ЧАСТОТНО-НЕЗАВИСИМАЯ ПЛОСКАЯ ЛИНЗА ЛЮНЕБЕРГА
FREQUENCY-INDEPENDENT FLAT LUNEBURG LENS

Область применения
Изобретение относится к области конструирования направленных антенн, а именно к конструированию устройств для фокусировки при передаче радиоволн сантиметрового и миллиметрового диапазонов.
Уровень техники
Известно, что для обеспечения передачи радиоволн одновременно в нескольких направлениях могут использоваться устройства для фокусировки типа "линза Люнеберга" (линза Люнеберга), представляющие собой сферическую либо цилиндрическую линзы из диэлектрика, в которых диэлектрическая проницаемость е является переменной и изменяется последующему закону [М.С. Жук, Ю.Б. Молочков, Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств, - М: Энергия, 1973, с. 57]:
где ε - диэлектрическая проницаемость используемого материала; R - радиус цилиндра; r - радиальная координата, отсчитываемая от геометрического центра линзы.
Линза Люнеберга позволяет осуществлять широкоугольное сканирование, путем перемещения облучателя вдоль ее поверхности; позволяет сформировать несколько независимых диаграмм направленности одновременно при использовании нескольких облучателей, чем объясняется большой интерес, который проявляется к линзам данного типа. Однако, несмотря на то, что линзы из неоднородного диэлектрика известны давно, изготовление сферических и цилиндрических линз, наталкивается на серьезные технологические трудности, и часто затраты на производство слишком высоки, чтобы иметь широкое применение в радиотехнических системах.
Известна линза Люнеберга [Патент РФ №2485646, H01Q 15/02, 20.06.2013], содержащая набор параллельных круглых осесимметричных диэлектрических элементов переменной толщины и диаметра, что соответствует распределению эффективной диэлектрической проницаемости внутри набора элементов, как в линзе Люнеберга сферического типа.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого устройства по технической сущности является цилиндрическая линза Люнеберга [Патент РФ №2504056, H01Q 15/08, H01Q 19/08, 10.01.2014], включающая в свой состав набор М диэлектрических плоских N - лепестковых элементов одинакового радиуса и изготовленных из одинакового диэлектрического материала, повернутых относительно друг друга.
Недостатком указанных устройств является малый коэффициент перекрытия рабочего диапазона частот (не более 2) [А.А. Филонов, А.Н. Фомин, Д.Д. Дмитриев. Устройства СВЧ и антенны. - М.: ИНФРА-М, 2017, с. 180], что накладывает определенные ограничения на применения линзы Люнеберга в радиотехнических системах.
Цель изобретения - создание плоской линзы Люнеберга с коэффициентом перекрытия рабочего диапазона частот более пяти (частотно-независимой), реализованной в виде N набора радиально ориентированных диэлектрических лепестков.
Сущность изобретения
Техническим результатом изобретения является создание плоской линзы Люнеберга с коэффициентом перекрытия рабочего диапазона частот более пяти, т.е. частотно-независимой, реализованной в виде N набора радиально ориентированных диэлектрических лепестков, размещенных между металлическими подложками.
Технический результат достигается тем, что плоская линза Люнеберга включает в свой состав шаговый двигатель, который перемещает верхнюю металлическую подложку в соответствии с управляющим сигналом от управляющего блока, что позволяет изменять диапазон рабочих частот линзы Люнеберга и таким образом повысить коэффициент перекрытия рабочего диапазона частот.
На фиг. 1 представлен общий вид частотно-независимой плоской линзы Люнеберга, реализованной в виде набора радиально ориентированных диэлектрических лепестков.
В предлагаемой плоской линзе Люнеберга радиус металлической подложки рассчитываются по формуле:
где R - радиус металлической подложки; X - длина волны; θ - ширина главного лепестка диаграммы направленности (ДН). Расстояние между металлическими подложками и высота диэлектрического лепестка рассчитываются по формуле:
где S - расстояние между металлическими подложками.
Для того чтобы диэлектрическая проницаемость е плоской линзы Люнеберга уменьшалась в радиальном направлении, необходима радиальная ориентация относительно центральной оси линзы Люнеберга.
Для реализации необходимого закона изменения эффективной диэлектрической проницаемости материала диаграммообразующей схемы (ДОС) линзы Люнеберга, следует рассчитывать толщину диэлектрической лепестка по следующей формуле:
где t - толщина диэлектрического лепестка; N - количество лепестков ДОС.
