Многолучевая ТЕМ-рупорная антенна с формированием направления линзой Люнеберга
А.М. Бобрешов, Г.К. Усков,
П.А. Кретов, Н.А. Лысенко, Н.С. Сбитнев
Воронежский государственный университет
(ФГБОУ ВО «ВГУ»), Россия
Предложена многолучевая ТЕМ-рупорная антенна с формированием направления луча. Предложенный подход вместе с конструктивными решениями на основе линзы Люнеберга с осевой симметрией позволили реализовать сканирование луча и управление параметрами диаграммы направленности с помощью одной антенны.
Ключевые слова: сверхширокополосная антенна; ТЕМ-рупор; линза Люнеберга; многолучевая антенна.
A.M. Bobreshov, P.A. Kretov, N.A. Lysenko, N.S. Sbitnev, G.K. Uskov
MULTI-BEAM TEM-HORN ANTENNA WITH LUNEBURG LENS BEAM FORMATION
A multi-beam TEM-horn antenna with beam direction forming is presented. The proposed approach with constructive solutions based on the Luneberg lens with axial symmetry made it possible to realize beam scanning and control parameters of the antenna pattern using a single antenna.
Keywords: ultrawideband antenna, TEM-horn, Luneburg lens; multi-beam antenna.
Введение
ТЕМ-рупоры, как одна из возможных составляющих систем сверхширокополосной связи, получили достаточное широкое распространение. Это вызвано, в первую очередь, простотой их конструкции и удовлетворительными характеристиками направленности и согласования. Применение различных методов, например, использование диэлектрических линз, приводит к дальнейшему улучшению характеристик этих антенн [1-3].
Однако в таких приложениях СШП техники, как радиолокация и др., зачастую требуются не только хорошие свойства направленности, но и управление направлением луча в широком диапазоне углов обзора. Для таких целей чаще всего применяются фазированные антенные решетки (ФАР) или механически поворачиваемые антенны. Такой подход имеет ряд недостатков, к которым относятся, в частности, сложность и высокая стоимость.
Описываемая в данной работе антенна представляет собой комбинацию классического ТЕМ-рупора и линзы Люнеберга, которая позволяет увеличить коэффициент усиления антенны в широком диапазоне направлений и реализовать возможность поворота луча.
Формирования луча заданной направленности
Как уже было сказано выше, во многих областях радиотехники возникает необходимость управления сформированным лучом в широком диапазоне углов, например, при сканировании пространства. В фазированных антенных решетках управление лучом достигается с помощью фазирующих элементов, имеющих известные ограничения по ширине полосы рабочих частот. Кроме того, стоимость изготовления систем управления диаграммой направленности антенных решеток достаточно высока и часто превосходит стоимость самого антенного полотна [4].
Предлагаемый в данной работе способ управления лучом является более простым по исполнению и менее затратным. Он заключается в модификации ТЕМ-рупора таким образом, чтобы возникала возможность изменять направление главного лепестка его диаграммы направленности путем переключения нескольких входов антенны, каждый из которых соответствует конкретному направлению излучения (рисунок 1).
Рис. 1. ТЕМ-рупор с модифицированной системой запитки (вид сверху)
рупорная антенна линза люнеберг
Вместо одного порта к антенне подведен 21 порт, один центральный и по десять с каждой стороны от него. Каждый из них возбуждает ТЕМ волну в симметричной полосковой линии. Для улучшения согласования такие линии передачи соединяется с окружностью радиуса R = 50 мм при помощи экспоненциального перехода, который обеспечивает плавное изменение волнового сопротивления от порта к антенне и позволяет добиться удовлетворительного согласования. Форма лепестков рупора так же была изменена с целью расширения диапазона изменения углов поворота главного лепестка. Внешний контур излучающего элемента представляет собой половину окружности радиуса R' = 200.
При излучении в главном направлении используется центральный (№ 1) порт. Для того чтобы отклонить луч в азимутальной плоскости следует запитать антенну от другого порта, в зависимости от того, в какую сторону и насколько необходим поворот ДН. Для проведения сканирования необходимо запитывать порты по очереди, тем самым, осуществляя вращение луча. В перспективе имеется возможность создания диаграмм направленности заранее заданной сложной формы путем задействования нескольких портов. В данном случае уже будет необходим учет интерференционных свойств излученных сигналов.
Использование линзы Люнеберга для улучшения характеристик антенны
Линза Люнеберга представляет собой сферический или цилиндрический объект, в котором коэффициент преломления не постоянен, а изменяется по определенному закону, т.е. зависит от удаления от центра в сферических линзах или удаления от оси симметрии в цилиндрическиx. Закон изменения коэффициента преломления (1) обычно подбирается так, чтобы параллельные лучи, падающие на линзу, были сфокусированы в одной точке на поверхности этой линзы, а те, что испущены из точки на поверхности, создали бы параллельный пучок. Такую конструкцию предложил впервые математик Рудольф Люнеберг [5,6].
