FR2582157A1 - Antenna with reduced scanning step over a wide angular sector - Google Patents
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Abstract
Description
ANTENNE A PAS DE BALAYAGE REDUIT
DANS UN LARGE SECTEUR ANGULAIRE
Dans de nombreuses installations radio-électriques, il est nécessaire de disposer, aussi bien en émission qu'en réception, d'antennes ayant un faisceau directif pouvant balayer un large secteur. D'une manière connue, ce résultat peut être obtenu au moyen d'installations mécaniques rotatives qui sont en général lourdes et peu commodes d'utilisation. Pour des fréquences élevées, on a également proposé d'utiliser des antennes directives orientées dans des directions différentes et commutables les unes à la suite des autres. Dans de telles installations, il est difficile de réduire le pas de balayage. En effet, une limitation est introduite par l'ouverture relativement importante du faisceau directif de chacune des antennes utilisées.ANTENNA WITH NO REDUCED SCAN
IN A WIDE ANGULAR SECTOR
In many radio installations, it is necessary to have, both in transmission and in reception, antennas having a directional beam capable of scanning a large sector. In a known manner, this result can be obtained by means of rotating mechanical installations which are generally heavy and inconvenient to use. For high frequencies, it has also been proposed to use directional antennas oriented in different directions and switchable one after the other. In such installations, it is difficult to reduce the sweeping step. Indeed, a limitation is introduced by the relatively large aperture of the directional beam of each of the antennas used.
L'antenne proposée par la présente invention possède des directivités qui peuvent être très différentes dans deux plans orthogonaux et dont le faisceau directif peut balayer, avec un pas réduit, l'un de ces plans sans modification des caractéristiques de rayonnement.The antenna proposed by the present invention has directivities which can be very different in two orthogonal planes and whose directional beam can scan, with a reduced pitch, one of these planes without modification of the radiation characteristics.
Selon la caractéristique principale de l'invention, des sources rayonnantes plates à rayonnement directionnel sont disposées le long de plusieurs génératrices, à la périphérie d'une lentille diélectrique cylindrique de section inhomogène dont l'indice de réfraction varie radialement, les surfaces d'indice de réfraction constant étant des cylindres coaxiaux. Plus précisément, l'indice de réfraction n de la lentille diélectrique, de diamètre 2a, varie radialement, en fonction du rayon r, suivant la loi
de telle sorte que l'indice de réfraction soit égal à 1 à la périphérie et à
au centre de la lentille.According to the main characteristic of the invention, directional radiant flat radiating sources are arranged along several generatrices, at the periphery of a cylindrical dielectric lens of inhomogeneous section whose refractive index varies radially, the index surfaces of constant refraction being coaxial cylinders. More precisely, the refractive index n of the dielectric lens, of diameter 2a, varies radially as a function of the radius r, according to the law
so that the refractive index is equal to 1 at the periphery and at
in the center of the lens.
Suivant un premier mode de réalisation, la lentille diélectrique est constituée d'un manchon cylindrique homogène dans lequel sont réalisés des sillons dont la largeur, faible par rapport à la longueur d'onde du rayonnement, décroît, depuis la périphérie, en direction du centre, une partie centrale restant pleine.According to a first embodiment, the dielectric lens is constituted by a homogeneous cylindrical sleeve in which furrows are formed whose width, which is small relative to the wavelength of the radiation, decreases, from the periphery, towards the center , a central part remaining full.
Suivant un deuxième mode de réalisation, la lentille diélectrique est constituée, à partir d'un noyau central plein, de couches successives percées de trous, dont le diamètre et la distance relative restent faibles par rapport à la longueur d'onde, de manière à être évidées de façon croissante en allant du centre vers la périphérie.According to a second embodiment, the dielectric lens is constituted, starting from a solid central core, of successive layers pierced with holes, whose diameter and relative distance remain small relative to the wavelength, so as to to be hollowed out increasingly from the center to the periphery.
De préférence, le long d'une même génératrice de la lentille diélectrique, sont disposées plusieurs sources rayonnantes plates, identiques les unes aux autres, reliées entre elles au moyen d'un distributeur et constituant un réseau linéaire.Preferably, along the same generator of the dielectric lens, are arranged several flat radiating sources, identical to each other, interconnected by means of a distributor and constituting a linear array.
