УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОКУСИРОВКИ ТИПА "ЛИНЗА ЛЮНЕБЕРГА"
FOCUSING DEVICE OF "LUNEBERG LENS" TYPE

Изобретение относится к области конструирования направленных антенн, а конкретно - к конструированию устройств для фокусировки при приеме-передаче радиоволн сантиметрового и миллиметрового диапазонов.
Известно, что для осуществления приема-передачи радиоволн одновременно в нескольких направлениях могут использоваться устройства для фокусировки типа "линза Люнеберга" ("Luneberg lens"), представляющие собой сферическую либо цилиндрическую линзы из диэлектрика, в которых диэлектрическая проницаемость ε является переменной и изменяется по следующему закону [Зелкин Е.Г., Петрова Р.А. Линзовые антенны. - М.: Советское радио, 1974, 280 с.]:
где R - радиус сферы (цилиндра); r - расстояние от центра линзы.
Линза Люнеберга является идеальным устройством для широкоугольного неискаженного сканирования, чем объясняется большой интерес, который проявляется к линзам данного типа. Однако, несмотря на то, что линзы из неоднородного диэлектрика известны давно, изготовление таких линз, к примеру, представляющих собой шар из диэлектрика с переменной диэлектрической проницаемостью, наталкивается на серьезные технологические трудности, и часто затраты на производство материалов с изменяющимися вдоль координат диэлектрическими параметрами слишком высоки, чтобы иметь широкое применение в промышленности.
Известно также «Устройство для фокусировки при приеме-передаче радиоволн сантиметрового диапазона» [Патент РФ №2159487, 20.11.2000.], в котором предложено в качестве искусственного диэлектрика использовать расходящиеся из центра линзы диэлектрические стержни переменного по длине радиуса. Устройство содержит диэлектрические элементы, соединенные в шарообразную конструкцию, у которой распределение диэлектрической проницаемости внутри конструкции соответствует распределению диэлектрической проницаемости в линзе Люнеберга. Внутренний элемент конструкции выполнен в виде шара, в котором укреплены наружные элементы - радиально ориентированные штыри, образующие внешнюю часть конструкции. В вариантах реализации, имеющих практическое значение, все элементы конструкции выполнены из одного и того же диэлектрического материала, например полистирола, при этом все элементы внешней части конструкции - радиально ориентированные штыри - имеют идентичную форму, близкую к сигарообразной.
Для данной реализации линзы Люнеберга характерна низкая степень производственной гибкости при необходимости изменения параметров изготавливаемого устройства - технически это связано с необходимостью изменения прессформ, имеющих сложный профиль, в которых осуществляется изготовление элементов.
Известна также линза Люнеберга цилиндрической формы для фокусировки СВЧ излучения [Патент GB №1316058А, опуб. авг. 23, 1971]. Такая цилиндрическая линза Люнеберга состоит из коаксиального набора параллельных круглых элементов, которые все могут быть одного размера и из одного и того же материала, при этом все элементы расположены эквидистантно. Желаемое изменение эквивалентной диэлектрической проницаемости так, как это описано в выражении (1) для зависимости диэлектрической проницаемости в линзе Люнеберга, получено путем изменения толщины каждого из элементов по расстоянию от оси, перпендикулярной плоскости расположения элементов. Таким образом, устройство-прототип состоит из некоторого числа идентичных плосковыпуклых элементов, расположенных с некоторым периодом. Каждый элемент может быть цельным куском простого диэлектрика или может содержать в себе две или более составляющих частей, то есть элементы могут состоять из компонентов различного радиуса (например, плосковыпуклый элемент аппроксимируется тремя плоскими дисками прогрессивно увеличивающегося диаметра).
Характерной особенностью этой линзы Люнеберга является осуществление фокусировки лишь в одной из плоскостей пространства и возможность сканирования диаграммы направленности линзовой антенны также лишь в одной плоскости. Однако, в ряде случаев, возможностей такой линзы недостаточно, так как существует необходимость фокусировки излучения в двух взаимоперпендикулярных плоскостях, а также необходимость осуществления сканирования диаграммы направленности антенны на основе такой линзы Люнеберга более, чем в одной плоскости.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание такой конструкции линзовой антенны, в которой устройство для фокусировки типа "линза Люнеберга", обеспечивает фокусировку луча в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и с возможностью сканирования диаграммы направленности антенны также в двух плоскостях (к примеру азимутальной и угломестной) путем перемещения облучателя либо переключения облучателей на поверхности линзы.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для фокусировки типа «линза Люнеберга», содержащем коаксиальный набор параллельных круглых осесимметричных диэлектрических элементов переменной толщины, согласно изобретению, каждый из элементов также симметричен и относительно плоскости, перпендикулярной оси, а диаметр и толщина элементов и соответственно распределение эффективной диэлектрической проницаемости внутри набора элементов такие, что соответствуют линзе Люнеберга сферического типа.
