350 руб
Журнал «Радиотехника» №8 за 2021 г.
Статья в номере:
Сравнительный анализ конструкций сферических линз Люнеберга
Тип статьи: научная статья
DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202108-10
УДК: 621.396
Авторы:

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)

Аннотация:

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.

Страницы: 91-100
Для цитирования

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

Список источников
  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.
Дата поступления: 12.05.2021
Одобрена после рецензирования: 27.05.2021
Принята к публикации: 23.07.2021