Ю. Г. Пастернак1, В. А. Пендюрин2, Е. А. Рогозин3, Р. Е. Рогозин4, С. М. Фёдоров5
1, 4, 5 Воронежский государственный технический университет (г. Воронеж, Россия)
1, 3 ВУНЦ ВВС «ВВА имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж, Россия)
1, 2 АО НПП «Автоматизированные системы связи» (г. Воронеж, Россия)
3 Воронежский институт Министерства внутренних дел (г. Воронеж, Россия)

Постановка проблемы. Использование линз Люнеберга позволяет создавать многолучевые антенные системы, обладающие высокими значениями коэффициента направленного действия, низким уровнем боковых лепестков, большим числом неискаженных сканирующих лучей в широком секторе обзора. Несмотря на свои достоинства, линзы Люнеберга не находят широкого практического применения из-за высокой стоимости производства и сложной конструкции линзы. В настоящее время благодаря прогрессу в науке и технике, в области материаловедения разработаны различные типы линз Люнеберга (сферические, цилиндрические, плоские, трехмерно-трансформированные), а также способы и средства их технической реализации.

Цель. Провести анализ существующих (современных) типов линз Люнеберга, а также способов и средств их технической реализации.

Результаты. Рассмотрены основные типы линз: сферическая, цилиндрическая и модифицированная. Показаны существующие способы дискретизации непрерывного закона изменения коэффициента преломления, а также описана проблема определения оптимального числа слоев. Приведены способы изготовления различных конструкций линз Люнеберга, в том числе реализованных с использованием трансформационной оптики, на основе вспененных и композитных материалов, однородных диэлектриков, искусственных сред и метаматериалов. Отмечены достоинства и недостатки каждого из способов изготовления.

Практическая значимость. Установлены перспективные направления исследований в области проектирования и технической реализации линз Люнеберга.

Пастернак Ю.Г., Пендюрин В.А., Рогозин Е.А., Рогозин Р.Е., Фёдоров С.М. Анализ современных способов и средств технической реализации линзы Люнеберга // Антенны. 2022. № 2. С. 53–62. DOI: https://doi.org/10.18127/j03209601-202202-07

