Антенные и дифракционные характеристики линз Люнеберга при облучении полем круговой поляризации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.07, кандидат технических наук Денисов, Дмитрий Вадимович

  • Денисов, Дмитрий Вадимович
  • кандидат технических науккандидат технических наук
  • 2015, ЕкатеринбургЕкатеринбург
  • Специальность ВАК РФ05.12.07
  • Количество страниц 184
Денисов, Дмитрий Вадимович. Антенные и дифракционные характеристики линз Люнеберга при облучении полем круговой поляризации: дис. кандидат технических наук: 05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства и их технологии. Екатеринбург. 2015. 184 с.

Оглавление диссертации кандидат технических наук Денисов, Дмитрий Вадимович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 ОБОСНОВАНИЕ ТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Использование линз Люнеберга в технике

1.2 Историческая справка. Обзор публикаций по теме исследования

2 ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

СТРАТИФИЦИРОВАННОЙ МОДЕЛИ ЛИНЗЫ ЛЮНЕБЕРГА

Введение

2.1 Определение тензоров Грина

2.2 Тензоры Грина для составных сферических областей

2.3 Источники поля круговой поляризации

2.4 Геометро - оптическое приближение профиля линзы Люнеберга

2.5 Многослойная модель линзы. Способы аппроксимации

2.6 Дифракционная задача

2.7 Антенная задача

2.8 Сходимость рядов по угломестным гармоникам

Выводы

3 ДИФРАКЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ КРУГОВОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ НА МНОГОСЛОЙНОЙ ЛИНЗЕ ЛЮНЕБЕРГА

Введение

3.1 Расчет диаграмм рассеяния линзы Люнеберга

3.2 Энергетические характеристики линзы Люнеберга

3.3 Омические потери в материале линзы Люнеберга

Выводы

4 АНТЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛИНЗЫ ЛЮНЕБЕРГА

Введение

4.1 Расчет антенных характеристик линзы Люнеберга

4.2 Электрические характеристики линзы Люнеберга при облучении крестообразным вибратором с рефлектором

4.3 Электрические характеристики линзы Люнеберга при облучении апертурным излучателем

4.4 Влияние уровня стратификации линзы Люнеберга на ее антенные характеристики

4.5 Сравнение результатов решения антенной задача с данными других авторов.

Моделирование линзы Люнеберга в программном пакете Аг^уБ НРББ

Выводы

5 ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДА ТЕНЗОРНЫХ ФУНКЦИЙ ГРИНА ДЛЯ СФЕРИЧЕСКИХ СЛОИСТЫХ ОБЛАСТЕЙ

Введение

5.1 Сходимость метода функций Грина для многослойных областей на примере задачи электромагнитной дифракции на проводящей сфере

5.2 Дифракция электромагнитной волны на проводящей сфере с диэлектрической оболочкой. Роль поверхностных волн. Сравнение методов

5.3 Электромагнитное поле в ближней зоне антенны Люнеберга

Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Антенны, СВЧ устройства и их технологии», 05.12.07 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Антенные и дифракционные характеристики линз Люнеберга при облучении полем круговой поляризации»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Отметим некоторые возможности применения линз Люнеберга в современной технике. Высоконаправленные антенны широко применяются в радиолокации, радионавигации, радиоастрономии, радиопротиводействии, в системах наземной и космической связи. Распространенными типами высоконаправленных антенн являются зеркальные, фазированные антенные решетки, а также плоские линзовые антенны (ускоряющие и замедляющие) [1-14]. Высокой направленностью обладают и антенны на основе поверхностных гребенчатых структур (разновидность антенн вытекающей волны) [15]. При технической реализации высоконаправленных антенн часто необходимо иметь систему управления лучом в широком диапазоне углов обзора. Управление лучом, как правило, осуществляется путем механического поворота антенной системы (зеркальные антенны), путем управления амплитудно-фазовым распределением поля по раскрыву облучателя (гибридные зеркальные антенны), либо путем электрического управления лучом (антенные решетки). Такие методы управления существенно усложняют конструкцию антенной системы. Не всегда являются приемлемым решением в связи с кинематическими свойствами конструкции. Так же для антенн высокой направленности проблемными являются вопросы выбора ширины полосы рабочих частот и защиты антенной системы от внешних воздействий. Более эффективными в эксплуатации являются антенны типа ФАР, в которых управление лучом осуществляется с помощью диаграмма образующей системы (ДОС). Такие антенны имеют ограничения по используемой ширине рабочих частот и диапазону углов сканирования, кроме того, затраты на проектирование таких антенн часто превосходят стоимость их непосредственного изготовления.

Антенны, построенные на базе диэлектрической линзы Люнеберга (ЛЛ), свободны от вышеотмеченных недостатков. Работу ЛЛ впервые описал математик Рудольф Карл Люнеберг. В работе "Математическая теория оптики" [16] он показал, что сферическое тело, возбуждаемое в какой-либо точке на поверхности,

преломляет проходящие через него лучи таким образом, что они выходят из сферы параллельно своему диаметру и образуют на теневой стороне линзы эквивалентную апертуру. При этом коэффициент преломления материала линзовой сферы должен удовлетворять условию:

где £ (г) - относительная диэлектрическая проницаемость материала линзы в точке г;

г - текущая радиальная координата; а - радиус сферы.

Таким образом, создается возможность преобразования слабонаправленной диаграммы направленности антенны первичного облучателя в узкую. Схема прохождения лучей через линзу показана на рисунке В.1 [17].

Антенна на базе линзы Люнеберга обладает рядом полезных свойств для радиолокации: во-первых, такая антенна позволяет осуществлять сканирование лучей практически в любом диапазоне углов; во-вторых, в силу своей сферически-симметричной конструкции, линза способна формировать несколько независимых диаграмм направленности одновременно. Это позволяет обеспечить наилучшую развязку каналов. К тому же линзовые антенны по своей конструктивной

(В.1)

Облуч (РУГ

Рисунок В.1 - Схема прохождения лучей через линзу Люнеберга.

