В. Лавр
Введение
Сегодня мир полон высоконаправленных антенн, которые активно используются в радионавигации, радиолокации и системах радиосвязи как на Земле, так и в космосе. Эти технологии стали неотъемлемой частью современных коммуникаций и военных операций.
На иллюстрациях ниже вы увидите самые распространенные типы высоконаправленных антенн. Большая часть из них поражает своей эффективностью и техническими характеристиками. Это и зеркальные антенны, которые отличаются мощной фокусировкой сигналов, и фазированные антенные решетки (ФАР), что позволяет быстро изменять направление радиоволн.
Также стоит отметить антенны с поверхностными гребенчатыми структурами, которые способны ловить и передавать сигналы с высокой точностью. Плоские линзовые антенны, как укоряющие, так и замедляющие, представляют собой настоящее искусство в плане радиотехники, обеспечивая оптимизацию передачи и улучшение качества связи.
В этой увлекательной области технологий каждое новшество открывает новые горизонты возможностей.
В сущности, основная цель высоконаправленной антенны заключается в том, чтобы, словно неутомимый наблюдатель, следить за движущимся объектом в обширном диапазоне углов. Эта задача требует от антенны наличия системы управления лучом, растрачивающей свои силы на создание необходимой диаграммы направленности.
В самых простых вариантах такая система управления осуществляется через механическое вращение антенной структуры. Вот, к примеру, зеркальные антенные системы, в которых отражающие поверхности бесконечно точны и благородны в своём бескорыстном служении. Но наивно было бы полагать, что это единственный путь. Существуют и более изощренные методы, такие как электрическое управление, позволяющее формировать диаграмму направленности и тем самым добиваться высшей степени точности в слежении за цельной.
Разумеется, вся эта сложная машина в своей работе затмевается безмерной благодатью высоконаправленных линзовых антенн Люнеберга, которые, словно живые, позволяют вести наблюдение за бесконечностью, не обременяя себя маловажными формами самого существования.
Внешний вид зеркальной антенны
Внешний вид фазированной антенной решетки Работа ФАР в составе оборонного ракетного комплекса
Проникновение в мир антенных систем может быть, порой, равносильно блужданиям по лабиринту, извивающемуся в недрах научной мысли. Так, рассматривая многогранные конструкции, столь острую и необходимую в наше время, осознаём, что традиционные высоконаправленные антенны несут в себе значительные ограничения. Их полоса рабочих частот сковывается узкими рамками, а диапазон углов сканирования оказывается лишённой свободы.
Однако на горизонте встаёт сама линза Люнеберга, эта сложная и загадочная конструкция, которая, подобно звезде на небосводе, излучает блеск своих неординарных качеств. ЛЛ обретает бесконечные возможности, скрывая в себе, разумеется, свои неизбежные «заморочки», которые, подобно тенью, следуют за великими достижениями.
Тем не менее, о линзах Люнеберга на просторах русскоязычного интернета остаются лишь смутные отголоски. Уважаемая Википедия не может глубоко охватить всё разнообразие и потенциал данной технологии. На страницах же промышленности США и Франции, могущественных оракулов в области СВЧ, раздаются звуки подвига и прогресса. В то время как на родной земле лишь отголоски, изолированные НИИ питают свои исследования, порой увязая в научных делах, словно в густой паутине.
Историческая справка
Физику работы линзы Люнеберга впервые выразил в своих трудах немецкий математик Рудольф Карл Люнеберг. Его работа «Математическая теория оптики» демонстрирует стремление проследить закономерности в явлениях света. Сама природа предполагала, что данная линза должна функционировать в оптическом диапазоне длин волн, требуя для своего создания материалов, обладающих прозрачностью. Однако, как это часто бывает в науке, результаты оказались неожиданными. Линзы, не найдя применения в области оптики, в конечном итоге обрели свое истинное предназначение в радиолокации, когда человечество овладело радиопрозрачными веществами.