Chaque source rayonnante plate utilisée epeut avantageusement être un doublet replié symétrique alimenté par une ligne coaxiale et excité au milieu d'une coupure à l'aide d'une ligne triplaque, ou un demi-doublet court-circuité alimenté directement par une ligne coaxiale.Each flat radiating source used may advantageously be a symmetrical folded doublet fed by a coaxial line and excited in the middle of a cut using a triplate line, or a half-doublet short-circuit fed directly by a coaxial line.
A l'émission, le balayage du faisceau directif d'une telle antenne se fera par commutation entre les différents réseaux, un seul de ceux-ci étant utilisé. Par contre, à la réception, l'utilisation des signaux reçus sur deux réseaux permettra d'effectuer une interférométrie précise à partir des diagrammes de directivité somme et différence.On transmission, the scanning of the directional beam of such an antenna will be by switching between the different networks, only one of them being used. On the other hand, on reception, the use of the signals received on two networks will make it possible to perform an accurate interferometry from the sum and difference directivity diagrams.
En se référant aux figures schématiques ci-jointes, on va décrire des exemples de réalisation de l'invention donnés à titre non limitatif.With reference to the attached diagrammatic figures, non-limiting examples of embodiments of the invention will be described.
La figure 1 représente une première réalisation de la
lentille cylindrique diélectrique.Figure 1 represents a first embodiment of the
dielectric cylindrical lens.
La figure 2 représente une deuxième réalisation de la
lentille cylindrique diélectrique.Figure 2 shows a second embodiment of the
dielectric cylindrical lens.
Les figures 3a et 3b représentent une source
rayonnante pouvant être utilisée pour la mise en
oeuvre de l'invention.Figures 3a and 3b show a source
radiant which can be used for
of the invention.
Les figures 4a et 4b représentent une autre source
rayonnante pouvant être utilisée pour la mise en
oeuvre de l'invention.Figures 4a and 4b represent another source
radiant which can be used for
of the invention.
La figure 5 représente un ensemble constitué par des
sources rayonnantes et une lentille cylindrique
diélectrique.FIG. 5 represents a set consisting of
radiating sources and a cylindrical lens
dielectric.
La figure 1 représente une réalisation d'une lentille cylindrique 1. Cette dernière est constituée d'un manchon cylindrique de polytetrafluoréthylène (P.T.F.E.) homogène usiné longitudinalement à l'aide de fraises d'épaisseurs variables pour créer des sillons 2 identiques et répartis régulièrement, dont la largeur, faible devant la longueur d'onde lo, , décroît au fur et à mesure que l'on s'enfonce depuis la périphérie vers le centre. Pour des raisons mécaniques, une partie centrale cylindrique 3 reste non usinée. Le profil de chaque sillon est tel que la loi imposée pour l'indice de réfraction est sensiblement vérifiée pour les deux polarisations de chaque réseau plat polarisations parallèle ou perpendiculaire à l'axe du cylindre.Pour la commodité d'usinage, le profil n'est pas continu et sa largeur varie par bonds successifs en raison des épaisseurs normalisées des fraises disponibles. On peut imaginer un profil continu dans le cas où la lentille est moulée.FIG. 1 shows an embodiment of a cylindrical lens 1. The latter consists of a cylindrical sleeve of homogeneous polytetrafluoroethylene (PTFE) machined longitudinally with strawberries of variable thickness to create grooves 2 identical and distributed regularly, whose width, small in front of the wavelength lo, decreases as one sinks from the periphery towards the center. For mechanical reasons, a cylindrical central portion 3 remains unmachined. The profile of each groove is such that the imposed law for the refractive index is substantially verified for the two polarizations of each flat network polarizations parallel or perpendicular to the axis of the cylinder. For the machining convenience, the profile n ' is not continuous and its width varies by successive leaps due to the standardized thicknesses of available strawberries. One can imagine a continuous profile in the case where the lens is molded.