особенности эргономичны и имеют малое аэродинамическое сопротивление (например, ветровым нагрузкам). Так же линза может работать в режиме удаленного облучателя. В этом случае задача является дифракционной. Совмещение этого режима работы с антенным позволяет решать задачу отражения от местных предметов, или организованных помех.

Для технической реализации линзовой антенны, точно реализовать требуемый закон изменения коэффициента преломления п(г) на сегодняшний день крайне сложно. Поэтому наиболее оптимальный способ изготовления линзы - это ее разбиение на сферические слои из материала с различными электрофизическими параметрами, причем диэлектрическая проницаемость линзы должна приближаться к условиям закона Люнеберга В.1.

Описание возможностей Линзы Люнеберга существенно опередило технологические возможности изготовления таких антенн, поэтому долгое время данное направление мало развивалось. Однако, в последние 10-15 лет в связи с прогрессом в области технологий производства компонентов линзовых антенн появилась возможность их технической реализации. В последние годы разработаны методы управления параметрами слоев линзы путем введения в основной материал (состоящий из композитных, углепластиковых и кремнийорганических соединений) различных добавок (металлических вкраплений и разнообразных неоднородностей). Основной материал линзы представляет собой диэлектрик, стабильный в используемом диапазоне частот, и имеющий низкие омические потери [18 - 24].

Наряду с основными особенностями использования линзы можно указать недостатки такой антенны, связанные со сложностью ее реализации. К ним относятся: сложная технология изготовления многослойных линз в связи с малым диапазоном изменения диэлектрической проницаемости при переходе от слоя к слою ( б ' меняется от 2 в центре сферы до 1 на поверхности), а также значительный вес такой конструкции при использовании традиционных диэлектриков.

Линза Люнеберга может эффективно применяться в радиолокации и радиосвязи с использованием радиоволн круговой поляризации, которые удобны тем, что организация связи возможна с неориентированными объектами, поляризационные характеристики которых неизвестны. Особенно это актуально ввиду симметричной конструкции линзы. Кроме того, антенные системы с круговой поляризацией обладают повышенной помехозащищенностью в условиях дождя и тумана. Применение круговой поляризации является эффективным средством для подавления мешающих отражений и распространения сигнала при отсутствии прямой видимости. В реальных условиях системы MIMO имеют более высокую развязку каналов именно при использовании круговой поляризации, следовательно, и более высокую скорость и стабильность передачи данных. Таким образом, применение на практике круговой поляризации позволяет работать устройствам с меньшим количеством ошибок при передаче сигнала, и при его детектировании в общем электромагнитном потоке.

В настоящее время в развитых странах мира ведутся различные исследования и выполняются разработки антенных систем на базе линз Люнеберга. Несколько удачных конструкций таких антенн используются в США для военных целей (в системах радиопротиводействия) и Франции для организации космической связи (на космодроме Куру) [25 - 32]. Некоторые практические применения антенн на базе линзы Люнеберга указаны в параграфе 1.1.

Линзовая антенна является сложной конструктивной системой со слоистыми структурами. При расчетах многослойных структур стандартными методами, например, методом конечных разностей и т.д., требуются большие затраты машинного времени и вычислительные мощности. Для некоторых объектов, например, сферических тел с координатными слоями диэлектрика, возможно построение функций Грина для всего объема. Это существенно сокращает затраты машинного времени на расчеты, и позволяет записать в достаточно простом виде алгоритмы расчета основных характеристик линзы. При этом расчетные формулы имеют вид сложных цепных дробей и хорошо алгоритмизируются при

использовании ЭВМ [33, 34]. В диссертационной работе мы используем именно этот подход.

Минимизация затрат машинного времени на расчет антенной системы особенно актуальна в настоящее время, когда этап проектирования и расчета является наиболее важным при внедрении устройств нового типа, и составляет большую часть времени при разработке. Использованная при решении задачи стратификация тела линзы позволяет непосредственно выйти на практическую реализацию антенны в виде многослойной сферической структуры.

Цель диссертации.

Разработка алгоритма расчета электромагнитных полей в ближней и дальней зонах многослойной линзы Люнеберга, при облучении волной круговой поляризации первичного поля, с использованием математического аппарата тензорных функций Грина.

Метод решения.

Используется электродинамический метод решения задачи электромагнитного возбуждения стратифицированной линзы электромагнитной волной круговой поляризации. Наиболее экономным и универсальным является метод тензорных функций Грина, который позволяет записать решения для электромагнитных полей в ближней и дальней зонах для произвольного числа слоев и типа материала. Использование метода иллюстрируется на двух типах задач - дифракционной и антенной для набора первичных облучателей.

Научная новизна.

Заключается в разработке новой методики расчета антенных и дифракционных характеристик многослойной линзы Люнеберга, облучаемой волной круговой поляризации. На основании использования единого представления тензоров Грина для произвольного количества слоев и размеров структуры, метод является наиболее экономным по затратам машинного времени и допускает простую алгоритмизацию численных расчетов и аналитическую запись необходимых расчетных формул.

Обоснованность и достоверность.

Представленные в диссертации положения и выводы подтверждаются строгой электродинамической постановкой решения задачи электромагнитного возбуждения. Правильность аналитических и численных решений проверялась на сходимость с рядом частных случаев, а также с результатами более ранних исследований, полученных другими авторами для частных случаев задачи.

Практическая значимость.

Заключается в получении достоверных численных результатов для основных характеристик ЛЛ в режиме дифракции и в антенном режиме. Определение антенных и дифракционных характеристик предшествует экспериментальному изготовлению антенной системы и существенно сокращает общее время ее производства. Опробованы несколько типов аппроксимации. Даны рекомендации по практическому выбору размеров линзы в долях длин волн, определению ее количества слоев, использованию типа первичного облучателя для достижения наилучших характеристик линзовой антенны, функционирующей в режиме круговой поляризации. Предложенная методика расчета требует малых вычислительных мощностей и позволяет произвести подбор параметров линзы при практической реализации в режиме реального времени.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методика расчета характеристик излучения и переизлучения линзы Люнеберга, работающей в режиме круговой поляризации, методом тензорных функций Грина (ТФГ).

