Магистерский диплом (ВКР) на тему Разработка методики проектирования линзовой антенны E диапазона

Содержание:

Введение. 7

1 Анализ ТЗ и патентно-информационный анализ. 10

1.1 Анализ технического задания. 10

1.2
Патентно-информационный поиск. 16

1.2.1
Патентный поиск. 16

1.2.2
Информационный поиск. 23

Выводы к
разделу 1. 29

2.  Методики
проектирования линзовых антенн. 31

2.1
Классификация линзовых антенн. 32

2.1.1
Линзы с одной преломляющей поверхностью.. 34

2.1.2
Зональные линзы.. 35

2.1.3
Общие линзы с двумя поверхностями. 38

2.1.4
Одноповерхностные или контактные линзы.. 41

2.1.5
Линзы с металлическими пластинами. 42

2.1.6
Диэлектрические линзовые антенны.. 44

2.1.7  Гиперболоидная линзовая антенна. 45

2.1.8
Объективы с двойной поверхностью.. 45

2.1.9
Шнурковая линза. 49

2.1.10
Люнебургская линза. 51

2.2
Технические характеристики и области применения линзовых антенн. 52

2.3
Анализ линзовой антенны с использованием геометрической оптики. 56

Выводы к
разделу 2. 58

3. Конструкторская часть. 60

3.1
Описание конструкции и принцип действия линзовой антенны E-диапазона  60

3.2
Расчет антенны.. 62

3.3
Методика проектирования антенны.. 74

Выводы к
разделу 3. 81

Заключение. 82

Список использованной литературы.. 84

Введение:

Report Ocean опубликовал отчет
о мировом рынке линзовых антенн
23 сентября 2021 года (Heraldkeepers),
в котором анализируются многочисленные факторы, важные для роста отрасли. Необходимость
развертывания беспроводной сети обуславливается двумя факторами: создания высокоскоростного
магистрального соединения и разгрузка передачи данных в густонаселенных городских
районах.

Беспроводные сети, работающие
в диапазоне миллиметровых волн, например, на частоте 60 ГГц или выше, является одним
из перспективных решений для постоянно растущего спроса на сотовую связь с высокой
скоростью передачи данных.

Такие высокочастотные радиосистемы
быстро и легко развертываются, при этом наблюдается снижение большой нагрузки на
трафик данных
в сотовых беспроводных сетях. Для того чтобы реализовать сети
с возможностью быстрого развертывания, необходимо выполнить технологический анализ
различных областей беспроводных систем,
а в частности оценку методов физического уровня, касающихся антенн
и проблем распространения волн в высокоскоростном магистральном соединении.

Одним из распорстраненных
высокочастотных диапазонов радиосвязи является диапазон 60 ГГц, поддерживаемый,
например, стандартами IEEE [1,2]. Хотя радиосистемы с частотой 60 ГГц обеспечивают широкую
полосу пропускания (более 5 ГГц), по всему миру их применение регулируется только
для использования внутри помещений. В этом случае радиосистемы, работающие в E-диапазоне, т. е. в диапазоне радиочастот
от 71 до 86 ГГц, могут быть альтернативным выбором, обеспечивая более низкие потери

на поглощение из-за молекул воздуха. Требования к диапазону E для стационарных систем
наружной радиосвязи приведены, например, в работах А. Ламминена и Дж. Сайли Центр
технических исследований VTT Финляндии [3].

В данной работе рассматривается
тип антенн с большим коэффициентом усиления, подходящих для интеграции с антенной
решеткой и коммутационной сетью, необходимой для управления лучом, а именно линзовые
антенны E-диапазона, работающие
по каналу связи в городской среде.

Проблема разработки антенн
существенна, поскольку антенна является неотъемлемой частью излучающей системы в
рамках технологии производства антенн. Подобная ситуация возникает при необходимости
обеспечения проверки и настройки антенны в ходе ее изготовления, монтажа и эксплуатации.

Поэтому создание методики
расчета антенн при проектировании технических решений и технологий линзовой антенны
E-диапазона с учетом оптимальных
геометрических, электрофизических и иных свойств в целях улучшения характеристик
линзовой антенны E-диапазона
является актуальной научно-технической задачей.

Если спроектировать линзу
с учетом доступных степеней свободы, тогда каждая линза с однородным диэлектриком
будет иметь две поверхности и эквивалентна двойному отражателю, поскольку каждая
поверхность представляет собой степень свободы.