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. Кюн Р. Микроволновые антенны. Л.: Судостроение. 1967.
3. Драбкин А.Л., Зузенко В.Л., Кислов А.Г. Антенно-фидерные устройства. М: Сов. радио. 1974.
4. Зелкин Е.Г., Петрова Р.А. Линзовые антенны. М.: Сов. радио. 1974.
5. Коротков А.Н., Шабунин С.Н. Влияние способа дискретизации цилиндрической линзы Люнеберга на ее характеристики излучения // Информационные технологии, телекоммуникации и системы управления. 2015. С. 20–26.
6. Панченко Б.А., Денисов Д.В., Мохова В.В., Панов H.B. Влияние уровня стратификации линзы Люнеберга на ее антенные характеристики // Известия высших учебных заведений России. Сер. «Радиоэлектроника». 2014. № 1. С. 3–6.
7. Fuchs B., Le Coq L., Lafond O., Rondineau S., Himdi M. Design optimization of multishell Luneburg lenses // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2007. V. 55. № 2. P. 283–289.
8. Peeler G.D.M., Coleman H. Microwave stepped-index Luneberg lenses // IRE Transactions on Antennas and Propagation. 1958. V. 6. № 2. P. 202–207.
9. 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.
10. Gunderson L.C., Kauffman K.F. A high temperature Luneburg lens // Proceedings of the IEEE. 1968. V. 56. № 5. P. 883–884.
11. Патент № 2263124 РФ. Диэлектрическая полимерная пена и линза для радиоволн с ее использованием / М. Аки, Х. Монде, А. Табути, Й. Тати, С. Каваками, М. Курода, Т. Кисимото, К. Кимура. Опубл. 27.10.2005. Бюл. № 30.
12. 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.
13. 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.
14. Патент № 2657926 РФ. Антенное устройство на основе линзы Люнеберга / Д.С. Алиев, А.В. Иванов, Ю.Г. Пастернак. Опубл. 18.06.2018. Бюл. № 17.
15. Патент № 2485646 РФ. Устройство для фокусировки типа «линза Люнеберга» / Р.О. Рязанцев, Ю.П. Саломатов. Опубл. 20.06.2013. Бюл. № 17.
16. Kock W.E. Metallic delay lenses // The Bell System Technical Journal. 1948. V. 27. № 1. P. 58–82.
17. Вендик И.Б., Вендик О.Г. Метаматериалы и их применение в технике сверхвысоких частот (обзор) // Журнал технической физики. 2013. Т. 83. № 1. С. 3–28.
18. Patent № 5677796 US. Luneberg lens and method of constructing same / K.A. Zimmerman, D.L. Runyon. 1997.
19. 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.
20. Антипов С.А., Ашихмин А.В., Негробов В.В., Фёдоров С.М. Экспериментальное исследование сверхширокополосной антенны, построенной на основе модификации плоской линзы Люнеберга // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2012. Т. 8. № 3. С. 113–118.
21. Rondineau S., Himdi M., Sorieux J. A sliced spherical Luneburg lens // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2003. V. 2. P. 163–166.
22. 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.
23. 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.
24. Kubach A., Shoykhetbrod A., Herschel R. 3D printed Luneburg lens for flexible beam steering at millimeter wave frequencies // 2017 47th European Microwave Conference (EuMC). 2017. P. 787–790.
25. Larimore Z., Jensen S., Good v, Lu A., Suarez J., Mirotznik M. Additive manufacturing of Luneburg lens antennas using space-filling curves and fused filament fabrication // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2018. V. 66. № 6. P. 2818–2827.
26. Xin H., Liang M. 3D printed microwave and THz devices using polymer jetting techniques // Proceedings of the IEEE. 2017. V. 105. № 4. P. 737–755.
27. 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. Т. 10. № 5-1. С. 23–25.
28. 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.
29. Pfeiffer C., Grbic A. A printed, broadband Luneburg lens antenna // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2010. V. 58. № 9. P. 3055–3059.
30. Cheng Q., Ma H.F., Cui T.J. Broadband planar Luneburg lens based on complementary metamaterials // Applied Physics Letters. 2009. V. 95. № 18.
31. Dhouibi A., Burokur S.N., Lustrac A. Metamaterial-based 2D multi-beam broadband Luneburg lens antenna // 2014 XXXIth URSI General Assembly and Scientific Symposium (URSI GASS). 2014.
32. Deepthi K.V.B.L., Sankar K.J. An investigation of the substrate-integrated Luneburg lens antenna with gradient index and meta-material structures // International Journal of Applied Engineering Research. 2016. V. 11. № 8. P. 5762–5766.
33. Cheng G., Wu Y., Yin J.X., Zhao N., Qiang T., Lv X. Planar Luneburg lens based on the high impedance surface for effective Ku-band wave focusing // IEEE Access. 2018. V. 6. P. 16942–16947.
34. 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. P. 1–6.
35. MatSing. Lens technology enabled [Электронный ресурс] / URL: https://matsing.com.
36. Patent № 8518537 US. Artificial dielectric material and method of manufacturing the same / S. Matitsine. 2013.
37. Werner D.H. Broadband metamaterials in electromagnetics technology and applications. Jenny Stanford Publishing. 2017.
38. 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.
39. Kundtz N., Smith D.R. Extreme-angle broadband metamaterial lens // Nature Materials. 2010. V. 9. P. 129–132.
40. Su Y., Chen Z.N. A flat dual-polarized transformation-optics beamscanning Luneburg lens antenna using PCB-stacked gradient index metamaterials // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2018. V. 66. № 10. P. 5088–5097.
41. Li Y., Zhu Q. Luneburg lens with extended flat focal surface for electronic scan applications // Optics Express. 2016. V. 24. № 7. P. 7201–7211.