2. Постановка и результаты электродинамического решения задачи дифракции электромагнитной волны круговой поляризации на многослойной линзе Люнеберга.

3. Постановка электродинамического решения антенной задачи возбуждения линзы первичными источниками поля круговой поляризации. Результаты расчета антенных характеристик.

4. Результаты решения антенной задачи возбуждения линзы Люнеберга апертурными облучателями и крестообразными вибраторами с рефлекторами,

формирующими поле круговой поляризации. Требования к поляризационным характеристикам первичных облучателей.

Апробация материалов и результатов исследования. По результатам диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 4 опубликованы в изданиях, включенных ВАК в перечень российских рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук.

Материалы диссертации обсуждались на конференциях различного уровня:

1. VIII Международная отраслевая научно - техническая конференция "Технологии информационного общества". Доклад: Панченко Б.А., Денисов Д.В., Конюхов A.C., Григорьева М.А., "Характеристики антенны на базе многослойной линзы Люнеберга", г. Москва, 20 - 21 февраля 2014 г.

2. Международная научно-практическая конференция "ИНФОКОМ-2014" Доклад: Панченко Б.А. Денисов Д.В. Мохова В.В., "Математическое моделирование антенны на базе линзы Люнеберга при круговой поляризации поля", г. Ростов-на-Дону, апрель 2014 г.

3. Международная научно - практическая Интернет — конференция. "Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития 2013". Доклад: Денисов Д.В. Панченко Б.А., "Облучение линзы Люнеберга Источниками поля круговой поляризации", Украина, г. Одесса. 3-15 октября 2013 г.

4. Международная научно-практическая конференция "ИНФОКОМ-2013". Доклад: Денисов Д.В., "Поляризационная эффективность излучения крестообразных вибраторов", г. Ростов-на-Дону, апрель 2013 г.

5. Международная научно-практическая конференция "ИНФОКОМ-2014". Доклад: Денисов Д.В, "Использование Линзы Люнеберга для повышения эффективности передачи данных в сетях подвижной связи 4G", г. Ростов-на-Дону, апрель, 2013.

6. Межвузовский научный семинар "Информационные технологии и когнитивная электросвязь". Доклад: Денисов Д.В., "Разработка GUI Matlab для

расчета параметров антенны на базе линзы Люнеберга в режиме круговой поляризации", г. Екатеринбург, апрель 2014 г.

1 ОБОСНОВАНИЕ ТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Использование линз Люнеберга в технике

Отметим некоторые примеры использования готовых антенн на базе линзы Люнеберга в технике и научных исследованиях. Как уже отмечалось, линзы являются перспективным типом направленного излучателя, который с успехом используется в радиолокации, наземной и космической связи. Основным их преимуществом является возможность широкоугольного сканирования, и одновременного формирования нескольких лучей. ЛЛ способны формировать узкий луч диаграммы направленности наравне с параболическими зеркальными антеннами.

Часть поверхности линзы может быть покрыта токопроводящим материалом. В этом случае ЛЛ может быть использована как переоблучатель или мишень. Благодаря этому линза используется для имитации эффективной площади рассеяния реальных целей с большими размерами, например, боевых самолетов [35].

Изготовление линзы с переменным коэффициентом преломления является технически сложной задачей. Линза может быть изготовлена из слоев искусственного диэлектрика, содержащего неоднородности, а также состоять из дискретных элементов с различными коэффициентами преломления [36]. При изготовлении может использоваться пенистый полистирол переменной плотности. Помимо этого, распространены конструктивные модификации линзы, состоящие из концентрических слоев [20-24].

Приведем несколько примеров технической реализации линзы Люнеберга. На рисунке 1.1 представлена конструктивная реализация многослойных ЛЛ в виде полусфер различного радиуса из натурального пенистого диэлектрика (а), и пенистого полистирола (б) [24].

а) б)

Рисунок 1.1 - Конструктивные реализации многослойных ЛЛ.

При использовании искусственного диэлектрика при изготовлении линзы, возможно внесение неоднородностей различного размера и формы в диэлектрический материал, из которого состоит тело линзы, или, наоборот, образование проницаемых отверстий и щелей [19, 37]. Кроме того, тело линзы может состоять из дискретных элементов кубической формы с различными коэффициентами преломления [38]. Таким образом, необходимый закон изменения коэффициента преломления реализуется в виде переменного по радиусу скопления неоднородностей в виде дисков. Подобная модель линзы показана на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 - Модель Л Л с внедрением неоднородностей.

Преимуществом данной конструкции является простота изготовления, использование материалов с низкими потерями и температурным коэффициентом

равным нулю, результатом чего является улучшение характеристик линзы относительно потерь и изменения температуры в рабочей зоне.

В последнее время ведутся работы по исследованию искусственных материалов, и использование их для изготовления линзы Люнеберга. Примером может служить совместная разработка института световой фотоники и научно-исследовательского центра "Нанофотоники и метаматериалов" НИУ ИТМО [39]. Линзу Люнеберга было предложено собирать из радиальных диэлектрических стержней (запатентованный метод) [40, 41]. Внешний вид экспериментального образца показан на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 - Экспериментальный образец ЛЛ из диэлектрических стержней.

Отдельные радиальные штырьки специально подобранной формы расположены на расстоянии, много меньшем длины волны. Таким образом, они эффективно образуют однородный материал с относительной диэлектрической проницаемостью, меняющейся из-за изменения расстояния между штырьками от центра к периферии, тем самым моделируя закон Люнеберга.

