Антенное устройство на основе линзы Люнеберга
LUNEBURG LENS-BASED ANTENNA DEVICE

Изобретение относится к области конструирования направленных антенн, а именно к конструированию устройств для фокусировки электромагнитных волн при приеме-передаче радиоволн дециметрового и сантиметрового диапазонов (УВЧ и СВЧ) и может быть использовано при создании малогабаритных антенн для фокусировки электромагнитной волны вдоль оси излучения, а также сканирования диаграммы направленности линзовой антенны.
Для осуществления приема-передачи электромагнитных волн одновременно в нескольких направлениях могут использоваться устройства для фокусировки типа линза Люнеберга, 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 - расстояние от центра линзы; R - радиус сферы.
Известно устройство для фокусировки типа линза Люнеберга, содержащее коаксиальный набор параллельных круглых осесимметричных диэлектрических элементов переменной толщины, при этом 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 (Патент RU №2485646 С1, заявка №2012109411/08 от 12.03.2012, МПК: H01Q 15/02 - прототип).
Каждый из элементов указанного устройства 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.
Основным недостатком является значительная сложность обеспечения фокусировки луча в двух плоскостях, трудности согласования работы такой конструкции с фидерным трактом и приемопередающей аппаратурой, значительная сложность изготовления, что, в конечном итоге, ведет к увеличению стоимости ее изготовления и обслуживания.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание такой конструкции линзовой антенны, в которой антенное устройство типа линза Люнеберга позволит обеспечить фокусировку луча в двух плоскостях, упростить согласование такой конструкции с фидерным трактом и приемопередающей аппаратурой, при этом производство которого было бы экономически целесообразным.
Решение указанной задачи достигается тем, что, в предложенном антенном устройстве на основе линзы Люнеберга, содержащем коаксиальный набор круглых осесимметричных диэлектрических элементов переменной толщины и переменного диаметра, согласно изобретению набор диэлектрических элементов выполнен в виде коаксиальных цилиндров одной высоты, установленных с кольцевыми зазорами друг по отношению к другу, причем диаметр и толщина стенок упомянутых цилиндров определены в соответствии с распределением эффективной диэлектрической проницаемости, характерной для линзы Люнеберга цилиндрической формы, при этом толщина стенок цилиндров монотонно убывает от центра к периферии, а кольцевой зазор между стенками цилиндров монотонно увеличивается.
В варианте исполнения, предложенное антенное устройство дополнительно содержит полуволновой вибратор.
В варианте исполнения, полуволновой вибратор выполнен в виде двух сплошных полукругов, расположенных в одной плоскости и обращенных друг к другу своими хордами, и расположен в непосредственной близости от наружного коаксиального цилиндра упомянутого набора, причем хорды полукругов расположены перпендикулярно продольной оси устройства.
Сущность предложенного технического решения иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показана предложенная коаксиальная цилиндрическая структура линзы Люнеберга, на фиг. 2 - поперечный разрез линзы Люнеберга, на фиг. 3 - фокусировка электромагнитной волны при ее прохождении через линзу Люнеберга.
Антенное устройство выполнено в виде коаксиальных цилиндров 1 одной высоты, установленных с кольцевыми зазорами 2 друг по отношению к другу, причем диаметр и толщина стенок упомянутых цилиндров определены в соответствии с распределением эффективной диэлектрической проницаемости, характерной для линзы Люнеберга цилиндрической формы. Толщина стенок цилиндров 1 монотонно убывает от центра к периферии, а кольцевой зазор 2 между стенками цилиндров монотонно увеличивается. Изготовление антенного устройства в виде полых коаксиальных цилиндров значительно упрощает технологический процесс и удешевляет производство.
В непосредственной близости от наружного коаксиального цилиндра упомянутого набора установлен полуволновой вибратор 3, выполненный из двух полукругов 4.
Предложенное устройство работает следующим образом.
Чередование слоев диэлектрика и воздуха с различной диэлектрической проницаемостью изменяет направление распространения электромагнитной волны при ее прохождении через тело антенного устройства, при этом распределение эффективной диэлектрической проницаемости соответствует закону:
где r - расстояние от центра линзы;
R - внешний радиус антенны в соответствии с фиг. 2.
Таким образом, заявленное антенное устройство фокусирует электромагнитную волну в узкий пучок или луч (фиг. 3).
В предложенном антенном устройстве на основе линзы Люнеберга роль активного элемента играет полуволновой вибратор 3, выполненный из двух полукругов 4.
Выбор конструктивных параметров полуволнового вибратора 3 зависит от требуемых характеристик устройства для фокусировки, что первоначально выражается в требованиях к размеру апертуры и соответственно размеру устройства.
Коаксиальная цилиндрическая структура «линзы Люнеберга» обеспечивает фокусировку электромагнитной волны при ее прохождении через тело антенны, а полуволновой вибратор, выполненный из двух полукругов, облегчает согласование антенного устройства с приемопередающей аппаратурой.
Предложенное устройство может быть собрано на подложке из диэлектрического материала, которая также является средством закрепления линзы в антенном устройстве. Для обеспечения лучшей фокусировки элементы линзы Люнеберга необходимо изготавливать из диэлектрика с однородной плотностью, например пластика ABC.
Вследствие соответствующего распределения диэлектрической проницаемости, заявляемое антенное 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 цилиндрической формы линзы и применения полуволнового вибратора, выполненного из двух полукругов, антенное устройство позволяет осуществлять сканирование диаграммы направленности линзовой антенны, реализованной на основе данного изобретения, в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях.
Дополнительным положительным эффектом, с технологической точки зрения, является то, что предложенная линза Люнеберга, в соответствии с техническим решением, может быть выполнена из материала одного типа для всего устройства, а также то, что для создания такого устройства необходимыми компонентами для элементов являются полые цилиндры различного диаметра и толщиной стенок.
Полуволновой вибратор, состоящий из двух полукругов, может быть выполнен по планарной технологии. Применение полуволнового вибратора, состоящего из двух полукругов позволяет упростить согласование антенного устройства с приемопередающей аппаратурой и позволяет производить сканирование диаграммы направленности по углу места от 0 до 40 градусов.
Использование предложенного технического решения позволит создать линзовую антенну на основе линзы Люнеберга, применение которой позволит обеспечить фокусировку луча в двух плоскостях и облегчит согласование такой конструкции с фидерным трактом и приемопередающей аппаратурой, при значительном удешевлении стоимости ее изготовления.