На фиг. 2 представлена функциональная схема частотно-независимой плоской линзы Люнеберга.
Плоская линза Люнеберга, реализована в виде набора N радиально ориентированных диэлектрических лепестков, размещенных между металлическими подложками. Верхняя подложка соединена с шаговым двигателем и имеет отверстия, соответствующие диэлектрическим лепесткам, что обеспечивает ее подвижность.
Шаговый двигатель предназначен для изменения расстояния между металлическими подложками, путем перемещения верхней подложки, соединенной с шаговым двигателем диэлектрическим стержнем. В качестве шагового двигателя может быть выбран шаговый электродвигатель серии «NEMA».
Блок управления предназначен для формирования управляющего сигнала для шагового двигателя, в соответствии с текущим значением рабочего диапазона частот. Блок управления может быть реализован на основе микроконтроллера, например, серии «ATmega».
Облучатель предназначен для формирования электромагнитного поля необходимой ширины и формы в диапазоне рабочих частот, заданном оператором в блоке управления.
Частотно-независимая линза Люнеберга работает следующим образом.
Электромагнитное поле, формируемое облучателем, попадает на поверхность частотно-независимой плоской линзы Люнеберга, реализованной в виде набора радиально ориентированных диэлектрических лепестков. Проходя через плоскую линзу, электромагнитное поле начинает распространяться в соответствии с характеристиками линзы Люнеберга.
При изменении частоты излучения, в блоке управления формируется соответствующий управляющий сигнал. Шаговый двигатель, согласно управляющему сигналу, изменяет расстояние между металлическими подложками до необходимого значения путем перемещения верхней подложки, соединенной с шаговым двигателем диэлектрическим стрежнем, что обеспечивает повышение коэффициента перекрытия рабочего диапазона частот и является новым существенным признаком изобретения.
Для оценки коэффициента перекрытия рабочего диапазона частот предложенной плоской линзы Люнеберга, было проведено имитационное моделирование средствами специализированного программного обеспечения «ANSYS HFSS». Средствами данного программного обеспечения была промоделирована работа плоской линзы Люнеберга с шестью монолитными лепестковыми элементами одинакового радиуса R=234,5 мм и высотой S=82 мм (фиг. 2). Материал диэлектрика - фторопласт (ε=2.3). Металлические подложки, изготовленные из алюминия, имели радиус R=235 мм и толщину δ=2 мм. Материал стержня, обеспечивающий перемещение верхней металлической подложки, был выполнен из фторопласта.
В процессе моделирования был измерен коэффициент стоячей волны данной линзы Люнеберга, с учетом изменения расстояния между металлическими подложками в соответствии с текущим рабочим диапазоном частот облучателя, в качестве которого была выбрана рупорная антенна.
Расчет коэффициента перекрытия рабочего диапазона частот предложенной линзы Люнеберга был проведен на основе анализа полученных результатов значений коэффициента стоячей волны [А.А. Филонов, А.Н. Фомин, Д.Д. Дмитриев. Устройства СВЧ и антенны. - М.: ИНФРА-М, 2017] согласно выражению:
min
max
Согласно полученному графику (фиг. 3) значение коэффициента перекрытия рабочего диапазона частот составило не менее 15 (F ≈ 1, F ≈ 15).
Таким образом, за счет изменения расстояния между металлическими подложками плоской линзы Люнеберга в зависимости от текущего диапазона рабочих частот, было достигнуто значительное увеличение значения коэффициента перекрытия рабочего диапазона частот (не менее 15), следовательно, плоскую линзу Люнеберга можно отнести к классу частотно-независимых.
Сравнение предложенной частотно-независимой плоской линзы Люнеберга с прототипом и аналогами позволяет сделать вывод, что оно соответствует критерию новизны и обладает существенным отличием. Положительный эффект достигается за счет изменения расстояния между металлическими подложками посредством работы шагового двигателя, что обеспечивает возможность достижения коэффициента перекрытия по частоте более пяти, при использовании предложенной плоской линзой Люнеберга.
На основании приведенного описания частотно-независимая плоская линза Люнеберга может быть изготовлена из известных комплектующих и использована по своему функциональному назначению. Таким образом, предлагаемая плоская линза Люнеберга соответствует критерию изобретения «применимость».