М.П. Беляев1, Ю.Г. Пастернак2, В.А. Пендюрин3, Е.А. Рогозин4, Р.Е. Рогозин5

1−4 ВУНЦ ВВС «ВВА имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж, Россия)

2,5 ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет» (г. Воронеж, Россия)

2,3 АО НПП «Автоматизированные системы связи» (г. Воронеж, Россия)

Постановка проблемы. Развитие современных комплексов мобильной спутниковой связи предполагает использование многолучевых антенн (МЛА) с высокими значениями коэффициента направленного действия, низким уровнем боковых лепестков и с большим числом сканирующих лучей в широком сектор обзора без искажений в азимутальной и угломестной плоскостях. Указанными достоинствами обладают МЛА, построенные на базе сферических линз Люнеберга. Однако сферические линзы Люнеберга не нашли широкого практического применения из-за сложности конструкции, высокой стоимости производства и, в ряде случаев, большой массы. Благодаря прогрессу в области искусственных сред и появлению новых способов производства разработаны различные конструкции сферических линз Люнеберга. Использование искусственных диэлектриков позволяет создавать недорогие, облегченные сферические линзы Люнеберга. Один из широко используемых способов создания искусственной среды заключается в использовании диэлектриков с частичным заполнением воздуха. Линзы Люнеберга на основе таких сред могут иметь различные конструкции: на основе диэлектрического шара с радиальными отверстиями переменного диаметра, из электрически малых диэлектрических кубиков переменного размера, из набора перфорированных диэлектрических дисков и т.д. Для изготовления таких линз могут использоваться различные технологии производства, например трехмерная печать, ЧПУ-станок.

Цель. Провести сравнительный анализ характеристик двух конструкций сферических линз Люнеберга c целью работы на частотах свыше 9 ГГц: 1) из диэлектрических кубиков разного размера; 2) из набора перфорированных диэлектрических  дисков.

Результаты. Представлены результаты сравнительного анализа двух конструкций сферических линз Люнеберга и процедура синтеза каждой конструкции. Приведены расчетные зависимости эффективной диэлектрической проницаемости, используемые при разработке исследуемых конструкций сферических линз Люнеберга. Рассмотрены возможные способы технической реализации для каждой из конструкций линз, а также указаны важные особенности, которые необходимо учитывать при их разработке и технической реализации. Проведена оценка массы каждой конструкции и сделано заключение о механической прочности. На основе численного моделирования с использованием метода Вейланда проведено сравнение направленных свойств в широкой полосе частот представленных конструкций, сделаны выводы о схожести и различии направленных характеристик. 

Практическая значимость. Полученные научно-технические результаты будут полезны при выборе конструкции линзы Люнеберга из искусственных диэлектриков в зависимости от поставленных технических требований и условий производства.

Беляев М.П., Пастернак Ю.Г., Пендюрин В.А., Рогозин Е.А., Рогозин Р.Е. Сравнительный анализ конструкций сферических линз Люнеберга // Радиотехника. 2021. Т. 85. № 8. С. 91−100. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202108-10

