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