Аннотация: В настоящей работе рассматривается вариант реализации линзы Люнеберга для Wi-Fi диапазона 2.4 ГГц с облучателем в виде микрополосковой антенны. Антенная система ориентирована на работу на первом канале Wi-Fi – 2.412 ГГц.

Ключевые слова: линза Люнеберга, Wi-Fi, микрополосковая антенна. Введение

В качестве первичного облучателя линзы Люнеберга будет использован микрополосковый облучатель. Микрополосковые антенны (МПА) имеют ряд преимуществ – это малые габаритные размеры, легкий вес, простая конструктивная реализация. Такие антенны реализуются в виде проводящей металлизированной поверхности на диэлектрической подложке. Подобные облучатели могут изготавливаться печатной технологией, что в свою очередь существенно удешевляет их массовое производство. Недостатком такой антенны является ее сравнительная узкополосность, но в настоящее время опубликовано большое количество работ, посвященных увеличению полосы пропускания микрополосковых антенн [7].

Предполагается, что антенн будет работать в режиме излучения электромагнитного поля круговой поляризации. Круговая поляризация электромагнитного поля эффективно применяется в тех системах, в которых положение передатчика и приемника может быть произвольным относительно друг друга. Электромагнитный сигнал с линейной поляризацией падающего поля будет крайне слабым в том случае, если передающая и приемная антенны будут находиться в ортогональных плоскостях. Таким образом, круговая поляризация является крайне эффективным решением в разного рода технических приложениях таких как: системы радиолокации, радионавигации и системы связи [1].

В качестве фокусирующей системы используется линза Люнеберга – диэлектрический шар с переменной диэлектрической проницаемостью, которая меняется от двойки в центре до единице на поверхности. Таким образом, можно сказать что линза Люнеберга согласована со свободным пространством. Преимуществом такой антенной системы является возможность сканирования пространства в широком диапазоне углов и хороший коэффициент направленного действия, соизмеримый с зеркальными и параболическими антеннами.

Подобная антенная система позволит организовать качественный Wi-Fi мост на значительном удалении от источника сигнала.

Расчет параметров конструктивных частей антенной системы

В качестве первичного облучателя линзы Люнеберга для Wi-Fi диапазона используется МПА круговой поляризации. Геометрические размеры антенны приведены на Рисунке 1, где L=37, мм.

Вид сбоку облучателя показан на Рисунке 2, где h = 2,5 мм – высота подложки, диэлектрическая проницаемость подложки er  = 2,55 и тангенс угла диэлектрических потерь tg (d ) = 0,0007.

В декартовой системе координат диаграмма направленности показана на рисунке 5. Реализуемый коеффициент усиления МПА составляет G=5,6 дБ.


Применение линзы Люнеберга в качестве фокусирующей системе позволит увеличить коэффициент усиления МПА.

Антенны, построенные на базе диэлектрической линзы Люнеберга (ЛЛ) работают по тому принципу, 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 e ' (r) – относительная диэлектрическая проницаемость материала линзы в точке r;

r – текущая радиальная координата;

a – радиус сферы.

Таким образом, создается возможность преобразования слабонаправленной диаграммы направленности антенны первичного облучателя в узкую. Схема прохождения лучей через линзу показана на Рисунке 6.

Антенна на базе линзы Люнеберга обладает рядом полезных свойств: 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 особенности эргономичны и имеют малое аэродинамическое сопротивление (например, ветровым нагрузкам).

Предполагается использовать шестислойную линзу Люнеберга диаметром 150 мм с оптимизированным законом приближения профиля линзы к закону Люнеберга. Характеристики линзы Люнеберга приведены в Табл.1 [2, 3, 4].

Таблица 1 

Характеристики линзы Люнеберга

L	Нормированные радиусы слоев	Диэлектрическая проницаемость слоев e ¢ l
6	0,39; 0,56; 0,68; 0,78; 0,88; 0,96	1,93; 1,77; 1,61; 1,46; 1,31; 1,16

Модель линзы в программном пакете Ansys HFSS представлена на Рисунке 7.

Заключение

Линза Люнеберга с облучателем в виде микрополосковой антенны может быть эффективна использована для организации связи в Wi-Fi диапазоне, показывает отличные антенные характеристики с коэффициентом усиления в 10 dB при малых габаритных размерах устройств [5, 6].

 

Список литературы

1.     Антенные характеристики линзы Люнеберга при круговой поляризации поля/ Б.А. Панченко, Д.В. Денисов // Антенны. – 2013. – №12. – С. 26-30.

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

3.     Antenna theory and design/ R.S. Elliott// IEEE Press, Wiley interscience. – 2003. – P. 594.

4.     Design Optimization of Multishell Luneburg Lenses/ B. Fuchs, L. Le Coq, O. Lafond, S. Rondineau// IEEE Trans. – 2007. AP, vol. 55. – №2 – P. 283-289.

5.     Kumar, Girish Broadband microstrip antennas. — (Artech House antennas and propagation library) Microstrip antennas 2. Broadband communication systems I. Title II. Ray, K. P. 21.3’824

6.     The Mathematical Theory of Optics/ R.K. Luneburg// Providence, RI: Brown Univ. Press. – 1944. – P. 401.

7.     Rondineau. Scattering of Spherically and Hemispherically Stratified Lenses Fed by Any Real Source/ B. Fuchs, S. Palud, L. Le Coq, O. Lafond, M. Himdi, S. // IEEE Trans. – 2008. AP, vol. 56, – №2 – P. 450-460.