Встречаются нестандартные варианты реализации и применения антенн на базе линзы Люнеберга. Примером может служить антенна РЛС "Неман-П", рисунок 1.4 [42].

Рисунок 1.4 - Приемная позиция РЛС "Неман" на Балхашском полигоне.

Данная РЛС проектировалась как станция обнаружения, сопровождения и селекции большого числа баллистических целей и рассматривалась как один из вариантов стрельбового локатора систем ПРО Москвы. Для создания антенны были применены передовые для конца 60-х годов технические решения. Передающая антенна выполнена в виде АФАР, состоящей из 960 рупоров с усилителями. Диаметр апертуры составлял около 5 метров. Сканирование луча обеспечивалось управляемыми фазовращателями.

Приемная многолучевая антенна выполнена на основе двух линз Люнеберга диаметром 7.5 метров. Каждая линза снабжена матрицей по 512 рупоров. Решетка рупоров установлена так, что формирует систему 1024 "вложенных" лучей с высокой плотностью расстановки.

Строительство экспериментальной станции началось на Балхашском полигоне в начале 80-х годов. Для обеспечения меняющегося по радиусу коэффициента преломления, линзу предложено было сделать из диэлектрических кирпичей с разным значением диэлектрической проницаемости. В качестве диэлектриков использовалась пенокерамика и пенополистирол. Для повышения прочности антенны, линзы Люнеберга выполнены в виде полушарий, установленных на общем плоском стальном экране.

По завершению строительства, РЛС "Неман" успешно прошла государственные испытания, получив высокую оценку специалистов. РЛС "Неман"

стала измерительным полигонным средством и до настоящего времени применяется для проверки целей при пусках баллистических ракет с полигона "Капустин Яр".

В настоящее время наиболее перспективным направлением применения линз Люнеберга является организация связи по произвольным направлениям в пространстве. На рисунке 1.5 продемонстрирован вариант возможного применения ЛЛ при работе в многоканальных системах связи [39].

_ |УуЛ

1-*В| ЬН Тиист! ^

,_

•( I ЧН?

Рисунок 1.5- Многоканальный терминал спутниковой связи с антенной на основе

линзы Люнеберга.

Данный вариант применения является довольно перспективным по сравнению с системами, использующими для тех же целей параболические или зеркальные антенны, которых необходимо намного большое количество, из-за того, что спутники расположены на большом угловом расстоянии друг от друга. К тому же, используя линзу Люнеберга для сканирования пространства, нет необходимости перемещать всю конструкцию антенны, как это принято в зеркальных. Достаточно перемещать слабонаправленный облучатель по поверхности линзы. Таким образом, линза Люнеберга способна заменить целый парк параболических антенн, рисунок 1.6 [39].

Рисунок 1.6 - Компактная ЛЛ, заменяющая 4 параболические антенны.

Помимо этого, ЛЛ эффективно могут быть использованы в подвижных терминалах связи, когда взаимное расположения передатчика и приемника со временем меняется, и необходимо организовать систему сопровождения абонента. На рисунке 1.7 показано, как полноповоротная параболическая антенна терминала спутниковой связи, установленная на автомобиле, может быть заменена линзовой полусферой [39].

Рисунок 1.7 - Структурная схема ЛЛ, предназначенная для сопровождения

движущегося спутника.

В этом случае преимуществом использования линзы Люнеберга является то, что она может оставаться неподвижной, так как управление диаграммой направленности происходит путем перемещения первичного облучателя по поверхности линзы. При использовании терминала с параболической антенной необходим механизм поворота крупного зеркала. Данная конструкция не надежна, а поворотный механизм зеркала как правило является довольно дорогостоящим, и зачастую составляет большую часть от стоимости антенной системы.

В настоящее время на мировом рынке представлены варианты гражданского применения линз Люнеберга, устанавливаемых на крышах автомобилей для организации стабильного телевизионного сигнала по спутниковому радиоканалу. Примером могут служить системы Trac Vision от компании KVH, рисунок 1.8 [43].

Рисунок 1.8- Линза Люнеберга для гражданского применения.

Для обеспечения поворота облучателя вокруг линзы, необходима реализация поворотного устройства облучателя, пример реализации которого показан на рисунке 1.9.

Рисунок 1.9 - Устройство перемещения первичного облучателя ЛЛ.

Пример использования линзы Люнеберга в качестве спутниковой антенны на поезде показан на рисунке 1.10. Принимая во внимание высокую скорость движения состава, установка линзовой антенны позволит осуществить плавное сопровождение передающей станции и обеспечить тем самым качественную и стабильную передачу сигнала.

Рисунок 1.10- Реализации спутникового терминала с линзой Люнеберга на

крыше поезда.

На рисунке 1.11 показан пример современной технической реализации линзы Люнеберга [44-46].

Рисунок 1.11- Современная техническая реализация ЛЛ.

Среди зарубежных производителей, производящих линзы Люнеберга, можно выделить фирму Emerson & Cuming. Компания Emerson & Cuming Microwave Products разработала новое поколение ЛЛ, при изготовлении которых используется новая запатентованная технология наполнения и техники проектирования, благодаря которым разработанные линзы достигают лучших рабочих характеристик при использовании меньшего количества слоев, что ведет к низкой стоимости и высокому качеству, рисунок 1.12 [45].

Рисунок 1.12- Линзы Люнеберга фирмы Emerson & Cuming.

Линза Люнеберга может быть использована в качестве многолучевой антенны в СВЧ-системах картографирования: в спутниковых системах для мониторинга подстилающей поверхности, влажности почвы, борьбы с лесными пожарами. Она успешно используется в спутниковых системах слежения, где спутник и пользователь перемещаются относительно друг друга [47].

Линзы Люнеберга могут применяться в спутниковых системах, размещаемых на суше, на борту корабля, фюзеляже самолета и т.д. [48-50]. Такие антенны имеют хорошие характеристики для широкоугольного сканирования и обеспечивают высокий коэффициент усиления во всем диапазоне углов. Кроме того, ЛЛ по своим конструктивным особенностям обладает малым аэродинамическим сопротивлением и удовлетворяет эргономическим требованиям.