La figure 2 représente une autre réalisation d'une lentille à indice de réfraction variable radialement. Elle est constituée par plusieurs feuilles d'isolant 4 enroulées les unes sur les autres, pour finalement constituer la lentille cylindrique 1. Chaque feuille 4 est évidée par exemple à l'aide de trous 5 circulaires réalisés par emboutissage. L'évidement est d'autant plus important que la feuille se trouve disposée vers la périphérie. Les diamètres des trous 5 et leurs espacements, rapportés à la longueur d'onde d'espace libre, restent faibles et sont déterminés pour obtenir finalement une loi de l'indice de réfraction effectif de lentille conforme à la loi imposée.Fig. 2 shows another embodiment of a radially variable refractive index lens. It consists of several insulating sheets 4 wound on each other, to finally constitute the cylindrical lens 1. Each sheet 4 is recessed for example by means of circular holes 5 made by stamping. The recess is all the more important that the sheet is disposed towards the periphery. The diameters of the holes 5 and their spacings, relative to the wavelength of free space, remain low and are determined to finally obtain a law of the effective refractive index of the lens according to the imposed law.
D'une manière avantageuse, les structures rayonnantes sont des réseaux linéaires identiques de sources rayonnantes plates disposés le long des génératrices de la lentille parallèlement à son axe et à la périphérie. Chaque réseau possède un diagramme de directivité formé dans le plan méridien correspondant de la lentille qui dépend, de façon classique, de la manière avec laquelle les courants sont distribués dans l'ensemble des sources plates dudit réseau. Le balayage du faisceau dans le plan perpendiculaire à l'axe de la lentille est obtenu en alimentant successivement les différents réseaux. De plus, les signaux reçus sur deux réseaux adjacents ou non permettent d'effectuer une interférométrie précise à partir des diagrammes de directivité somme et différence.Advantageously, the radiating structures are identical linear arrays of flat radiating sources arranged along the generatrices of the lens parallel to its axis and at the periphery. Each network has a pattern of directivity formed in the corresponding meridian plane of the lens which conventionally depends on the manner in which the currents are distributed in all of the flat sources of said network. The scanning of the beam in the plane perpendicular to the axis of the lens is obtained by successively feeding the different networks. In addition, the signals received on two adjacent or non-adjacent networks make it possible to perform precise interferometry from the sum and difference directivity diagrams.
L'ouverture à 3 dB exprimée en radians du faisceau formé dans le plan perpendiculaire à l'axe de la lentille et dû à l'un des réseaux est égale sensiblement à l'expression pour un niveau de lobes secondaires inférieur à - 18 dB
où AOest la longueur d'onde du vide.The 3 dB aperture expressed in radians of the beam formed in the plane perpendicular to the axis of the lens and due to one of the gratings is substantially equal to the expression for a side lobe level of less than - 18 dB
where AO is the wavelength of the vacuum.
Si d est la distance entre deux réseaux quelconques, la distance angulaire les séparant est donnée en radians par
α0 = d a (2)
De (1) et (2) on déduit
If d is the distance between any two networks, the angular distance between them is given in radians by
α 0 = da (2)
From (1) and (2) we deduce
En particulier, si comme cela est possible avec des sources rayonnantes plates, on peut suffisamment rapprocher les réseaux, par exemple à d = 0,25 lof , on déduit
In particular, if it is possible with flat radiating sources, networks can be sufficiently close together, for example at d = 0.25 lof, we deduce
Le pas de balayage, alors égal à la demi ouverture du faisceau, est réduit, ce qui présente un avantage par rapport aux systèmes classiques à balayage pour lesquels le pas est en général au moins égal à l'ouverture à 3 dB du faisceau.The scanning pitch, then equal to the half aperture of the beam, is reduced, which has an advantage over conventional scanning systems for which the pitch is generally at least equal to the opening at 3 dB of the beam.
En fait, le rapprochement des sources rayonnantes limite leur largeur, donc leur bande passante. Plus le pas de balayage est faible et plus la bande passante est étroite.In fact, the approximation of the radiating sources limits their width, therefore their bandwidth. The smaller the scan step, the lower the bandwidth.
Le secteur angulaire de balayage pour lequel les caractéristiques de rayonnement restent constantes est, compte tenu des diagrammes de directivité des sources plates, au moins égal à 90 degrés.The scanning angular sector for which the radiation characteristics remain constant is, given the directivity patterns of the flat sources, at least equal to 90 degrees.