1. Шишлов А.В., Левитан Б.А., Топчиев С.А., Анпилогов В.Р., Денисенко В.В. Многолучевые антенны для систем радиолокации и связи // Журнал радиоэлектроники. 2018. № 7. С. 1−30.
2. Peeler G.D.M., Coleman H. Microwave stepped-index Luneberg lenses // IRE Transactions on Antennas and Propagation. 1958.  V. 6. № 2. P. 202−207.
3. Bor J., Lafond O., Merlet H., Le Bars P., Himdi M. Foam Based Luneburg Lens Antenna at 60 GHz // Progress In Electromagnetics Research Letters. 2014. V. 44. P. 1−7.
4. Патент 2263124 (РФ), МПК C08J9/04, C08L101/12, C08K13/04, H01B3/00, H01Q15/02. Диэлектрическая полимерная пена и линза для радиоволн с ее использованием / АКИ Минору (JP) и др.; заявитель и патентообладатель Оцука Кемикал КО., ЛТД. (JP), Сумитомо Электрик Индастриз, (JP) № 2003105465/04; заявл. 25.07.2001; опубл. 27.10.2005, Бюл. № 30.
5. Foster R., Nagarkoti D., Gao J., Vial B., Nicholls F., Spooner C., Haq S., Hao Y. Beam-Steering Performance of Flat Luneburg Lens at 60 GHz for Future Wireless Communications // International Journal of Antennas and Propagation. 2017. V. 6. P. 1−8.
6. Peeler G.D.M., Archer D.F. A two-dimensional microwave Luneberg lens // Transactions of the IRE Professional Group on Antennas and Propagation. 1953. V. 1. № 1. P. 12−23.
7. Кузиков А.А., Орехов Р.С., Саломатов Ю.П., Сугак М.И. Исследование печатной цилиндрической линзы Люнеберга // Электроника и микроэлектроника СВЧ. 2018. № 1. С. 426−430.
8. Патент 2657926 (РФ), МПК H01Q 15/02. Антенное устройство на основе линзы Люнеберга / Алиев Д.С. и др.; заявитель и патентообладатель Алиев Дмитрий Сергеевич №2017126878; заявл. 25.07.2017; опубл. 18.06.2018, Бюл. № 17.
9. Патент 2485646 (РФ), МПК H01Q 15/02. Устройство для фокусировки типа «линза Люнеберга» / Рязанцев Р.О., Саломатов Ю.П.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет» №2012109411/08; заявл. 12.03.2012; опубл. 20.06.2013, Бюл. № 17.
10. Авдюшин А.С., Волков К.О., Разинкин К.А., Фёдоров С.М. Исследование плоской линзы Люнеберга с радиальными диэлектрическими лепестками // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2014. № 5−1(10). С. 23−25.
11. Sayanskiy A., Glybovski S., Akimov V.P., Filonov D., Belov P., Meshkovskiy I. Broadband 3-D Luneburg Lenses Based on Metamaterials of Radially Diverging Dielectric Rods // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2017. V. 16. P. 1520−1523.
12. Cheng G., Wu Y., Yin J.X., Zhao N., Qiang T., Lv X. Planar Luneburg Lens Based on the High Impedance Surface for Effective KuBand Wave Focusing // IEEE Access. 2018. V. 6. P. 16942−16947.
13. Chen H., Cheng Q., Huang A., Dai J., Lu H. Modified Luneburg Lens Based on Metamaterials // International Journal of Antennas and Propagation. 2015. V. 2015. 6 p.
14. Su Y., Chen Z.N. A Flat Dual-Polarized Transformation-Optics Beam scanning Luneburg Lens Antenna Using PCB-Stacked Gradient Index Metamaterials // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2018. V. 66. № 10. P. 5088−5097.
15. Liang M., Ng W.R., Chang K., Gbele K., Gehm M.E., Xin H. A 3-D Luneburg Lens Antenna Fabricated by Polymer Jetting Rapid Prototyping // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2014. V. 62. № 4. P. 1799−1807.
16. Changsheng D., Ziqing C., Yong L., Haidong W., Chao J., Shiwen Y. Permittivity of composites used for Luneburg lens antennas by drilling holes based on 3-D printing technique  // Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology. 2017. V. 15. № 4. P. 646−651.
17. Sato K., Ujiie H. A Plate Luneberg Lens with the Permittivity Distribution Controlled by Hole Density // Electronics and Communications in Japan. Part 1. 2002. V. 85. № 9. P. 163−166.
18. Ma H.F., Cui T.J. Three-dimensional broadband and broad-angle transformation-optics lens // Nature Communications. 2010. V. 1. № 8. Article 124.
19. Smith D.R., Vier D.C., Koschny Th., Soukoulis C.M. Electromagnetic parameter retrieval from inhomogeneous Metamaterials // Physical Review. E-Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics. 2005. V. 71. № 3.
20. Зелкин Е.Г., Петрова Р.А. Линзовые антенны М.: Советское радио. 1974. 280 с.
21. Weiland T. A discretization method for the solution of Maxwell`s equations for six-component fields // Electronics and Communication. 1977. V. 31. P. 116−120.
22. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. М.: Энергия. 1975. 528 с.