В настоящее время можно рассматривать Линзу Люнеберга как альтернативу зеркальным антеннам и фазированным антенным решеткам. Новые технологии производства, использующие композитные диэлектрические материалы с низкими потерями, в совокупности со сложными электромагнитными технологиями проектирования позволяют построить мощные линзовые антенны с высоким коэффициентом усиления.

Несмотря на широкое применение антенн на базе линзы Люнеберга, технологии их изготовления и конструирование системы является дорогостоящим. Достоверная, имеющая малые затраты машинного времени, расчетная подготовка к конструированию является делом важным и полезным. Диссертационная работа посвящена разработке достоверных методик расчета основных характеристик антенн и дифракционных систем на базе линзы Люнеберга. Антенные системы с ЛЛ обладают круговой симметрией. Это облегчает ее использование в режиме излучения и приема электромагнитных волн круговой поляризации. Такой режим работы имеет преимущества перед линейной поляризацией при работе в условиях тумана и дождя, а также при сопровождении и обнаружении нестабилизированных объектов, ориентация в пространстве которых неизвестна.

1.2 Историческая справка. Обзор публикаций по теме исследования.

Приведем обзор литературы, материалов и результатов расчетов, которые имеют непосредственное отношение к нашему исследованию и составлению математической модели линзы. Основная задача обзора заключается в определении рациональных моментов в проектировании линзы Люнеберга и обобщении применяемых методов расчета антенных систем на базе ЛЛ.

Задача электромагнитного возбуждения сферических тел имеет более чем вековую историю. Эти исследования можно условно разделить на несколько этапов.

На первом этапе появились работы по дифракции волн (дифракция - частный случай электромагнитного возбуждения), эти работы связаны с именами Релея [51],

Ми [52] и др. Учеными решалась задача дифракции плоской электромагнитной волны линейной поляризации на проводящей сфере электрического радиуса к0а = {2л / Л) ■ а. где а - радиус сферы. Были отмечены основные особенности

явления дифракции, а именно - эквивалентность поля рассеяния для малых сфер излучению мультидиполей. Для больших сфер - формирование излучения "вперед", в область тени, из-за токов, текущих по поверхности сферы. В дальнейшем, в технической литературе, публикациях и монографиях появились термины, связанные с именем исследователя, - коэффициенты Ми. Следует также заметить, что благодаря вычитанию падающего поля, разложенного по сферическим гармоникам, удалось получить только рассеянную часть поля при дифракции.

Похожие диссертационные работы по специальности «Антенны, СВЧ устройства и их технологии», 05.12.07 шифр ВАК

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Денисов, Дмитрий Вадимович, 2015 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Хансен, P.C. Сканирующие антенные системы СВЧ [Текст] / P.C. Хансен; пер. с англ., ред. Г.Т. Марков, А.Ф. Чаплин. - Москва: Советское радио, 1966. - Т. 1.

- 536 с.

2. Электродинамика и распространение радиоволн [Текст]: учебник для радиотехнических специальностей вузов / В.А. Неганов, О.В. Осипов, С.Б. Раевский, Т.П. Яровой; ред. В. А. Неганов, С. Б. Раевский. - 3-е изд., перераб. и доп.

- Москва: Радиотехника, 2007. - 744 с;

3. Сазонов Д. М. Антенны и устройства СВЧ [Текст]: учебник для радиотехнических специальностей вузов / Д.М. Сазонов. - Москва: Высшая школа, 1980.-432 с;

4. Воскресенский Д. И. Устройства СВЧ и антенны [Текст] / Д.И. Воскресенский, В.Л. Гостюхин, В.М. Максимов, Л.И. Пономарев; ред. Д. И. Воскресенский. — 2-е изд., перераб. и доп. - Москва: Радиотехника, 2006. - 376 с;

5. Лавров А. С. Антенно-фидерные устройства [Текст]: учебное пособие для вузов / A.C. Лавтор, Г.Б. Резников. - Москва: Советское радио, 1974. - 368 с;

6. Драбкин А. Л. Антенно-фидерные устройства [Текст] / А.Л. Драбкин, В. Л. Зузенко, А. Г. Кислов; 2-е изд., перераб. и доп. - Москва: Советское радио, 1974. -536 с;

7. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн [Текст]: учебник для вузов / Г. А. Ерохин, О. В. Чернышев, Н. Д. Козырев, В. Г. Кочержевский; ред. Г. А. Ерохина. - Москва: Радио и связь, 1996. - 352 с;

8. Бахрах Л. Д. Сканирующие зеркальные антенны [Текст]: Л.Д. Бахрах, Г.К. Галимов. - Москва: Наука, 1981. - 302 с;

9. Жук М. С., Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств [Текст] / М.С. Жук, Ю.Б. Молочков. - Москва: Энергия, 1973.-493 с;

10. Амитей Н. Теория и анализ фазированных антенных решеток [Текст] / В. Галиндо, Ч. By; пер. с анг., ред. А. Ф. Чаплин. - Москва: Мир, 1974. -455 с;

11. Айзенберг Г.З. Антенны УКВ [Текст] / Г. 3. Айзенберг; ред. Г.З. Айзенберг. - в 2-х ч., Ч. 1. - Москва: Связь, 1977. - 3 84 с;

12. Фрадин А.З. Антенны сверхвысоких частот [Текст] / А. 3. Фрадин. -Москва: Советское радио, 1957. - 652 с;

13. Сколник М. Введение в технику радиолокационных систем [Текст] / М. Сколник; пер. с анг., ред. К.Н. Трофимов. - Москва: Мир, 1965. - 747 с;

14. Пономарев О.П. Методы расчета и проектирования гибридных зеркальных антенн [Текст]: диссертация на соиск. уч. ст. доктора техн. наук. / О.П. Пономарев. - Калининград: ФГБОУ ВПО "Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота", 2010. - 331 с;