(1)
где r - расстояние от центра симметрии линзы, а - радиус всей линзы.
Линзы Люнеберга позволяют производить сканирование луча практически во всем диапазоне углов при повороте источника электромагнитного излучения. С учетом симметрии линзы возможно одновременное формирование нескольких диаграмм направленности антенны. При этом достигается независимость формирования отдельных лучей, высокое быстродействие сканирования при условии электрического переключения источников и хорошая развязка каналов.
В реальных условиях точная реализация требуемого закона объемного изменения коэффициента преломления n(r) в линзе Люнеберга практически невозможна. Все попытки ее создания сводились к максимальному приближению реальных характеристик к теоретическим, что достигалось различными способами. Наиболее распространенный способ изготовления такой линзы - разбиение объема сферы (или цилиндра) на слои из однородных материалов, диэлектрическая проницаемость которых увеличивается от внешнего радиуса сферы к центру.
Предлагаемый в данной работе метод состоит в дополнении описанного выше ТЕМ-рупора цилиндрической линзой Люнеберга, расположенной у его основания между сферическими пластинами. Возмущения от линий запитки каждого из портов можно в некотором приближении рассматривать как точечные источники на поверхности линзы. Сферический волновой фронт такого источника преобразуется в плоский, перпендикулярный заданному направлению распространения луча. В данной работе была выбрана модель линзы, состоящая из 100 слоев. Данное значение было выбрано как оптимальное, поскольку дальнейшее увеличение числа слоев приводит к значительному увеличению времени моделирования без существенного улучшения свойств системы.
Поскольку радиус линзы Люнеберга был равен 50 мм, толщина каждого слоя составила 0.5 мм. В каждом из них была задана соответствующая диэлектрическая проницаемость, которая, как следует из формулы (1), ступенчато менялась от 1 до 2 по мере движения от периферии линзы к ее центру. Электродинамическая симуляция производилась при помощи метода конечных разностей во временной области (FDTD) [7]. Для симуляции пространства за пределами счетного объема использовались граничные условия типа PML [8].
На входы антенн (с линзой и без) подавался сверхширокополосный гауссовский импульс и моделировалось его излучение. По результатам моделирования отыскивались коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) и диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости на следующем наборе частот: f = 5,10, 15 и 20 ГГц.
Для сравнения были выбраны зависимости, относящиеся к излучению в главном направлении, т. е. с порта № 1, и с порта № 7, которому соответствует отклонение главного лепестка ДН на величину около 50°.
Рис. 2. Диаграммы направленности антенны при излучении в главном направлении (при запитывании с порта № 1) на частотах 5 ГГц (а), 10 ГГц (б), 15 ГГц (в) и 20 ГГц (г)
На рисунке 2 (а - г) представлены диаграммы направленности на частотах 5, 10, 15 и 20 ГГц соответственно при излучении в главном направлении, т.е. с порта № 1. Видно, что на всех рассматриваемых частотах коэффициент усиления в главном направлении испытывает существенный прирост, который достигает максимума на частоте 15 ГГц и превышает 10 дБ. Так же для частот 10 - 20 ГГц после добавления линзы в антенну заметно уменьшение уровня боковых лепестков.
Рис. 3. Диаграммы направленности антенны при излучении в боковом направлении (при запитывании с порта № 7) на частотах 5 ГГц (а), 10 ГГц (б), 15 ГГц (в) и 20 ГГц (г)
Далее в ходе исследований были получены диаграммы направленности при осуществлении запитывания с порта № 7 для того же набора частот. Эти зависимости представлены на рисунке 3 (а - г). Как и при излучении в главном направлении наблюдается характерное сужение и увеличение по амплитуде главного лепестка, повернутого на угол 46°, и достигающее наибольшего значения на частоте 15 ГГц. Кроме того, видно, что величина угла поворота для антенны без линзы не является строго фиксированной, а слабо растет пропорционально частоте. Добавление же линзы Люнеберга приводит к фиксации направления главного лепестка, что, безусловно, является важным фактором при создании антенн со сканирующим лучом.
Для оценки качества согласования линии передачи с антенной был рассчитан коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН), изображенный на рисунке 4. Из графиков видно, что применение линзы Люнеберга в целом не вносит каких либо существенных изменений, КСВН даже незначительно возрастает на частотах более 15 ГГц. В целом же согласование можно считать удовлетворительным в области частот выше 7 ГГц.