Les figures 3a et 3b illustrent une source rayonnante 6 de type connu pouvant etre utilisée pour la mise en oeuvre de l'invention. Cette source est constituée d'un doublet replié symétrique, alimenté par une ligne coaxiale 7 et excité au milieu d'une coupure 8 à I'aide-dune ligne triplaque 9. Sa bande passante est maximale lorsqu'elle fonctionne a' la troisième rêsonnance, pour laquelle le centre de phase peut etre localisé pratiquement a' la périphérie de la lentille. Cette source rayonnante peut avantageusement être réalisée a' l'aide de deux circuits imprimé juxtaposés.Figures 3a and 3b illustrate a radiating source 6 of known type that can be used for the implementation of the invention. This source consists of a symmetrical folded doublet, fed by a coaxial line 7 and excited in the middle of a cut 8 with the aid of a triplate line 9. Its bandwidth is maximum when it operates at the third resonance for which the phase center can be located substantially at the periphery of the lens. This radiant source can advantageously be made using two printed circuits juxtaposed.
Les figures 4a et 4b illustrent une autre source rayonnante 10 de type connu, constituée d'un doublet courtcircuité, fonctionnant à la résonnance quart d'onde, alimenté par une ligne coaxiale 11.FIGS. 4a and 4b illustrate another radiating source 10 of known type, consisting of a shortcircuit doublet operating at the quarter-wave resonance, fed by a coaxial line 11.
La figure 5 représente, selon une vue en bout, une antenne conforme à l'invention, comportant, d'une part, une lentille cylindrique 1, de même nature que celle représentée à la figure 1, et d'autre part, à la périphérie de ladite lentille des sources rayonnantes 6 ou 10.FIG. 5 represents, in an end view, an antenna according to the invention, comprising, on the one hand, a cylindrical lens 1, of the same nature as that represented in FIG. 1, and on the other hand, at the periphery of said lens of the radiating sources 6 or 10.
Une disposition identique pourrait être réalisée avec une lentille cylindrique telle que celle représentée à la figure 2.An identical arrangement could be achieved with a cylindrical lens such as that shown in FIG.
On va maintenant donner un exemple numérique de réalisation, avec l'indication des performances obtenues. We will now give a numerical embodiment, with the indication of the performances obtained.
Une antenne conforme à l'invention a été testée à une fréquence voisine de 10 GHz, elle comprend une lentille fraisée longitudinalement telle que celle de la figure 1 et une source rayonnante plate du type doublet replié telle que celle des figures 3a et 3b. Cette source a été appliquée de deux façons différentes à la surface du diélectrique, son axe xx' étant parallèle ou perpendiculaire à l'axe de révolution de la lentille.An antenna according to the invention has been tested at a frequency of about 10 GHz, it comprises a longitudinally milled lens such as that of Figure 1 and a flat radiating source of the folded doublet type such as that of Figures 3a and 3b. This source has been applied in two different ways to the surface of the dielectric, its axis xx 'being parallel or perpendicular to the axis of revolution of the lens.
Le manchon cylindrique de PTFE d'un diamètre 2 a = 86 mm et d'une longueur égale à 100 mm porte 60 sillons longitudinaux réalisés à l'aide de 8 fraises d'épaisseurs comprises entre 0,5 et 4 mm. Le profil de chaque sillon est défini par sa largeur e et sa profondeur z comptée à partir de la périphérie données sur le tableau cidessous
The cylindrical sleeve of PTFE with a diameter 2 a = 86 mm and a length equal to 100 mm carries 60 longitudinal grooves made using 8 burs of thickness between 0.5 and 4 mm. The profile of each groove is defined by its width e and its depth z counted from the periphery given in the table below.