На фиг.1. представлен общий вид заявляемого устройства для фокусировки типа «линза Люнеберга», на фиг.2 представлены возможные варианты реализации диэлектрических элементов устройства.
Заявляемое устройство для фокусировки представляет собой коаксиальный набор параллельных круглых осесимметричных диэлектрических элементов переменной толщины, обратно-пропорциональной величине их радиуса. Диаметр и толщина элементов и соответственно распределение эффективной диэлектрической проницаемости внутри набора элементов (линза Люнеберга сферического типа) такие, что распределение эффективной диэлектрической проницаемости соответствует закону:
, где
R - радиус сферы;
r - расстояние от центра линзы до любой точки в сфере в соответствии с фиг.1.
В заявляемом устройстве для фокусировки типа «линза Люнеберга» каждый элемент линзы отличен и по диаметру и по толщине от любого соседнего элемента. Также каждый из элементов симметричен относительно плоскости, перпендикулярной оси расположения набора элементов. Геометрические центры таких элементов расположены эквидистантно на оси коаксиального набора их в устройстве.
Каждый из элементов устройства для фокусировки может быть однородным, иметь непрерывную форму (фиг.2, а), может аппроксимироваться некоторым количеством плоских компонентов-дисков прогрессивно изменяющегося диаметра, которые находятся в контакте один с другим (фиг.2, б), либо компоненты-диски относительно друг друга бесконтактны (т.е. с зазором) (фиг.2, в). При этом каждый элемент может представлять собой набор диэлектрических компонентов-дисков различного диаметра одинаковой или различной толщины, выполненных из материала с постоянной диэлектрической проницаемостью. Каждый элемент составлен из компонентов-дисков так, что его толщина уменьшается от центра к периферии.
Выбор конструктивных параметров элементов зависит от требуемых характеристик устройства для фокусировки, что первоначально выражается в требованиях к размеру апертуры и соответственно размеру устройства. Например, при диаметре устройства (линзы Люнеберга) около 16 длин волн на максимальной частоте число элементов должно быть не менее 25. При этом толщина компонентов элемента при относительной диэлектрической проницаемости материала 1,6 должна составлять 0,1 минимальной длины волны или менее. Устройство может заключаться в сферическую оболочку, выполненную из радиопрозрачного материала, с целью защиты конструкции от атмосферных воздействий. Заявляемое устройство может быть собрано на оси из диэлектрического материала, которая также является средством закрепления линзы в антенном устройстве. При использовании заявляемого устройства в составе антенны, источники и/или приемники радиосигналов размещаются вблизи линзы Люнеберга на необходимом для фокусировки излучения расстоянии.
В вариантах реализации заявляемой линзы Люнеберга, имеющих практическое применение, каждый элемент может выполняться как из компонент-дисков из одного и того же диэлектрического материала, так и из компонент-дисков из различных диэлектрических материалов. С технологической точки зрения, при условии сохранения распределении эффективной диэлектрической проницаемости внутри устройства для фокусировки в соответствии с законом для распределения диэлектрической проницаемости в линзе Люнеберга, допускается диэлектрические элементы выполнять таким образом, чтобы только с достаточной точностью аппроксимировать изначальную симметричную форму элемента относительно плоскости, перпендикулярной оси набора элементов.
Вследствие соответствующего распределения диэлектрической проницаемости, заявляемое устройство осуществляет фокусировку электромагнитной волны вдоль оси излучения в двух перпендикулярных плоскостях, таким образом, что луч параллельно падающего излучения может быть сфокусирован в точку, лежащую на прямой, перпендикулярной плоскости падения излучения. Вследствие сферической формы и соответствующего распределения эффективной диэлектрической проницаемости по сфере, устройство позволяет осуществлять сканирование диаграммы направленности линзовой антенны, реализованной на основе данного изобретения, в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях путем перемещения облучателя либо переключения из нескольких облучателей на сферической поверхности. Решение поставленной задачи технически выражается в том, что каждый из элементов переменной толщины составлен специальным образом по отношению к соседнему, и соседние элементы не могут быть по размеру одинаковыми. Дополнительным положительным эффектом с технологической точки зрения является то, что линза Люнеберга, в соответствии с изобретением, может быть выполнена из материала одного типа для всего устройства, а также то, что для создания такого устройства необходимыми компонентами для элементов являются диски различного диаметра, которые могут быть произведены из одного и того же листа диэлектрического материала. Изготовление компонент может осуществляться с помощью механической вырезки из листа либо технологии лазерной резки, что также обеспечивает большую технологическую гибкость при производстве нескольких наименований устройств на основе данного изобретения.