Рис. 4. Частотная зависимость коэффициента стоячей волны по напряжению
Заключение
В рамках данной работы была показана возможность изменения положения главного лепестка диаграммы направленности ТЕМ-рупора путем применения особой технологии его запитывания. Так же было предложено использование вкупе с таким рупором линзы Люнеберга, которая улучшила свойства направленности антенны.
Дальнейшее развитие подобной технологии дает возможность создания системы со сканирующим лучом или с диаграммой направленности заранее заданной сложной формы на основе всего лишь одного ТЕМ-рупора, что выглядит чрезвычайно привлекательным с точки зрения простоты и невысокой стоимости такой системы.
Литература
1. Бобрешов А. М. Исследование направленных свойств ТЕМ-рупорной антенны с заполнением пространства раскрыва неоднородным диэлектриком в приближении геометрической оптики. / Бобрешов А. М., Кретов П. А., Лысенко Н. А., Усков Г. К. // 3-я Всероссийская Микроволновая конференция: доклады.-- Москва, 2015.-- С. 191-195.
2. Бобрешов А. М. Влияние неоднородного диэлектрического заполнения на направленные свойства ТЕМ-рупора / Бобрешов А. М., Кретов П. А., Сбитнев Н. С., Усков Г. К. // Радиолокация, навигация, связь: XXII Международная научно-техническая конференция. -- Воронеж, 2016.-- Т. 2. - С. 946-952.
3. Бобрешов А.М. Синтез неоднородной диэлектрической среды для улучшения характеристик ТЕМ-рупора / Бобрешов А. М., Усков Г. К, Кретов П. А., Сбитнев Н. С. // Радиотехника. -- 2016. --№6. -- С. 159-162.
4. Панченко Б. А. Коэффициент направленного действия и усиления линзы Люнеберга / Панченко Б. А., Лебедева Е. В., Екимовских Е. А. // Антенны. - 2011. - № 6. - С. 67-69.
5. R.K. Luneburg The mathematical theory of optics. Providence, RI: Brown Univ. Press, 1944.
6. Зелкин Е.Г., Петрова Р.Л. Линзовые антенны. М., Сов. радио, 1974, 280с.
7. Бобрешов А. М., Кретов П. А., Мещеряков И. И., Усков Г. К. Программа электродинамического моделирования RFDTD-3D: свидетельство 2012660468/ Воронежский государственный университет, -- 2013. (№2012618063; заявл. 26.09.2012; опубл. 21.11.2012).
8. Berenger J.-P. A perfectly matched layer for the absorption of electromagnetic waves / J.-P. Berenger // Journal of Computational Physics. -- 1994. -- Vol. 114. -- P. 185-200.
References
1. Bobreshov А. М. Investigation of the directed properties of the TEM-horn antenna with the filling of the opening space with an inhomogeneous dielectric in the geometric optics approximation. / Bobreshov А. М., Kretov P. А., Lysenko N. А., Uskov G. К. // III Microwave conference, Moscow, 2015.
2. Bobreshov А. М. Influence of inhomogeneous dielectric filling on the directed properties of the TEM-horn / Bobreshov А. М., Kretov P. А., Sbitnev N. S., Uskov G. К.// Radiolocation, navigation, communication: XXII International Scientific and Technical Conference. - Voronezh, 2016, V. 2 - Pp. 946-952
3. Bobreshov А. М. Synthesis of an inhomogeneous dielectric medium for improving the characteristics of a TEM-speaker / Bobreshov А. М., Uskov G. К., Kretov P. А., Sbitnev N. S. // Radio Engineering. - 2016. - № 6. Pp.159 - 162.
4. Panchenko B.A. Directivity and amplification factor of the Luneburg lens / Panchenko B. A., Lebedeva E. V., Ekimovskih E. A. // Antennas. - 2011. - №. 6. - Pp. 67 - 69.
5. R.K. Luneburg The mathematical theory of optics. Providence, RI: Brown Univ. Press, 1944.
6. Zelkin E. G., Petrova R. L Lens antennas. Moscow. - Soviet Radio. - 1974. - 280 p.
7. Bobreshov А. М., Kretov P. А., Mesheryakov I. I., Uskov G. К. The program of electrodynamic modeling RFDTD-3D: certificate 2012660468 / Voronezh State University, - 2013. (№2012618063; published on 26.09.2012; published on 21.11.2012).
8. Berenger J.-P. A perfectly matched layer for the absorption of electromagnetic waves / J.-P. Berenger // Journal of Computational Physics. -- 1994. -- Vol. 114. -- Pp. 185-200.