15. Останков А. В. Электродинамические модели резонансных гребенчатых структур для анализа и синтеза высокоэффективных дифракционных антенн [Текст]: диссертация на соиск. уч. ст. доктора техн. наук / А.В. Останков. -Воронеж: ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет", 2011.-415 с;

16. Luneburg R.K. The mathematical theory of optics [Текст] / R. K. Luneberg. -Providence, RI: Brown Univ. Press, 1944 -401 p.;

17. Глыбовский С.Б., Метаматериалы в антенной технике, презентация [Электронный ресурс] / С. Б. Глыбовский. - Электронные данные - Институт прикладной астрономии Российской академии наук (ИПА РАН), 26.03.2014 [Офиц. сайт]. URL: www.ipa.nw.ru/SPAS/download/glybovskiy.ppt (Дата обращения: 6.06.2014);

18. Fuchs В. Design optimization of multishell Luneburg Lenses / B. Fuch, Le L. Coq, O. Lafond, S. Rondineau. // IEEE Trans. AP, vol. 55 - no. 2. - pp. 283-289, 2007.;

19. Zouganelis G., Budimir D. Effective dielectric constant and design of sliced Luneberg lens // Microwave and Optical Technology Letters, vol. 49, no. 10, pp. 23322337, 2007;

20. Sanford J.R. Scattering by Spherically Stratified Microwave Lens Antennas 11 IEEE Trans. AP, vol. 42, no. 5, pp. 690-698, 1994;

21. Baev S.R., Gechev S.M., Hadjistamov B.N., Dankov P.I. Modeling and Simulations of Lüneburg Lens Antennas for Communication Purposes // 16th Telecommunications forum TELFOR, Serbia, Belgrad, 2008, pp. 488-491;

22. Rondineau S., Himdi M. and Sorieux J. A Sliced Spherical Lüneburg Lens // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 2, pp. 163-166, Feb. 2003;

23. Jinghui Qiu; Shu Lin; Ying Suo; Qidi You. The Simulation of the Focus Character of a Luneburg Lens Antenna // Systems and Control in Aerospace and Astronautics. 1st International Symposium, 2006, pp. 1429-1431;

24. Baev S., Hadjistamov B., Dankov P. Lüneburg Lenses as Communication Antennas // Annuaire de 1'Universite de Sofia "St. Kliment Ohridski", Faculte de Physique, 102, 2009, pp. 67-84;

25. Greenwood A. D., Jin J.-M. A novel efficient algorithm for scattering from a complex BOR using mixed finite elements and cylindrical PML // IEEE Trans. AP, vol. 47, no. 4, pp. 620-629, 1999;

26. Kokkorakis G. C., Fikioris J. G. EM field induced in inhomogeneous dielectric spheres by external sources // IEEE Trans. AP, vol. 55, no. 11, pp. 3178-3190, 2007;

27. Greenwood A. D., Jin J.-M. A field picture of wave propagation in inhomogeneous dielectric lenses // IEEE Trans. AP, vol. 41, pp. 9-18, 1999;

28. Hilliard D., Mensa D. Luneburg lens antenna with photonic sensors // Antenn. Propag. Soc. Int. Symp. AP-S Digest 2, pp. 720723,1992;

29. Fuchs B., Palud S., Coq L. Le, Lafond O., Himdi M., Rondineau S. Scattering of spherically and hemispherically stratified lenses fed by any real source // IEEE Trans. AP, vol. 56, no. 2, pp. 450-460, 2008;

30. Wu X., Eleftheriades G. V., and van Deventer-Perkins T. E. Design and characterization of a single- and multiple-beam mm-Wave circularly polarized substrate lens antennas for wireless communications //

IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 47, no. 6, pp. 732-737, Jun. 1999;

31. Park Y.-J. and Wiesbeck W. Offset cylindrical reflector antenna fed by a parallel-plate Luneburg lens for automotive radar applications in millimeter-wave // IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 51, no. 9, pp. 2481-2483, Sep.2003;

32. Parfitt A. J., J. Kot S., and James G. L. The Luneburg lens as a radio telescope element // in Proc. IEEE APS Int. Symp., Salt Lake City, UT, Jul. 2000, pp. 170-173;

33.Панченко Б.А. Рассеяние и поглощение электромагнитных волн неоднородными сферическими телами [Текст] / Б. А. Панченко. - Моксва: Радиотехника, 2013 - 264 с;

34. Шабунин С.Н. Электродинамика плоских и цилиндрических магнитодиэлектрических слоистых структур. Диссертация на соиск. уч. ст. доктора техн. наук. - Екатеринбург: ГОУ ВПО "Уральский государственный технический университет - УПИ", 2006. - 335 с;

35. Марков Г.Т. Возбуждение электромагнитных волн [Текст] / Г.Т. Марков, А.Ф. Чаплин. - Москва: Радио и связь, 1983 - 296 е.;

36. Хёнл X. Теория дифракции [Текст] / X. Хёнл, А. Мауэ, К. Вестпфаль. -Москва: Мир, 1964. - 333 с;

37. John Hunt, Nathan Kundtz, Nathan Landy, Vinh Nguyen, Tim Perram, Anthony Starr and David R. Smith. Broadband Wide Angle Lens Implemented with Dielectric Metamaterials // Sensors 2011, 11, pp. 7982-7991;

38. Голубятников A.B. Письма в ФТЖ №15 // Линза Люнеберга из кубиков. Геометрооптический расчёт. — Москва, 1998. - Т. 24:

39. Линза Люнеберга на основе метаматериалов [Офиц. сайт] URL: http://phoinf.ifmo.ru (дата обращения: 10.04.2014);

40. Мешковский И.К., Шанников Д.В. Фазовые искажения в анизотропной линзе Люнеберга // Письма в ЖТФ, 2002, том 28, вып. 22.-е. 1 -6;

