Радиотехника и электроника, 2019, T. 64, № 3, стр. 246-251

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Полноразмерная линза Люнебурга (ЛЛ) представляет собой сферическое тело с меняющимся по радиусу r коэффициентом преломления по закону

где $a$ – радиус сферы, r – текущая радиальная координата [1]. Полноразмерная линза имеет две фокальные точки: F1 – на освещенной поверхности (в месте расположения первичного облучателя антенны) и F2 – на теневой стороне линзы на бесконечном удалении. Вблизи точки F2 формируется диаграмма направленности антенны. Основными недостатками линзовой антенны являются габариты и масса, которая определяется материалом линзы. Этот недостаток можно частично устранить, отбрасывая теневую половину линзы и заменяя ее плоским экраном. В этом случае вторая фокальная точка F2 оказывается на освещенной стороне линзы, и лучи первичного источника проходят дважды тело линзы, вследствие чего антенна теряет геометрическую симметрию (рис. 1). В этом случае диаграмма направленности ориентирована в сторону расположения первичного источника (обратное излучение). При такой модификации линзы решение задачи расчета существенно усложняется, так как для линзы в форме полусферы не может быть записана в замкнутой форме функция Грина и задача решается численно методом конечных элементов в программном пакете ANSYS HFSS [2, 3]. Следует отметить, что идея реализации многолучевого режима работы антенной системы на базе ЛЛ не нова. Различные антенные системы, работающие в режиме формирования луча заданной формы в зависимости от положения первичного облучателя на поверхности линзы, исследовались и ранее [4–6].

В данной статье рассматривается работа линзы Люнебурга с фокусом на поверхности в режиме антенны. Данная реализация антенны на базе полусферической ЛЛ приведена в [7], однако в ней не было исследовано влияние размеров и положение металлического экрана на форму диаграммы направленности в режиме сканирования.

2. СХЕМА АНТЕННЫ И ЕЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

На рис. 1 представлена схема антенны на базе модифицированной линзы и прохождение лучей через нее.

В качестве первичного облучателя при расчете характеристик антенны используется волновод с квадратным излучающим раскрывом, с волной типа H₁₀. На рис. 2 в качестве примера для последующих сравнений приведена рассчитанная диаграмма направленности (ДН) для полной сферической ЛЛ электрического радиуса ${{k}_{0}}a = 6\pi ,$ где ${{k}_{0}} = {{2\pi } \mathord{\left/ {\vphantom {{2\pi } \lambda }} \right. \kern-0em} \lambda }$ – волновое число, $\lambda $ – основная длина волны рабочего диапазона. Расчетный вариант ЛЛ имеет шестислойную оптимизированную аппроксимацию [4, 8].

Отметим, что основным параметром, определяющим направленность антенны, является электрический радиус сферы ${{k}_{0}}a.$ На рис. 3 приведена серия диаграмм направленности полусферической антенны на основе ЛЛ при изменении диаметра металлического экрана с тыльной стороны линзы $d = \left[ {2a,2.5a,3.5a,4a} \right],$ $t = 0.$ При этом первичный облучатель был расположен вдоль оси z (${{\theta }_{0}} = 0,$ где ${{\theta }_{0}}$ – угловое положение первичного облучателя).

Сравнение результатов расчетов для полной и модифицированной линзы показывает, что для полусферической линзы ширина диаграммы направленности несколько увеличивается, а уровень боковых лепестков зависит от d и также несколько увеличивается. При этом увеличение размеров экрана по сравнению с радиусом линзы $\left( {d > 2a} \right)$ приводит к увеличению габаритов антенны и влияет на уровень заднего лепестка, но реализация такой системы является нецелесообразной.

В табл. 1 приведены данные о влиянии ${{k}_{0}}a$ на основные антенные характеристики полусферической линзы с диаметром экрана $d = 2a,$ $t = 0\,:$ ширину диаграммы направленности $\Delta \theta ,$ уровень первого бокового лепестка (УПБЛ) и коэффициент направленного действия (КНД).

