ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2017, № 2 · ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Расчет поля излучения цилиндрической линзы Люнебурга на основе функций Грина радиально-неоднородных сред

А.Н. Коротков1, Ю.Е. Мительман1, В.А. Чечеткин1, С.Н. Шабунин1

1 Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, Россия
Полный текст (PDF) УДК 621.396 EDN YHVILD

Аннотация

Предложена методика расчета поля излучения цилиндрической линзы Люнебурга, основанная на аппарате тензорных функций Грина цилиндрических радиально слоистых магнито-диэлектрических структур. В качестве источников поля рассмотрены электрический и магнитный диполи, а также их комбинации. Для описания радиально неоднородной структуры линзы использована модель отрезков радиальных линий электрического и магнитного типа, матрицы передачи отрезков линий и границ между слоями. Для расчета поля антенны в дальней зоне использован метод перевала. Предложенный подход позволил реализовать компактные алгоритмы и быстро работающие программы на их основе. Проведено сравнение разных видов дискретизации структуры линзы по толщине и диэлектрической проницаемости слоев и предложены конструкции, обеспечивающие максимальное значение коэффициента усиления при минимуме числа слоев. Приведены графики зависимости коэффициента усиления от способа разбиения структуры линзы и числа слоев и диаграммы направленности линзы Люнебурга, облучаемой элементом Гюйгенса. Полученные результаты могут быть использованы для оптимизации структуры линзы по требуемым полевым характеристикам, а также могут рассматриваться как первое приближение структуры линзы для создания модели антенной системы с учетом конструкций конкретных облучателей в пакетах электромагнитного моделирования.

  • способы разбиения на слои
  • коэффициент усиления
  • диаграммы направленности
  • antenna gain
  • radiation pattern
  • линза Люнебурга
  • функции Грина
  • электромагнитное поле
  • цилиндрическая линза
  • слоистые структуры
Abstract (in English)

The method of calculation of radiation characteristics of cylindrical Luneburg lens, based on the Green's functions for cylindrical radially layered magneto-dielectric structures is proposed in this paper. Electric, magnetic dipoles and their combinations as field sources are discussed. Segments of radial lines of electric and magnetic type, the matrix of transmission line segments and boundaries between layers are used as a model of radially inhomogeneous structure of the lens. For the calculation of the far field characteristics of the antenna the method of steepest descent is used. The proposed approach allowed creating compact and fast algorithms and programs based on them. Comparison of different types of partitioning of the lens structure based on the thickness and dielectric permittivity of the layers is presented and designs, providing maximum gain with the minimum number of layers, are proposed. Luneburg lens gain and radiation pattern for a Huygens element as a radiator are shown. The results can be used to optimize the structure of the lens according to the desired field and polarization characteristics, and can be considered as a first, but sufficiently accurate, approximation for electromagnetic simulators which takes into account the specific design of the radiators. This paper is dedicated to the proposed method of calculation of the antenna parameters for Luneburg lens with radiators of different types. The algorithm is based on Green’s function method for radially layered structures. Fig. 2 presents different types of partitioning of the lens. The comparison of gain of the system for different types of partitioning and size of the lens are shown in Fig. 3. The calculated radiation patterns are presented in Fig. 6 and 7.

Для цитирования

Коротков А.Н., Мительман Ю.Е., Чечеткин В.А., Шабунин С.Н. Расчет поля излучения цилиндрической линзы Люнебурга на основе функций Грина радиально-неоднородных сред // Журнал радиоэлектроники. – 2017. – № 2.

Литература

  1. Д.М. Сазонов, "Антенны и устройства СВЧ", Издательство «Высшая школа», Москва, 1988.
  2. Конструкции антенн на основе линзы Люнебурга [Офиц. сайт] URL: http://farragsat.meximas.com/homearab.html (дата обращения: 15.11.2015)
  3. J.L.Volakis, "Antenna engineering handbook". McGraw Hill, 2007.
  4. B. Fuchs, Le L. Coq, O. Lafond, S. Rondineau, "Design optimization of multishell Luneburg Lenses", IEEE Trans. AP, vol. 55, no.2, pp. 283-289, 2007.
  5. G. Zouganelis, D. Budimir, "Effective dielectric constant and design of sliced Luneberg lens", Microwave and Optical Technology Letters, vol.49, no. 10, pp. 2332-2337, 2007.
  6. J.R. Sanford, "Scattering by Spherically Stratified Microwave Lens Antennas", IEEE Trans. AP, vol. 42, no. 5, pp. 690-698, 1994.
  7. A.V. Boriskin, A.I. Nosich, "Whispering-gallery and Luneburg-lens effects in a beam-fed circularly layered dielectric cylinder"// IEEE Trans. AP, vol. 50, Issue: 9, pp.1245-1249, Sep. 2002.
  8. В.В. Ахияров, В.А. Калошин, Е.А. Никитин. Исследование широкополосных планарных линз Люнебурга. // Журнал радиоэлектроники: электронный журнал. 2014. N1. URL: http://jre.cplire.ru/jre/jan14/18/text.pdf
  9. G.D.M. Peeler, D.H. Archer. "A two-dimensional microwave Luneberg Lens"// I.R.E. Trans. AP., pp. 12-23, July 1953.
  10. Tse-Tong Chia, Wai-Yean Lim. "Design of low profile cylindrical Luneberg lens antenna". The 8th European conference on antennas and propagation (EuCAP 2014), pp. 3011-3013, 2014.
  11. Б.А. Панченко, С.Т. Князев и др., "Электродинамический расчет характеристик полосковых антенн", Москва, Радио и связь, 2002, 256 с.
  12. Б.А. Панченко, "Рассеяние и поглощение электромагнитных волн неоднородными сферическими телами. Монография"., Москва, Радиотехника, 2013, 264 с.
  13. Б.А. Панченко, Е.В. Лебедева, "Антенные характеристики линзы Люнеберга", Антенны, 2010, № 12. С. 5-9.
  14. С.Н. Шабунин, "Электродинамический анализ слоистых цилиндрических структур методом эквивалентных линий", Известия высших учебных заведений России, Радиоэлектроника, 2007, № 1, с. 70-77.
  15. R.K. Luneburg "The mathematical theory of optics", Providence, RI: Brown Univ. Press, 1944.
  16. Г.Т. Марков, А.Ф. Чаплин, "Возбуждение электромагнитных волн", Издательство «Энергия», Москва-Ленинград, 1967.
  17. Л. Фелсен, Н. Маркувиц, "Излучение и рассеяние волн", «Мир», М., 1978.
  18. Б.А. Панченко, Д.В. Денисов, В.В. Мохова, Р.И. Панов, "Влияние уровня стратификации линзы Люнеберга на ее антенные характеристики", Известия высших учебных заведений России, Радиоэлектроника, 2014, № 1, с. 3-6.
  19. Б.А. Панченко, Е.В. Комарова, "Дифракционные и антенные характеристики многослойной линзы Люнеберга", Saarbrucken: LAP 2012, 100 с.
  20. С.В. Кузьмин, "Параметры слоев для многослойной линзы Люнеберга", Письма в ЖТФ, 2004, том 30, вып. 22, с. 37-43
  21. B. Fuchs, L. Le Coq, O. Lafond, S. Rondineau, "Design optimization of multishell Luneburg Lenses", IEEE Trans. AP, vol. AP-55, no. 2, pp. 283-289, 2007
  22. А.Н. Коротков, С.Н. Шабунин "Влияние способа дискретизации цилиндрической линзы Люнеберга на ее характеристики излучения". Информационные технологии, телекоммуникации и системы управления. Екатеринбург, Россия, 2015, с. 20-26