Исходя из курса физики, суть любой линзы заключается в её способности изменять траекторию лучей — будь то фокусировка, расфокусировка или разложение. Линза Люнеберга, как выясняется, строго подчиняется тем же закономерностям. И, как говорит математика, «после несложных математических преобразований» Р.К. Люнеберг вывел формулу, которая раскрывает тайны её действия, обретая значимость в новых, неожиданных областях.
r – текущая радиальная координата;
a –радиус сферы
Схема прохождения лучей через линзу Люнеберга
Вид этой формулы говорит о том, что если коэффициент преломления сферического тела меняется от 2 в центре до 1 на поверхности, то это тело преломляет падающие на него лучи таким образом, что они выходят из сферы параллельно своему диаметру. Схема прохождения лучей показана на рисунке ниже:
Антенна, основанная на ЛЛ, словно тайный механизм, обуславливает множество полезных свойств. Во-первых, эта антенна наделена даром сканировать лучи в практически любом спектре углов, чего достигает благодаря движению маленького облучателя по поверхности, подобно тому, как художник проводит кистью по холсту, стараясь уловить движение светотени.
Во-вторых, следует отметить, что благодаря своей конструкции, обладающей сферически-симметричной природой, линза может одновременно формировать несколько независимых диаграмм направленности. Подобно многоголосью в хоровом произведении, она способна воспроизводить разные сигналы, не мешая друг другу.
Кроме того, конструктивная особенность линзовых антенн придает им эргономичность и низкое аэродинамическое сопротивление, что дает возможность устанавливать их на движущиеся объекты, почти как нежно обнимающий ветер, который, облекая в свои ласковые объятия, не мешает, а, напротив, поддерживает и подталкивает к новым вершинам.
Техническая реализация линзы Люнеберга, своего рода произведение гениальности, превосходит простую реализацию математической формулы; она является истинным вызовом. Непрерывный закон изменения коэффициента преломления кажется почти недосягаемым идеалом, как неуловимая мечта философа. В связи с этим становится очевидным, что наилучший путь к осуществлению этой оптики заключается в дроблении её на сферические слои, каждый из которых отличается своими уникальными электрофизическими характеристиками.
Таким образом, оптическая структура, начиная с центра и доходя до самых краёв, подлежит делению на участки равной длины. Затем, исследуя взаимоотношения, заданные законом Люнеберга, определяется необходимая относительная диэлектрическая проницаемость для каждого отдельного сегмента, словно мастер, создающий шедевр.
Ярким примером такой реализации служит многослойная линза, где полусферы разного радиуса изготавливаются из пенистого диэлектрика и полистирола. Каждый выбор материала накладывает отпечаток на преломление, а следовательно – на качество изображения, о котором мечтает наш разум, словно художник, стремящийся к совершенству.
Конструктивная реализация многослойной линзы
Диэлектрическая проницаемость, изменяясь в узких пределах от двух до единицы, ставит перед учеными нешуточные трудности. Эти рамки, казалось бы, сковывают возможность синтеза материалов для линз, обременяя мысль о новых вершинах в разработках. Однако, трактуя доступные нам технологии, видим, что реальные достижения тесно переплетены с высокой точностью регулирования этих особых параметров.
Рассматривая искусственные диэлектрики, мы можем заметить, что они могут быть насыщены неоднородностями разных размеров и форм, словно мозаика, сложенная из кусочков подвергнутой прочной обработке материи. В иных случаях, напротив, возможно создавать в их недрах проницаемые отверстия и щели, что открывает новые горизонты для инноваций в оптической технике.
Линза, как результат этих раздумий, может изготавливаться из дискретных элементов, имеющих кубическую форму и различные коэффициенты преломления. Такой подход позволяет с удивительной точностью воплотить в жизнь закономерности, необходимые для изменения коэффициента преломления в соответствии с радиусом. Таким образом, как бы парадоксально это ни звучало, в рамках ограничений кроется бесконечный простор для изысканий.
Модель ЛЛ с внедрением неоднородностей
Антенны, основанные на линзе Люнеберга, изобилуют оригинальными решениями, одухотворяющими высокие технологии. К примеру, антенная радиолокационная система «Неман-П» предназначена для обнаружения и сопровождения множества баллистических целей. Она справедливо рассматривается как один из возможных локаторов для противоракетной обороны Москвы, олицетворяя собой современный подход к защите.
На современном этапе, одним из наиболее многообещающих направлений применения линз Люнеберга является организация связи по произвольным направлениям. Это обеспечивает эффективность в многоканальных системах, позволяя создать сети, в которых взаимодействие происходит с наибольшей выгодой. Используемые линзы превосходят параболические антенны, благодаря требованию меньшего числа устройств и значительному угловому расстоянию между спутниками.
Линзы Люнеберга также находят свое применение в подвижных терминалах связи. В отличие от параболических антенн, требующих постоянного поворота, линзы остаются неподвижными, корректируя диаграмму направленности во время движения.