Основными параметрами, на которые влияют габариты линзы, являются ширина диаграммы направленности и КНД.

3. АНТЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛИНЗЫ ПРИ СКАНИРОВАНИИ

Сканирование луча антенны производится путем перемещения облучателя (траектория движения a–b на рис. 1) по поверхности освещенной части линзы, т.е. фактически в каждом из вариантов облучатель находится в фокальной точке. Вследствие асимметричности конструкции из-за наличия экрана антенны сканирование луча сопровождается изменением его формы по сравнению с центральным положением излучателя $\left( {{{\theta }_{0}} = 0} \right).$ На рис. 4 для примера приведена диаграмма направленности антенны для угла сканирования ${{\theta }_{0}} = 40\,\deg .$

Основные характеристики антенны для разных ${{k}_{0}}a$ и ${{\theta }_{0}} = 40\,\deg $ в режиме сканирования приведены в табл. 2.

Увеличение угла сканирования ${{\theta }_{0}} = 0$ приводит к смещению максимума излучения и изменению формы ДН. На рис. 5 для ${{k}_{0}}a = 6\pi $ показана серия диаграмм направленности при изменении угла сканирования.

Для углов сканирования θ₀ ≥ 80 deg ДН становится существенно асимметричной, теряет однолепестковый характер и может быть использована в радиолокации для синтеза специальных диаграммы типа $\csc \alpha ,\,{{\left( {\csc \alpha } \right)}^{2}}$ [9].

4. УПРАВЛЕНИЕ УРОВНЕМ БОКОВЫХ ЛЕПЕСТКОВ

Уровень боковых лепестков является одним из основных характеристик антенны и задается, как правило, в техническом задании при проектировании антенной системы. Уровень первого и второго боковых лепестков диаграммы направленности определяется характеристиками и размерами первичного облучателя, зависит от уровня облучения края линзы (spillover), от размеров линзы ${{k}_{0}}a$ и размеров и положения экрана.

В табл. 3 приведены характеристики ДН в зависимости от радиуса экрана. Помимо уровня первых боковых лепестков и ширины ДН, в таблице отражены такие параметры как максимальное значение бокового излучения в противоположной вертикальной плоскости ${{E}_{m}},$ а также угол, при котором наблюдается это боковое излучение – ${{\theta }_{{{{E}_{m}}}}}.$ Для наглядности на рис. 6 приведены ДН для двух размеров экрана. Отметим, что при увеличении радиуса экрана, происходит существенное снижение уровня бокового излучения в правое полупространство E_m и незначительное уменьшение уровня боковых лепестков. Увеличение диаметра экрана оказывает незначительное влияние на ширину и форму основного лепестка диаграммы в режиме сканирования.

На рис. 7 изображены графики зависимости коэффициента направленного действия G от угла сканирования. Можно отметить, что при достаточно большом размере экрана $\left( {d \geqslant 3a} \right)$ КНД остается достаточно стабильным вплоть до 60 град. При меньшем диаметре экрана, соизмеримым с размером линзы (d ≈ 2a), при увеличении угла сканирования происходит непрерывное снижение КНД.

В предложенной конструкции может возникать излучение в горизонтальную плоскость под экраном. Физически задний лепесток является результатом интерференции волн, просочившихся с тыльной стороны линзы и волн, отраженных от среза линзы и экрана. Регулируя зазор между телом полусферической линзы и металлическим экраном, можно добиться требуемого уровня заднего излучения в соответствии с техническим заданием. На рис. 8 показаны зависимости уровня заднего лепестка от величины зазора $t = \left( {0...0.5} \right)\lambda .$

ВЫВОДЫ

Полусферическая конструкция линзы Люнебурга может быть использована в режиме сканирования. Размеры и положение экрана оказывают влияние на форму диаграммы направленности при сканировании. Рассматриваемая конструкция позволяет формировать диаграммы направленности специального типа. Габаритными размерами и положением экрана можно регулировать основные характеристики диаграммы направленности в определенных приделах: уровни бокового излучения, ширину диаграммы направленности и коэффициент направленного действия.