Поэтому при разработке методики
проектирования линзовой антенны, сначала необходимо рассмотреть линзу с одной поверхностью
и устранить одну степень свободы, делая поверхности соответствующими входящей или
исходящей волне. Формирование обеих поверхностей позволит исправить один недостаток
линзы.

Однако пропускную способность
канала можно улучшить если преобразовать заданный шаблон канала в желаемое распределение
диафрагмы. Существуют линзы «bootlace»
— это проходные линзы, у которых элементы принимающей и излучающей антенных решёток
соединены между собою отрезками линий передачи. Такие линзы имеют три возможные
степени свободы и состоят из соединительных кабелей, соединяющих боковые стороны.
Обычно используется степень свободы объектива «bootlace» для увеличения количества точек фокусировки. Для упрощения
конструкции, можно уменьшить степени свободы. Также в конструкциях применяется линза
Люнебурга, использующая переменный показатель преломления.

Таким образом, целесообразно
спроектировать линзу на основе геометрической оптики. Тогда линзы, как и параболические
отражатели не будут иметь ограничения полосы пропускания по частоте, которое является
недостатком таких сетей, также как и механический недостаток, связанный
с большим размером. Линзовые антенны обладают большим высокочастотным потенциалом.

Целью работы является
улучшение коэффициента пропускания линзовой антенны за счет разработки методики
проектирования линзовой антенны E –диапазона.

Заключение:

Линзовая антенна, основанная
на дифграммоформирователе в виде плоских линз («шнурковая линза») является наиболее
подходящим выбором для формирования нескольких лучей в радиолокационной связи E-диапазона. Был предложен модифицированный
подход к геометрии и дизайну объектива антенны. Рассчитана ошибка длины пути на
фронте волны. Предлагаемая геометрия анализируется с использованием контурного интегрального
подхода.

Методы быстрого прототипирования и тенденция к переходу
на миллиметровые и субмиллиметровые волны возвращают интерес
к линзовым антеннам, а именно к конфигурациям интегрированных линзовых антенн, используя
преимущества быстрых параллельных достижений в области недорогого изготовления интегральных
схем миллиметрового диапазона. Эта интеграция побуждает к массовым приложениям на
этих диапазонах.

В работе было показано, что диэлектрические линзы очень гибки
для удовлетворения технических требований, а конструкция линз достаточно проста.
Хотя быстрый прогресс будучи изготовленными
на низкопрофильных плоских антеннах с использованием фазовращающих ячеек и метаматериалов,
диэлектрические линзы останутся сильным конкурентом в E-диапазоне благодаря своей эффективности и простоте
проектирования и изготовления.

Научная новизна работы заключается в разработке методики проектирования линзовой
антенны E-диапазона, обоснованию рекомендаций по использованию разработанной методики,
с помощью которой повышена эффективность линзовых антенн с увеличенным коэффициентом
усиления.

Разработана теоретическая модель, которая позволяет прогнозировать усиление
луча или порта подачи и порта матрицы объектива. В линзе
с несколькими линзами для формирования луча, для преодоления амплитудно-фазовой
ошибки наиболее важен правильный анализ усиления. Для точки зрения анализа здесь
я беру симметричную линзу для шнурков,
в других типах геометрии эта концепция также применима.

В результате проведенной работы решены следующие задачи:

1. Проведен анализ систем передачи
данных с использоваием беспроводной связи и выявлено, что линзовые антенны являются
эффективными средствами приемо-передачи информации
по радиолокационной связи.

2. Составлена классификация линзовых
антенн и расчсмотрены
10 видов линзовых антенн, различающихся по типу поверхности; проведен анализ методик
проектирования каждого варианта линзы.

3. Изучена конструкция и принцип
действия линзовой антенны
с помощью гемотрической оптики, их технические характеристики;

4.  Произведен расчет линзовой антенны и определение
расчетной диаграммы направленности.

5. Разработана методика поректирования
линзовой антенны с учетом особенностей геометрии линзы. При этом смодулирована «шнурковая»
линза, приведены коэффициенты мощности и усиления в зависимости
от подключения антенны и от диаметра линзы.

Фрагмент текста работы:

1.1 Анализ технического задания Линзовая антенна использует свойства сходимости и расходимости
линзы для передачи и приема сигналов. Эти антенны состоят из дипольной или рупорной
антенны, за которой следует линза. Размер используемого объектива зависит от рабочей
частоты — чем выше частота, тем меньше объектив. Благодаря этому объективные антенны
используются на высоких частотах, так как на более низких частотах они могут быть
довольно громоздкими.