41. Усройство для фокусировки при приеме - передаче радиоволн сантиметрового диапазона. Патент РФ №2159487, опубликовано 20.11.2000 г. Авторы: Мешковский И.К., Шанников Д.В. Правообладатель: Мешковский Игорь Косьянович;

42. Денисенко В.В., Курикша В.А., Левишан Б.А. и др., "История отечественной радиолокации", М.. "Издательский дом "Столичная энциклопедия", 2011, раздел 7.3;

43. KVH Industries, INC - разработка навигационных систем [Офиц. сайт]. URL: http://www.kvh.com (дата обращения 09.06. 2014);

44. Tokoro Н. et al. Luneberg dielectric Lens and method of producing same. Patent US № 6,721,103. Aug. 14, 2008;

45. Laird technologies - мировой лидер в области разработки и производства СВЧ поглощающих материалов [Офиц. сайт]. URL: http://www.eccosorb.com/lens.asp. (дата обращения 09.06. 2014);

46. Sumitomo electric [Офиц. сайт]. URL: http://global-sei.com/ (дата обращения 09.06. 2014);

47. Панченко Б.А. Дифракционные и антенные характеристики многослойной линзы Люнеберга [Текст] / Б. А. панченко, Е. В. Комарова. -Lambert, 2012. - 102 с;

48. Beresford R., Chippendale A., Ferris D., Hall P., Jackson C., James G., Wieringa M. Eyes on the Sky: A Refracting Concentrator Approach to the SKA. Submitted to the SKA Engineering and Management Team by The Executive Secretary Australian SKA Consortium Committee PO Box 76, Epping, NSW 1710, Australia, p. 109, 2002;

49. Poncel Y. et al. Continuous multy-satellite tracking. Patent US № 6,333,718. Dec 25.2001;

50. An Airborne Global Broadcast Service/Military Strategic and Tactical Relay Satellite Wideband Antenna // AFRL's Information Directorate, Information Grid Division, Information Connectivity Branch, Rome NY;

51. Rayleigh W. Mag. Phil. 1881. (4). 12;

52. Mie, Ann. D. Physik, 25, 377, 1908;

53. Ван де Хюлст Г. Рассеяние света малыми частицами. М.: Иностранная литература. 1961;

54. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука. 1973. 855с;

55. Hans С. Strifors, and Guillermo С. Gaunaurd. Scattering of Electromagnetic Pulses by Simple-Shaped Targets with Radar Cross Section Modified by a Dielectric Coating; // IEEE Trans. Antennas and Propagation, vol. 46, no. 9, pp. 1252-1262, Sept. 1998;

56. Панченко Б.А. Дифракция электромагнитных волн на полупроводящей сферической оболочке // РЭ РАН. 2004. Т. 49. № 11. С. 1350-1358;

57. Панченко Б.А. Сверхнаправленность и метаматериалы // РЭ РАН. 2009. Т. 54. №3. С. 3-10;

58. Elliott R.S. Antenna theory and design // IEEE Press, Wiley interscience, p. 594, 2003;

59. Шанников Д.В, Суриков B.B., Кузьмин C.B. Расчет характеристик линзы из кубиков методом эквивалентных токов // Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 11. - с. 139-142;

60. Панченко, Б.А. Использование линзы Люнеберга для повышения эффективности передачи данных в сетях подвижной связи 4G/ Б.А. Панченко, Д.В. Денисов, И.О. Скумотенко, А.А. Абакумова // ИНФОКОМ 2013: труды СевероКавказского филиала Московского технического университета связи и информатики. - Ростов-на-Дону: ПЦ «Университет» СКФ МТУ СИ, 2013. - С. 2729.

61. Денисов Д.В. Исследование характеристик Линзы Люнеберга при облучении полем круговой поляризации // Актуальные вопросы использования инновационных технологий в образовательном процессе и формирования профессиональной компетентности выпускников для сферы инфокоммуникаций: Материалы XIV научно-практической конференции студентов УрТИСИ ФГОБУ

ВПО "СибГУТИ'УПод редакцией Е.А. Субботина. - Екатеринбург: УрТИСИ ФГОБУ ВПО "СибГУТИ", 2013г. с. 78;

62. Денисов Д.В. Исследование линзы Люнеберга, работающей в режиме круговой поляризации поля для приема и передачи информации // Актуальные вопросы использования инновационных технологий в образовательном процессе и формирования профессиональной компетентности выпускников для сферы инфокоммуникаций: Материалы XIV научно-практической конференции студентов УрТИСИ ФГОБУ ВПО "СибГУТИ"/Под редакцией Е.А. Субботина. -Екатеринбург: УрТИСИ ФГОБУ ВПО "СибГУТИ", 2013г. с. 60;

63. Tamil L.S. et al. Focused narrow beam telecommunication system. Patent US № 6,169,910. Jan 2, 2001;

64. Емельченков Ф.И. и др. Многоканальная линзовая антенна со стабилизируемой и управляемой по углам многолучевой диаграммой направленности. Патент РФ № 2314611. Январь 10, 2008;

65. Скородумов А.И. Многоканальные антенные системы сотовой связи нового поколения с оптимальной пространственно-частотной фильтрацией. Диссертация на соиск. уч. ст. доктора техн. наук. - Москва: Московский авиационный институт (государственный технический университет) - МАИ, 2010. - 332 с;

66. Hashimoto М. Luneberg lens antenna system for HDTV. Progress In Electromagnetics Research, PIER 72, pp. 325-337, 2007;

67. Морс Ф.М., Фешбах Г. Методы теоретической физики. "Мир", М., 1960.

