CC BY
120
УДК 621.396.67
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛОСКОЙ ЛИНЗЫ ЛЮНЕБЕРГА C РАДИАЛЬНЫМИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ЛЕПЕСТКАМИ
А.С. Авдюшин, К.О. Волков, К.А. Разинкин, С.М. Фёдоров
Разработана и апробирована методика проектирования антенны с диаграммообразующей схемой в виде плоской линзы Люнеберга, реализованной в виде набора радиально ориентированных диэлектрических лепестков, позволяющая улучшить технологичность антенны
Ключевые слова: диаграммообразующая схема, линза Люнеберга
В силу достаточно высокой стоимости импортных фольгированных диэлектриков (марок Rogers, Arlon и др.), а также - ограниченности размеров листов ламинированных материалов и наличия ограничения размеров, изготовляемых печатных плат, актуальным является разработка диаграммообразующих схем на основе более дешевых материалов. В качестве диэлектриков с малыми потерями можно использовать фторопласт, полистирол и полиэтилен.
В качестве примера рассмотрим плоскую линзу Люнеберга с радиусом 650 мм. Было выяснено, что достаточно эффективным способом построения ее диаграммообразующей схемы является использование набора радиально ориентированных диэлектрических лепестков достаточно малой ширины, рис. 1.
Было выяснено, что для реализации необходимого закона изменения эффективной диэлектрической проницаемости материала диа-граммообразующей схемы линзы Люнеберга еэфф{г) = 2~(г/г0)2 следует выбрать следующую
зависимость текущей толщины диэлектрического лепестка t :
t (r ) = 2
• r • sin
^ 1 -(r/ro
s -1 ,
V r J
где
г - текущее значение радиуса в пределах от 0 до г0;
N - число лепестков, образующих ДОС; ег - относительная диэлектрическая проницаемость материала лепестков.
Авдюшин Артем Сергеевич - ЗАО «ИРКОС», соискатель, тел. 8 (473) 2-39-23-00
Волков Константин Олегович - ВГТУ, аспирант, тел. 8(908) 141-76-34
Разинкин Константин Александрович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8(473) 2-41-85-35 Фёдоров Сергей Михайлович - ВГТУ, канд. техн. наук, тел. 8(904) 210-05-35
Предлагаемый базовый элемент диаграммообразующей схемы дает возможность реализовать важные преимущества:
- возможность изготовления диэлектрических лепестков в пресс-формах достаточно малой ширины и глубины (единицы миллиметров);
- возможность реализации плоских линз Люнеберга достаточно большого диаметра (более 1 метра);
- стоимость пресс-формы для изготовления лепестков существенно ниже стоимости пресс-формы для изготовления линзы Люнеберга целиком;
- малые потери в диэлектриках диаграммо-образующей схемы (фторопласт (tgS3 = 0.0001), полистирол (tgS3 = 0.0002)), даже по сравнению
с наиболее качественными и дорогостоящими фирменными диэлектриками: материал Rogers 3003 характеризуется величиной тангенса угла электрических потерь на порядок больше -tgS3 = 0.0013.
Рис. 1. Топология лепестка для плоской линзы Люнеберга с радиусом 650 мм, состоящей из 279 радиальных лепестков, изготовленных из фторопласта (относительная диэлектрическая проницаемость - £ = 2.1)
Модель антенны с ДОС на основе линзы Люнеберга, реализованной в виде набора диэлектрических лепестков (рис. 1) показана на рис. 2.
б)
Рис. 2. Модель антенны с диаграммообразующей схемой на основе линзы Люнеберга, реализованной в виде набора диэлектрических лепестков: а) общий вид; б) взаимное расположение лепестков линзы Люнеберга
Входные характеристики антенны приведены на рис. 3-5. Объемные изображения диаграммы направленности приведены на рис. 6 [14].
Для функционирования антенны в режиме полноазимутального сканирования перспективным является использование высокочастотных коммутаторов, реализованных по МЭМС- технологии, т.к. коэффициент передачи разомкнутых МЭМС- коммутаторов в анализируемом диапазоне частот может не превышать значение -70 дБ. При этом использование нескольких десятков подобных ключей не приведет к существенному шунтированию линзы Люнеберга по ее периметру.
Направлениями дальнейшего совершенствования многолучевых антенн, а также - антенн с коммутационным сканированием диаграммой направленности являются:
- улучшение качества согласования;
- уменьшение уровня бокового излучения.
Рис. 3. Номограмма Вольперта-Смита в полосе частот от 1.5 до 2.5 ГГц
Frequency / GHz
Рис. 4. Частотная зависимость модуля коэффициента отражения от входа антенны
1.9 i 2.1 Frequency / GHz
Рис. 5. Частотная зависимость коэффициента стоячей волны на входе антенны
а)
в)
Рис. 6. Объемное изображение диаграммы направленности
В настоящей статье разработана методика проектирования антенны с диаграммообразую-щей схемой в виде плоской линзы Люнеберга, реализованной в виде набора радиально ориентированных диэлектрических лепестков, позволяющая:
- существенно упростить и удешевить технологию производства антенного устройства, за счет использования пресс-форм достаточно малой ширины и глубины (единицы миллиметров);
- реализовать плоские линзы Люнеберга достаточно большого диаметра (1 метр и более);
- использовать для построения ДОС дешевые марки диэлектриков с малые потерями (фторопласт, полистирол, полиэтилен, полипропилен).
Литература
1. 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.
2. M. Clemens, Weiland T., "Discrete Electromagnetism With The Finite Integration Technique", Progress In Electromagnetics Research, PIER 32, 2001, PP. 65-87.
3. Горбачев, А.П., Ермаков Е.А. Проектирование печатных фазированных антенных решеток в САПР «CST Microwave Studio»: учебное пособие. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2008, - 88 с.
4. Курушин А.А., Пластиков А.Н. Проектирование СВЧ устройств в среде CST Microwave Studio. М. Издательство МЭИ, 2010, 160 с.
Воронежский государственный технический университет ЗАО «ИРКОС», (г. Воронеж)
RESEARCH OF ANTENNA WITH BEAMFORMING SCHEME IN FORM OF FLAT LUNEBERG LENS, IMPLEMENTED AS A SET OF RADIALLY ORIENTED DIELECTRIC PETALS
A.S. Avdyushin, K.O. Volkov, K.A. Razinkin, S.M.Fedorov
Developed and researched method of designing antenna beamforming network in form of flat Luneberg lens, implemented as a set of radially oriented dielectric petals, improving antenna manufacturability
Key words: beamforming scheme, Luneberg lens