<tb> e(mm) <SEP> e(mm) <SEP> 0,5 <SEP> I <SEP> 1 <SEP> | <SEP> 1,5 <SEP> 2 <SEP> 1 <SEP> <SEP> 2,5 <SEP> 1 <SEP> <SEP> 3 <SEP> I <SEP> 3,5 <SEP> I <SEP> 4 <SEP> 4 <SEP>
<tb> I <SEP> ------- <SEP> i <SEP> ----- <SEP> I <SEP> ----- <SEP> I <SEP> ----- <SEP> I <SEP> ----- <SEP> I <SEP> ----- <SEP> I <SEP> ----- <SEP> I <SEP> - <SEP> I <SEP> ----- <SEP> I
<tb> I <SEP> z(mm) <SEP> 119,5 <SEP> 1 <SEP> 14 <SEP> 1 <SEP> 9,7 <SEP> 7 <SEP> 1 <SEP> 5 <SEP> 1 <SEP> 2,51 <SEP> 1,151 <SEP> 0,51 <SEP>
<tb>
La partie centrale cylindrique non usinée a donc un diamètre égal à 47 mm. Pour faciliter l'usinage des sillons le manchon initial est percé sur toute sa longueur et serré entre deux flasques métalliques appliquées sur les deux sections droites et vissées sur une tige métallique axiale au manchon. Après usinage, le trou cylindrique axial est comblé par une tige en PTFE de même diamètre.<tb> e (mm) <SEP> e (mm) <SEP> 0.5 <SEP> I <SEP> 1 <SEP> | <SEP> 1.5 <SEP> 2 <SEP> 1 <SEP><SEP> 2.5 <SEP> 1 <SEP><SEP> 3 <SEP> I <SEP> 3.5 <SEP> I <SEP > 4 <SEP> 4 <SEP>
<tb> I <SEP> ------- <SEP> i <SEP> ----- <SEP> I <SEP> ----- <SEP> I <SEP> ----- <SEP> I <SEP> ----- <SEP> I <SEP> ----- <SEP> I <SEP> ----- <SEP> I <SEP> - <SEP> I <SEP > ----- <SEP> I
<tb> I <SEP> z (mm) <SEP> 119.5 <SEP> 1 <SEP> 14 <SEP> 1 <SEP> 9.7 <SEP> 7 <SEP> 1 <SEP> 5 <SEP> 1 <SEP> 2.51 <SEP> 1.151 <SEP> 0.51 <SEP>
<Tb>
The unmachined cylindrical central portion therefore has a diameter equal to 47 mm. To facilitate the machining of the grooves the initial sleeve is pierced over its entire length and clamped between two metal flanges applied to the two straight sections and screwed onto an axial metal rod to the sleeve. After machining, the axial cylindrical hole is filled by a PTFE rod of the same diameter.
La source rayonnante (voir figures 3a et 3b) a les dimensions suivantes 2 h = 11,4 mm , W'=8 mm , H = 3,2 mm et fonctionne entre 8,5 et 10,5 GHz, bande de fréquences pour laquelle le rapport d'ondes stationnaires de son impédance d'entrée, normalisée à 50 ohms, reste inférieur à 2 lorsqu'elle est appliquée à la périphérie de la lentille.The radiating source (see FIGS. 3a and 3b) has the following dimensions 2 h = 11.4 mm, W '= 8 mm, H = 3.2 mm and operates between 8.5 and 10.5 GHz, a frequency band for which the standing wave ratio of its input impedance, normalized to 50 ohms, remains less than 2 when applied to the periphery of the lens.
Le tableau suivant donne, pour plusieurs fréquences, l'ouverture à 3 dB du faisceau formé dans le plan E (axe x'x de la source perpendiculaire à l'axe de révolution de la lentille), et dans le plan H (axe x'x parallèle à l'axe de la lentille) ainsi que le niveau du premier lobe secondaire.
The following table gives, for several frequencies, the opening at 3 dB of the beam formed in the plane E (axis x'x of the source perpendicular to the axis of revolution of the lens), and in the plane H (axis x 'x parallel to the axis of the lens) as well as the level of the first secondary lobe.
