מטריצת בטלר 8×8 מודפסת להזנת מערך אנטנות ליניארי בעל 8 קורנים

Comments

Transcription

מטריצת בטלר 8×8 מודפסת להזנת מערך אנטנות ליניארי בעל 8 קורנים
‫סמסטר אביב תשע"ב‬
‫(‪ )44‬הצעה לפרויקט בנושא אנטנות‬
‫שם הפרויקט‪ :‬מטריצת בטלר ‪ 8×8‬מודפסת להזנת מערך אנטנות ליניארי בעל ‪ 8‬קורנים‬
‫מנחה‪ :‬יעקב רמז‪ ,‬מהנדס אנטנות ומערכי אנטנות – ‪[email protected] ,052-8963377‬‬
‫כללי‪:‬‬
‫תחנת בסיס סלולארית בעלת אנטנה רבת‪-‬אלומות )‪ (MBA-Multi Beam Antenna‬יכולה לנהל תקשורת בו‪-‬זמנית עם מספר‬
‫מנויים‪ .‬לאנטנה יש מספר אלומות‪ ,‬וכל מנוי נקלט ע"י האלומה הפונה לכיוונו‪ .‬האנטנה מורכבת משני חלקים‪ :‬רשת הזנה בעלת‬
‫הדקי כניסה כמספר האלומות‪ ,‬והדקי יציאה כמספר הקורנים במערך האנטנות‪ .‬בנוסף‪ ,‬המערכת כוללת מערך אנטנות שהוא‬
‫מערך ליניארי של קורנים‪ .‬דוגמא לאנטנה רבת‪-‬אלומות מתוארת באיור ‪.1‬‬
‫מטריצת בטלר הינה רשת מיקרוגל פאסיבית בעלת הדקי אלומה והדקי קורנים‪ .‬מספר הדקי האלומות שווה למספר הקורנים‬
‫(באיור ‪ 1‬יש ‪ 8‬הדקי אלומות‪ ,‬ו‪ 8-‬הדקי קורנים)‪ .‬מלבד מטריצת בטלר יש עוד רשתות הזנה פאסיביות שיוצרות אנטנה רבת‪-‬‬
‫אלומות‪ .‬יתרונה של הרשת הזו הינו שתיאורטית אין לה הפסדים‪ .‬אנרגיית המיקרוגל )‪ (RF‬המוזנת להדק אלומה מגיעה בחלוקה‬
‫שווה אל הקורנים‪ ,‬ולכן נצילות המערכת גבוהה ויכולה להגיע ל‪ .100%-‬כל הדק אלומה יוצר שיפוע מופע אחר על פני הקורנים‬
‫וכך נוצרים על פני המערך הקורן פילוגי עוצמה אחידים ושיפועי מופע ליניארים‪ .‬כל שיפוע מופע יוצר אלומה סוקרת לכיוון אחר‪,‬‬
‫וכך נוצרות מספר אלומות בו‪-‬זמנית ואנטנה רבת‪-‬אלומות‪.‬‬
‫לאנטנה רבת‪-‬אלומות יש יתרון על פני מערך סוקר אלקטרונית‪ ,‬שבו יש מסיט מופע אלקטרוני על כל קורן‪ .‬מסיטי המופע‬
‫יוצרים שיפוע מופע אחד על פני המערך הקורן‪ .‬לכן‪ ,‬לאנטנה זו יש רק אלומה אחת‪ ,‬הסוקרת כל פעם לכיוון אחר‪ ,‬בהתאם למיתוג‬
‫מסיטי המופע לשיפוע מופע אחר‪ .‬אנטנה סוקרת אלקטרונית הינה אנטנה אקטיבית הדורשת אספקת מתח וחיווט פיקוד למסיטי‬
‫המופע‪ ,‬ומחשב פיקוד‪ ,‬בעוד שאנטנה רבת‪-‬אלומות היא מערכת פאסיבית‪.‬‬
‫המטריצה מורכבת מרכיבי מיקרוגל פאסיביים כגון מצמד ומסיט‪-‬מופע פאסיבי‪ .‬במסגרת הפרויקט הסטודנטים ילמדו לתכנן‬
‫את רכיבי המיקרוגל השימושיים הנ"ל‪ .‬הסטודנטים ילמדו גם שיקולי תכנון של מערכי אנטנות‪ :‬השפעת המרחק בין הקורנים על‬
