].
Антенна функционирует в режиме сканирования в секторе 80° в полосе частот 1.5^2.55 ГГц. В результате расчета электромагнитных характеристик были получены основные параметры исследуемой антенны: зависимость
КСВН от частоты (рис. 2), номограмма Воль-перта-Смита (рис. 3) нормированная к 50 Ом, зависимость коэффициента усиления от частоты для центрального порта (рис. 4). На рисунках приняты следующие обозначения: 1-й порт (центральный) - сплошная линия; 4-й порт -штриховая; 6-й порт - штрихпунктирная; 8-й (крайний) порт - толстая линия. Исследовалась только половина всех портов ввиду симметричности антенны.
fГГц
Рис. 2. Зависимость КСВН от частоты для секторной АС на основе линзы Люнеберга
б)
Рис. 3. Номограмма Вольперта-Смита секторной АС на основе линзы Люнеберга для:
а) 1-го порта; б) 8-го порта
G, дБ 19 18 17 16 15 14 13 12 11
1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6
fГГц
Рис. 4. Зависимость коэффициента усиления от частоты для центрального порта секторной АС построенной на основе линзы Люнеберга
На номограмме Вольперта-Смита видно, что комплексное сопротивление исследуемой АС немного смещено в емкостную область на средних частотах. Для компенсации емкостного характера сопротивления можно использовать индуктивность, подключенную последовательно порту. Рис. 4 указывает на плавный рост коэффициента усиления антенны с увеличением частоты.
На рис. 5 приведены пространственные диаграммы направленности для 1 и 8 портов на частоте 2 ГГц. Для наглядности, на рис. 6 представлены проекции диаграммы направленности на азимутальную плоскость для крайнего 8-го порта, обладающего наихудшими характеристиками.
А ИШР-
б)
Рис. 5. Пространственные диаграммы
направленности секторной АС построенной на основе линзы Люнеберга для: а) 1-го порта; б) 8-го порта
После проведенных исследований было выяснено, что углы сканирования на частоте 2 ГГц для 1, 4, 6, 8 портов составили 90°, 107°, 118°, 130° при необходимых значениях 90°, 108°, 120° и 132°, соответственно. Проведенный расчет показал, что для исследуемых портов в диапазоне частот 1,5^2,55 ГГц погрешность угла сканирования не превышает 3°. Коэффициент усиления в направлении главного лепестка на частоте 2 ГГц для 1, 4, 6, 8 портов равен 16 дБ, 14,8 дБ, 13,4 дБ и 10,7 дБ, соответственно.
Таким образом, была получена секторная АС построенная на основе линзы Люнеберга в виде ступенчатого конуса, способная сканировать в секторе 90° с приемлемым уровнем коэффициента усиления.
Литература
1. Силин Р.А., Сазонов В.П. Замедляющие системы. М.: Сов. радио. 1966. 632 с.
2. Экспериментальное исследование сверхшироко-полосной антенны, построенной на основе модификации плоской линзы Люнеберга [Текст] / С. А. Антипов, А .В. Ашихмин, В. В. Негробов, С. М. Фёдоров // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012. - Т. 9. - № 3. - С. 113-118.
Воронежский государственный технический университет ЗАО «ИРКОС» (г. Воронеж)
FORMATION OF RAYS IN SECTOR MULTI-BEAM ANTENNA ARRAY BASED
ON A PLANE LUNEBURG LENS
A.S. Avdyushin, A.V. Ashihmin, Yu.G. Pasternak, S.M. Fedorov
This paper describe procedure of designing of sector wide-angle scanning antenna, built on basis of Luneburg lens, with form of step cone
Key words: Luneburg lens, multi-beam antenna, sector scan
a)
0
б)
Рис. 6. Проекции ДН на азимутальную плоскость 8-го порта секторной АС построенной на основе линзы Люнеберга на частоте: а) /=2 ГГц; б) /=2,5 ГГц