<tb><Tb>
I <SEP> f(GHz) <SEP> 8,5 <SEP> I <SEP> 9 <SEP> I <SEP> 9,5 <SEP> 9 <SEP> 10 <SEP> I <SEP> 10,5 <SEP> 1 <SEP>
<tb> #3dB(plan <SEP> <SEP> "E") <SEP> I <SEP> I <SEP> I <SEP> I <SEP> I <SEP> I
<tb> I <SEP> (degrés) <SEP> 1 <SEP> 18 <SEP> <SEP> 19 <SEP> 18 <SEP> 18 <SEP> 18 <SEP> <SEP> 17 <SEP> I
<tb> I <SEP> I <SEP> I <SEP> I <SEP> I <SEP> I
<tb> Ilobesecondaire <SEP> I <SEP> I <SEP> I <SEP> l <SEP> <SEP> I <SEP> I
<tb> (plan <SEP> "E") <SEP> dB <SEP> 16 <SEP> I <SEP> 15,5 <SEP> 14 <SEP> I <SEP> <SEP> 15,5 <SEP> I <SEP> 15,5 <SEP> 16
<tb> #3dB(plan"H") <SEP> 20 <SEP> 18 <SEP> 17 <SEP> 16,5 <SEP> 16
<tb> lobe <SEP> secondaire <SEP> I <SEP> I <SEP> I <SEP> I <SEP> I <SEP> I
<tb> (plan <SEP> "H") <SEP> dB <SEP> 1 <SEP> 14,5 <SEP> 1 <SEP> 15 <SEP> 14 <SEP> 15 <SEP> 14,5 <SEP> 1 <SEP>
<tb>
La faible différence entre les résultats obtenus pour les plans "E" et "H" indique une bonne isotropie du diélectrique. L'ouverture théorique à 3 dB (1) donne ici dans le plan "E" avec #0 = 30 mm et 2 a = 86 mm 83dB = 20,90 et correspond à un niveau de lobes secondaires égal à -18 dB. <SEP> f (GHz) <SEP> 8.5 <SEP> I <SEP> 9 <SEP> I <SEP> 9.5 <SEP> 9 <SEP> 10 <SEP> I <SEP> 10.5 <SEP> 1 <SEP>
<tb># 3dB (plan <SEP><SEP>"E")<SEP> I <SEP> I <SEP> I <SEP> I <SEP> I <SEP> I
<tb> I <SEP> (degrees) <SEP> 1 <SEP> 18 <SEP><SEP> 19 <SEP> 18 <SEP> 18 <SEP> 18 <SEP><SEP> 17 <SEP> I
<tb> I <SEP> I <SEP> I <SEP> I <SEP> I <SEP> I
<tb> Hepard II <SEP> I <SEP> I <SEP> I <SEP> l <SEP><SEP> I <SEP> I
<tb>(<SEP>"E" plane) <SEP> dB <SEP> 16 <SEP> I <SEP> 15.5 <SEP> 14 <SEP> I <SEP><SEP> 15.5 <SEP> I <SEP> 15.5 <SEP> 16
## EQU1 ##
<tb> lobe <SEP> secondary <SEP> I <SEP> I <SEP> I <SEP> I <SEP> I <SEP> I
<tb>(<SEP>"H" plane) <SEP> dB <SEP> 1 <SEP> 14.5 <SEP> 1 <SEP> 15 <SEP> 14 <SEP> 15 <SEP> 14.5 <SEP > 1 <SEP>
<Tb>
The small difference between the results obtained for the "E" and "H" planes indicates a good isotropy of the dielectric. The theoretical opening at 3 dB (1) gives here in plane "E" with # 0 = 30 mm and 2 a = 86 mm 83 dB = 20.90 and corresponds to a side lobe level equal to -18 dB.
Claims (9)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR8507348A FR2582157B1 (en) | 1985-05-15 | 1985-05-15 | ANTENNA WITH REDUCED SCAN IN A WIDE ANGLE AREA |
Applications Claiming Priority (1)
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FR8507348A FR2582157B1 (en) | 1985-05-15 | 1985-05-15 | ANTENNA WITH REDUCED SCAN IN A WIDE ANGLE AREA |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
FR2582157A1 true FR2582157A1 (en) | 1986-11-21 |
FR2582157B1 FR2582157B1 (en) | 1988-04-08 |
Family
ID=9319294
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
FR8507348A Expired FR2582157B1 (en) | 1985-05-15 | 1985-05-15 | ANTENNA WITH REDUCED SCAN IN A WIDE ANGLE AREA |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
FR (1) | FR2582157B1 (en) |
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CN113922099A (en) * | 2021-11-19 | 2022-01-11 | 重庆大学 | Method for realizing discretization of two-dimensional multilayer Luneberg lens by using modified equivalent medium theory |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
FR2582157B1 (en) | 1988-04-08 |
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