‫הגבר האנטנה‪ ,‬על רוחב האלומות‪ ,‬כיווני האלומות ועומק החיתוך בין האלומות‪.‬‬
‫מטריצת בטלר ניתנת למימוש בטכנולוגיה מודפסת הנוחה לייצור המוני וזול‪ .‬לעיתים ניתן להדפיס את הקורנים יחד עם רשת‬
‫ההזנה ואז מתקבלת מערכת רבת‪-‬אלומות קלה וזולה‪ .‬כאשר המטריצה מודפסת (בשכבה אחת) קווי התמסורת המגשרים בין‬
‫רכיבי המטריצה חוצים זה את זה‪ .‬במימוש כזה דרוש רכיב חצייה בכל נקודת מפגש‪ .‬במסלולים שאינם חוצים מסלולים אחרים‬
‫דרוש שיהיו רכיבי חצייה דמה לקיזוז רכיבי החצייה שבמסלולים המקבילים‪ ,‬כדי להשוות אורך ומופע של כל המסלולים‪ ,‬וכך‬
‫ליצור מטריצה מודפסת רחבת‪-‬סרט‪ .‬זה מסבך את המעגל המודפס‪ ,‬ואכן מטריצות שפותחו בעולם אינן כוללות את כל רכיבי‬
‫הדמה הדרושים ולכן הן צרות‪-‬סרט‪ .‬כיוון שהמימוש המודפס פשוט וזול כדאי להתאמץ לממש מטריצה מודפסת גם אם המעגל‬
‫שלה מורכב ומסובך יותר‪ .‬לאחרונה הוצע על ידי מנחה הפרויקט מעגל ‪ layout‬חדש המתאר מימוש מודפס של מטריצת בטלר ‪8×8‬‬
‫מלאה ורחבת סרט (איורים ‪ 1‬ו‪.)2-‬‬
‫בסמסטרים קודמים הפרויקט נלקח ובוצע ברובו‪ .‬מטרת הפרויקט הנוכחי הינה להשלים את הפרויקט הקודם‪ .‬מטרת הפרויקטים‬
‫הקודם והנוכחי הינה לתכנן‪ ,‬לבנות ולמדוד מטריצות בטלר מודפסות ‪ 8×8‬רחבות סרט (לפחות ‪ ,)22%‬שתהיינה הכי רחבות‪-‬סרט‬
‫שפותחו מעולם‪ ,‬הישג הראוי לפרסום כמאמר מקצועי‪ .‬לשם כך הלכנו בשני כיוונים‪ :‬פותחה מטריצת בטלר מודפסת המבוססת על‬
‫מצמדים מסוג ‪ ,coupled-lines‬וגם פותחה מטריצה המבוססת על מצמדים מסוג ‪ .branched-line couplers‬המטריצה מהסוג‬
‫הראשון נבנתה ונמדדה (איור ‪ )3‬והביצועים שהתקבלו היו טובים‪ .‬המטריצה מהסוג השני גם כן תוכננה‪ ,‬אך המעגל המודפס שיוצר‬
‫היה פגום (ראה איור ‪ .)2‬בפרויקט הנוכחי המעגל המודפס ייוצר שוב‪ ,‬ובניית המטריצה ומדידתה יושלמו‪ .‬התוצאות הצפויות‬
‫למטריצה זו הן רוחב סרט קטן יותר‪ ,‬אך יותר דיוק בשיפועי המופע‪ .‬הסטודנטים ילמדו את הנושא‪ ,‬יחזרו על התכן בסימולציה‪,‬‬
‫יממשו וימדדו את המטריצה‪ .‬התוצאות המדודות הנוספות יכללו במאמר‪ .‬הפרויקט מלמד ומעשיר מבחינה מקצועית כיוון שהוא‬
‫כולל את כל השלבים‪ :‬לימוד התיאוריה‪ ,‬תכן וסימולציה‪ ,‬הכרת שיטות ייצור‪ ,‬בנייה ומדידה‪ ,‬ודיווח ע"י מאמר בעיתון מקצועי‪.‬‬
‫דרישות הפרויקט‪:‬‬
‫‪.1‬‬
‫‪.2‬‬
‫‪.3‬‬
‫‪.4‬‬
‫‪.5‬‬
‫לימוד הנושא של מטריצת בטלר ומרכיביה (ע"י קריאת מאמר‪ ,‬והסברים מהמנחה)‪.‬‬
‫הכרה ותפעול של תוכנת ‪ CST-MWS‬לאנליזה אלקטרומגנטית (א"מ) המאפשרת תכנון א"מ של מרכיבי המטריצה‪ ,‬וחישוב‬