68. Панченко Б.А., Нефедов Е.И. Микрополосковые антенны. - М.: Радио и связь, 1986. - 144 е., ил;

69. Zimmerman К.А., Runyan D.L. Luneberg Lens and Method of Constructing Same. Patent US N 5,677,796. Oct. 14, 1997;

70. Мешковский И.К., Шанников Д.В. Устройство для фокусировки. Патент РФ № 3333333. Октябрь 28, 2000;

71. Абрамовиц М. Стиган И. Справочник по специальным функциям. / М.: Изд-во Наука. 1979. 832 с:

72. Фелсен Л., Маркувиц Н. Излучение и рассеяние волн. "Мир". М., 1978;

73. Панченко Б. А., Гизатуллин М. Г. Нано-антенны. - М.: Радиотехника, 2010.-87 с;

74. Панченко, Б.А. Математическое моделирование антенны на базе линзы Люнеберга при круговой поляризации поля/ Б.А. Панченко, Д.В. Денисов, В.В. Мохова // ИНФОКОМ 2014: труды Северо-Кавказского филиала Московского технического университета связи и информатики. - Ростов-на-Дону: ПЦ «Университет» СКФ МТУ СИ, 2014. - Т.1. - С. 296-299.

75. Панченко Б.А., Гизатуллин М.Г. Дифракция электромагнитных волн на металлических и диэлектрических сферах - Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО "СибГУТИ", 2007. - 88 с;

76. Панченко Б.А., Гизатуллин М.Г. Рассеяние и поглощение электромагнитных волн слоистыми структурами - Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО "СибГУТИ", 2008. - 117 с;

77. Марков Г.Т. "Антенны". Изд-во "Госэнергоиздат" М. 1960, 534 с;

78. Панченко, Б.А. Поляризационная эффективность излучения крестообразных вибраторов/ Б.А. Панченко, Д.В. Денисов // Вестник СибГУТИ. — 2013.-№ 1.-С. 68-74.

79. Denisov D. The principle of calculating field of elementary turnstile transmitter. // Актуальные вопросы использования инновационных технологий в образовательном процессе и формирования профессиональной компетентности выпускников для сферы инфокоммуникаций: Материалы XIV научно-практической конференции студентов УрТИСИ ФГОБУ ВПО "СибГУТИ"/Под редакцией Е.А. Субботина. - Екатеринбург: УрТИСИ ФГОБУ ВПО "СибГУТИ", 2013г. с. 276;

80. Панченко, Б.А. Поляризационная эффективность излучения крестообразных вибраторов/ Б.А. Панченко, Д.В. Денисов, С.Е. Фомин, А.Ф. Цыпленков// ИНФОКОМ 2013: труды Северо-Кавказского филиала Московского технического университета связи и информатики. - Ростов-на-Дону: ПЦ «Университет» СКФ МТУСИ, 2013. С. 179-182.

81. Панченко, Б.А. Облучение линзы Люнеберга источниками поля круговой поляризации/ Б.А. Панченко, Д.В. Денисов// Сборник научных трудов «SWorld». - Одесса. 2013. - Выпуск 3. - Т. 10. - С 71-76.

82. Gutman A. S. Modified Luneberg Lens. J. Appl. Phys. 25: 855, 1954;

83. Morgan, S. P. General solution of the Luneburg lens problem. J. Appl. Phys. 29: 1358-1368, 1958;

84. Ерохин Г. А., Чернышев О. В., Козырев Н. Д., Кочержевский В. Г. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн: учебник для вузов; под ред. Г. А. Ерохина. - М.: радио и связь, 1996. - 352 с;

85. Panchenko В., Glotov Е., Gizatullin М. Scattering and absorption of electromagnetic waves in inhomogeneous bodies // EuCAP. Nice. 2006. V. 1. p. 218;

86. Панченко Б.А. Дифракция электромагнитных волн на сферических телах из материала с отрицательным коэффициентом рефракции // Радиотехника и электроника, РАН. 2007. Т. 52. № 11. с. 1366;

87. Панченко, Б.А. Антенные характеристики линзы Люнеберга при круговой поляризации поля/ Б.А. Панченко, Д.В. Денисов // Антенны. - 2013. - №12. — С. 2630.

88. Панченко, Б.А. Характеристики антенны на базе многослойной линзы Люнеберга/ Б.А. Панченко, Д.В. Денисов, A.C. Конюхов, М.А. Григорьева // Технологии информационного общества: тезисы научно-технических секций VIII Международной отраслевой научно-технической конференции - Москва, МТУ СИ -2014.-С. 68.

89. Панченко Б.А. Влияние уровня стратификации линзы Люнеберга на ее антенные характеристики/ Б.А. Панченко, Д.В. Денисов, В.В. Мохова, Р.И. Панов // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. - 2014. - № 1. — С.5-11.

90. Панченко, Б.А. Разработка GUI Matlab для расчета параметров антенны на базе линзы Люнеберга в режиме круговой поляризации./ Б.А. Панченко, Д.В. Денисов// «Информационные технологии и когнитивная электросвязь»:

Материалы межвузовского научного семинара. - Екатеринбург: типография УрТИСИ ФГОБУ ВПО «СибГУТИ», 2014. - С. 11-14.

91. HFSS -High Frequency Structures Simulation [Текст]: Manuals, Agilent, 2000;

92. Банков C.E. Расчет антенн и СВЧ структур с помощью HFSS Ansoft [Текст] / С.Е. Банков, А.А. Курушин - Москва: ЗАО "НПП "РОДНИК", 2009. - 256 с;

93. Панченко, Б.А. Влияние уровня стратификации линзы Люнеберга на ее антенные характеристики/ Б.А. Панченко, Д.В. Денисов, Е.В. Истомина// Теория, техника и экономика сетей связи: сборник научно-технических и методических трудов. Под ред. Е.А. Субботина. - Екатеринбург: УрТИСИ ФГОБУ ВПО «СибГУТИ», 2014. Выпуск 12. С. 54-59.

94. Панченко Б.А. Дифракционные характеристики линзы Люнеберга для поля круговой поляризации/ Б.А. Панченко, Д.В. Денисов // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. -2013. - Т. 16. -№ 4. С. 33-37.

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.