ВВЕДЕНИЕ 4
1 ПРОБЛЕМЫ КОНСТРУКЦИИ. СТРАТИФИКАЦИЯ ЛИНЗЫ 7
2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ИМИТАЦИИ СЛОИСТОЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ
ЛИНЗЫ ЛЮНЕБЕРГА ИЗ ОДНОРОДНОГО ДИЭЛЕКТРИКА 14
2.1 Принципы имитации слоя линзы Люнеберга с заданной диэлектрической
проницаемостью 14
2.2 Модели цилиндрической линзы Люнеберга с имитацией слоистой
структуры 17
2.3 Модель трехлучевой цилиндрической линзы Люнеберга на основе
имитирующей структуры 25
2.4 Определение оптимальной высоты цилиндрической линзы с экранами на
торцах 29
3 ВЫБОР МАТЕРИАЛА И СПОСОБА ИЗГОТОВЛЕНИЯ 31
4 НОВЫЙ ЗАКОН ИЗМЕНЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПРЕЛОМЛЕНИЯ.
ИЗМЕНЕНИЕ ТОЧКИ ФОКУСА 34
5 ПОЛУЧЕНИЕ АППРОКСИМИРУЮЩЕЙ ФУНКЦИИ. ФИНАЛЬНАЯ
КОНСТРУКЦИЯ ЛИНЗЫ ЛЮНЕБЕРГА 38
6 МАКЕТИРОВАНИЕ 46
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 50
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 51
В настоящее время в радиолокационных и телекоммуникационных комплексах все чаще применяются многолучевые и сканирующие антенные системы, позволяющие расширить возможности существующих систем и являются важной часть разрабатываемых телекоммуникационных систем нового поколения. Чаще всего такие системы создаются на основе фазированных антенных решеток (ФАР). Основным элементом, с помощью которого осуществляется управление ФАР, является диаграммообразующая схема (ДОС), она же является самым сложным и громоздким элементом такой системы. Один из важнейших недостатков таких антенных систем заключается в искажениях диаграммы направленности (ДН) при больших углах сканирования, связанных с расширением главного лепестка ДН, уменьшением коэффициента усиления, ростом уровня боковых лепестков (УБЛ) [1]. Кроме того, в большинстве случаев к недостаткам ФАР относят громоздкую и дорогостоящую ДОС. Антенную систему, не имеющую таких проблем, и имеющую более простую схему управления лучами, можно построить на основе линзы Люнеберга [2, 3]. Линзовые антенны из неоднородного диэлектрика известны достаточно давно и были достаточно подробно описаны в [4].
Тип диаграммы направленности, получаемый при использовании линзы Люнеберга, зависит от ее геометрии: у сферической линзы это игольчатая ДН, у цилиндрической - веерная. Эффект концентрации поля линзой Люне- берга наблюдается при определенном законе изменения коэффициента преломления в радиальном направлении, который в свою очередь связан с диэлектрической проницаемостью материала. Данный закон был описан математиком Рудольфом Карлом Люнебергом еще в 1944 году [5]. Чаще всего плавный закон изменения диэлектрической проницаемости заменяют ступенчатым, следовательно, неоднородную структуру на слоистую. Создание таких линзовых антенн сталкивается с рядом проблем, связанных с получением материалов с необходимым значением диэлектрической проницаемости и поиском оптимального способа стратификации линзы. Интерес к такого рода линзовым антеннам снова возрос с развитием технологий по получению диэлектриков с требуемыми параметрами и развитием пакетов электромагнитного моделирования, позволяющих исследовать сложные конструкции с различными параметрами. Так, например, значение диэлектрической проницаемости материала может меняться за счет введения в однородный материал разного рода добавок, неоднородностей, вкраплений металла [6, 7, 8].
В общем виде решение задачи проектирования структур, ведущих себя как линза Люнеберга, можно разделить на несколько направлений:
а) проектирование сферических линз Люнеберга из вспененных диэлектриков, сложных структур с частичным заполнением воздухом, применение специальных материалов и конструкций. Описанные варианты проиллюстрированы в [9, 10, 11];
б) проектирование цилиндрических планарных линз Люнеберга. Различные конструкции, в которых добиваются получения схожего изменения фазы волны, проходящей через такую структуру [12, 13, 14]. Данные цилиндрические линзы имеют высоту меньше длины волны на центральной частоте;
в) проектирование сложных структур с применением металла , изменяющих фазовую скорость волны, проходящей через них [15, 16];
г) проектирование полноразмерных цилиндрических линз Люнеберга, изготовленных из диэлектрика [16, 17, 18].
В основе всех этих способов лежит один принцип - это изменение фазовой скорости фронта волны, проходящей через эти структуры таким же образом как будто волна проходит через однородную линзу Люнеберга.
В данной работе рассматривается вопрос проектирования полноразмерной цилиндрической линзы Люнеберга. Интерес к созданию большой цилиндрической линзы Люнеберга связан с перспективами использования такого рода антенн в системах связи нового поколения в качестве альтернативы существующим антеннам базовых станций. А создание большой объемной цилиндрической линзы позволит формировать на ее основе сканирующие и многолучевые антенные системы.
В ходе выполнения магистерской диссертации:
а) было исследовано несколько способов имитации структуры линзы Люнеберга. Показана работоспособность моделей таких линзовых антенн, найдены недостатки конструкций и ограничения на их использования;
б) было рассмотрено два закона изменения коэффициента преломления (1) и (2), а также получены радиальные структуры линз из шести слоев для каждого из рассмотренных законов;
в) был выбран в качестве материала изготовления пластик, а способа изготовления 3-0 печать;
г) получена универсальная аппроксимирующая функция, позволившая получить плавный закон изменения эффективной диэлектрической проницаемости;
д) была смоделирована и оптимизирована конструкция линзы по аппроксимирующей функции.
В таблице 7 представлены результаты моделирования шестислойной цилиндрической линзы Люнеберга с смещенной точкой фокуса внутрь и результаты для линзы полученной по аппроксимирующей функции после оптимизации...