‫א"מ של כל הרשת כרכיב אחד רב‪-‬הדקים‪ .‬המנחה ילמד את הסטודנטים כיצד להפעיל את התוכנה‪.‬‬
‫לימוד הנושא של של מצמדים מודפסים מסוג ‪ branched-line coupler‬בטכנולוגיית ‪( stripline‬קריאת מאמר)‪.‬‬
‫תכן מצמד מודפס בסטריפליין אויר‪ ,‬סימולציה ואופטימיזציה בתוכנה (חזרה על תכן שבוצע והגעה לאותן מידות)‪.‬‬
‫תכן רכיב חצייה המורכב משני מצמדים (‪ )4‬בחיבור קסקדה‪ ,‬ותכן רשת קיזוז‪ :‬רשת שוות‪-‬מופע לרכיב חצייה ברוחב סרט גדול‪.‬‬
‫יש לחזור בסימולצייה על תכן שבוצע ולהגיע לאותן מידות אליהן הגיעו באופטימיזציה בפרויקט הקודם‪.‬‬
‫‪ .6‬לימוד הנושא של מסיט מופע דיפרנציאלי פאסיבי (קריאת מאמר על ‪.)Schiffman phase-shift component‬‬
‫‪ .7‬תכן מסיטי המופע הנדרשים‪ 45° ,22.5° :‬ו‪ 67.5°-‬והוכחת ביצועיהם בסימולציה‪ .‬יש לחזור על תכן שבוצע‪ ,‬ולהגיע לאותן‬
‫מידות אופטימליות שפותחו בפרויקט הקודם‪ ,‬כיוון שכבר הוכח שמידות אלה נותנות ביצועים טובים‪.‬‬
‫‪ .8‬בנייה בתוכנה של מטריצת בטלר שלמה‪ ,‬המודפסת בשכבה אחת‪ ,‬בעלת שמונה כניסות ושמונה יציאות לפי איור ‪ ,2‬וסימולציה‬
‫של כל הרשת המודפסת כרכיב אחד בתוכנת ‪ .CST‬יש להוכיח מהפאזות של צימודי ההעברה המחושבים שהרשת עובדת‪.‬‬
‫‪ .9‬הפקת שרטוט של המעגל המודפס מהתוכנה‪ ,‬והוצאתו לייצור‪ .‬הזמנת עבודה מכאנית של כל החלקים המכאניים הנדרשים‬
‫לבניית המטריצה במבנה סטריפליין אויר‪ .‬קיים תכנון מכאני חלקי‪ ,‬וחלקים אחדים כבר יוצרו‪ .‬אח"כ יש להרכיב את‬
‫המטריצה כולל ‪ 16‬מחברי ‪ ,RF‬ויש למדוד אותה (תחום תדרי מדידה ‪.)9.5 ÷ 10.5 GHz‬‬
‫‪ .12‬הפקת תוצאות מהמדידות‪ ,‬מצגת סיום וכתיבת ספר פרויקט מסכם‪.‬‬
‫דרישת קדם או במקביל‪ :‬קורס מיקרוגלים‪ ,‬התקני מיקרוגל פסיביים או קורס אנטנות וקרינה‪.‬‬
‫היקף העבודה‪ :‬פרויקט סמסטריאלי לזוג סטודנטים‪.‬‬
‫מערך ליניארי‬
‫‪ 8‬קורנים‬
‫קו מודפס‬
‫ריק‬
‫רשת קיזוז מופע‬
‫רשת קיזוז מופע‬
‫קו מודפס‬
‫ריק‬
‫איור ‪ 3‬מטריצה ממומשת‬
‫בטכנולוגייה אחרת‬
‫בפרויקט קודם‬
‫מצמד‬
‫‪branch-line‬‬
‫מסיט מופע‬
‫דיפרנציאלי‬
‫מופע‬
‫חסר קו‬
‫מודפס‬
‫רשת קיזוז מופע‬
‫רכיב חצייה‬
‫חסר קו‬
‫מודפס‬
‫מסיט מופע‬
‫דיפרנציאלי‬
‫מופע‬
‫מצמד‬
‫‪branched-line‬‬
‫איור ‪ 2‬רשת הזנה מעגל מודפס ממומש אבל פגום‬
‫מסיט מופע‬
‫דיפרנציאלי‬
‫מופע‬
‫רשת הזנה‬
‫פאסיבית מטריצת‬
‫בטלר ‪8×8‬‬
‫איור ‪ 1‬מערכת רבת אלומות‬

Similar documents