На рынке существуют и гражданские варианты, устанавливаемые на автомобилях для стабильной работы спутникового телевидения, как, например, системы TracVision от KVH.
Не менее значимо, что линза Люнеберга может служить многолучевой антенной в картографировании и мониторинге. Такие антенны, установленные на различных транспортных средствах, отличаются высокими характеристиками для широкоугольного сканирования, что делает их достойной альтернативой традиционным отражающим антеннам.
Линза Люнеберга, ставшая новым словом в антенном деле, открывает перед нами горизонты многолучевой антенны в системах СВЧ, особенно в сфере картографирования. Она возникает как незаменимый инструмент в спутниковых системах, предназначенных для мониторинга подстилающей поверхности и анализа влажности почвы, а также представляет собой надежное средство в борьбе с лесными пожарами. Успешно интегрированная в системы слежения, данная линза позволяет спутнику и пользователю взаимодействовать, даже когда они движутся относительно друг друга.
Использование линз Люнеберга не ограничивается лишь космосом; их можно применять на суше, на борту судов или в фюзеляже самолета. Эти антенны, обладая превосходными характеристиками, обеспечивают широкоугольное сканирование с высокими показателями усиления в любом диапазоне углов. Более того, конструктивные особенности ЛЛ снижают аэродинамическое сопротивление, что делает их более эргономичными и подходящими для современного использования.
Сейчас, когда технологии производства достигли новых высот, линзы Люнеберга представляют собой реальную альтернативу традиционным зеркальным антеннам и фазированным решеткам. Композитные диэлектрические материалы, обладающие минимальными потерями, совместно с инновационными электромагнитными методами проектирования, позволяют создавать мощные антенны с высоким коэффициентом усиления, которые способны удовлетворить потребности современного мира.
Современная техническая реализация ЛЛ
Электродинамическая модель линзы Люнеберга в программном обеспечении Ansys HFSS возникает из необходимости понять её необычайные свойства, позволяющие осуществлять фокусировку электромагнитных волн. Эта линза, подобно фокусирующему зеркалу зеркальной антенны, представляет собой ключевой элемент антенной системы, обладая способностью концентрировать излучение, словно впитывая его и затем излучая с новыми силами, задействуя магию электродинамики.
В качестве источника электромагнитного излучения рассматривается круглый рупор, излучающий поле на частоте 25 ГГц, извлекая звуки эфирного пространства. Его модель, созданная в Ansys HFSS, демонстрирует, как форма и содержание могут сливаться в единое целое, чтобы служить цели, великие и сокровенные по своей природе. Размеры рупора, его диаметр, становятся важнейшими деталями в этой сложной игре, где каждый элемент имеет свою весомую роль.
Каждый шаг в моделировании, каждое задание первичного источника подразумевает свой тихий внутренний конфликт, напоминающий о нескончаемых исканиях и раздумьях: как достигнуть совершенства в этой механике, как уловить суть излучаемых волн и одержать верх над пространством и временем? Каждая новая итерация приближает нас к пониманию глубинных законов, управляющих нашим миром и его тайнами.
Диаграмма направленности рупора
В качестве первичного облучателя может быть использована микрополосковая антенна (МПА). К примеру, микрополосковая антенна, работающая в диапазоне 2.4 ГГц, формирующая поле круговой поляризации выглядит следующим образом:
Реализуемый коэффициент усиления микрополосковой антенны составляет G=5,6 дБ. Применение линзы Люнеберга в качестве фокусирующей системы позволит увеличить коэффициент усиления МПА. В качестве примера рассмотрим каких результатов усиления можно добиться при совместном использовании вместе с этой МПА шестислойной линзы Люнеберга диаметром 150 мм. Характеристики слоев ЛЛ приведены в таблице 1 и удовлетворяют закону Люнеберга.
Характеристики линзы Люнеберга
LНормированные радиусы слоевДиэлектрическая проницаемость слоев60,39; 0,56; 0,68; 0,78; 0,88; 0,961,93; 1,77; 1,61; 1,46; 1,31; 1,16
Диаграммы линзы Люнеберга
Таким образом, линза Люнеберга с облучателем в виде микрополосковой антенны может быть эффективно использована для организации связи в Wi-Fi диапазоне, показывает отличные антенные характеристики с коэффициентом усиления в 10 dB при малых габаритных размерах устройства.
И еще немного многотонных линз напоследок, установленных в США для нужд противоракетной обороны:
Скупка радиодеталей RadioGold - https://radiogold.pro