ДонНТУ Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Общая теория о линзовых антеннах довольно часто встречается в работах, как зарубежных, так и отечественных специалистов, однако практическое применение линзовых антенн (на основе линзы Люнеберга и Максвелла) рассматривается крайне редко. Причина этому достаточно очевидна. Появление относительно-несложных способов реализации моделей диэлектрических антенн пришлось, в большей мере, на 21й век.

Современная эпоха антенных систем с широким углом обзора, таких как, радиолокаторы, пеленгаторы, требуют наличия антенных систем особого рода, позволяющих менять пространственное положение фокуса антенны с наибольшей скоростью и наименьшими затратами энергии. Одним из способов решить эту проблему является применение линзовых антенн.

Применение линзовых антенн позволяет использовать несколько облучателей одновременно, а также реализовывать поворотный механизм, вращая облучатели по поверхности линзы.

Линзовые антенны, построенные с применением сферической конструкции (для линзы Люнеберга) и полусферической (для линзы Максвелла) могут производиться разными способами. Основной способ, использующийся на протяжении нескольких десятилетий, является применение полимерных материалов с различной диэлектрической проницаемостью. Рассмотрены следующие материалы, подходящие для изготовления линз с переменной диэлектрической проницаемостью: пенополивинилхлорид, пенополистирол, пенополиуритан. Данная группа пенопластов прекрасно подходит для изготовления линз по нескольким причинам (легкость, прочность), однако основными причинами является диэлектрическая проницаемость материала, зависящая от плотности и относительная стабильность показателя диэлектрической проницаемости в зависимости от частоты облучения.

1. Актуальность темы

Основное свойство рассматриваемых линз, это выравнивание фронта сферической волны, т. е. преобразование плоской волны в сферическую. Зачем это нужно, если рассматривая электромагнитную волну, прошедшую значительное расстояние (десятки и сотни тысяч λ), мы получим и так плоский фронт? Затем, что направление распространение энергии можно контролировать линзой и суммарная мощность сигнала по направлению главного лепестка диаграммы направленности может быть увеличена простой доработкой антенной системы. То же самое мы можем сказать и об обратном преобразовании. Рассмотрим систему на примере приемной рупорной антенны – плоская волна, проходя через раскрыв рупора, возбуждает в антенно-фидерном тракте определенной мощности ток, но если диэлектрическая линза будет стоять перед рупором, то в раскрыв антенны поступит мощность большая, чем поступала при отсутствии линзы, за счет прохождения сквозь линзу большего количества энергии и концентрации ее в фокусе линзы, где расположена рупорная антенна. Данное свойство используется в системах связи с высокой частотой излучаемого сигнала (десятки гигагерц), таких как межспутниковая связь, а также при организации наземной связи – мобильная связь широкого потребления и радиорелейная связь.

Стоит заметить, что на протяжении длительного времени был выработан следующий принцип конструирования диэлектрических линз с переменным коэффициентом диэлектрической проницаемости: создание прототипа, основанного на теории и дальнейшие его испытания на практике. Это приводит к нецелесообразным затратам. Так как изготовить вещество, с переменной диэлектрической проницаемостью крайне сложно, решили прибегнуть к методу формирования линзы из множества слоев различной диэлектрической проницаемости. Но добиться нужных характеристик от линзы удавалось не с первого раза, что и влияло на конечную стоимость прототипа. Часто, изготовленная линза не только требовала последующей доработки, но и полной переработки – увеличение количества слоев, применение полимеров другого типа.

Перспективы использования линзовых антенн состоят в возможности применения технологии для разных диапазонов частот.

В современном мире всё чаще используют роботизированную технику и искусственный интеллект, особенно сильное развитие в данной области сейчас переживает автомобилестроение. Крупные концерны Mersedes, BMW, HONDA и HYUNDAI уже имеют свои концепты и прототипы беспилотных автомобилей, не говоря о таком гиганте промышленных технологий, как тесла. Но все эти искусственные интеллекты объединяет одно – им необходимо видеть дорогу.

Метод радиолокации с использованием диэлектрической линзы не нов, однако мой подход к решению поставленной задачи отличается большей адаптивностью. Целью исследования было создание моделей в программном продукте HFSS, позволяющих выявить закономерность проектирования однотипних антенн на различные диапазоны волн. Создание универсального алгоритма при проектировании и разработке позволило бы сильно сократить время и затраты на реализацию многих технических проектов. Основным параметром в современной инженерной индустрии является скорость. Это не только скорость разработки того или иного проекта, сколько скорость внедрения в производство с применением минимального времени на реконструкцию такого производства.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Конечной целью исследования является простой способ моделирования сложных структур переменной диэлектрической проницаемости, формирующих линзовую антенну с возможностью быстрого внедрения в производство.

Основные задачи исследования:

  1. Анализ существующих технологий изготовления диэлектрических линз.
  2. Анализ сфер применения диэлектрических антенн на практических приложениях.
  3. Поиск альтернативных способов изготовления линзовых антенн.
  4. Формирование единого алгоритма при моделировании, анализе и теоретическом производстве, соответствующем различным диапазонам частот.

3. Обзор исследований и разработок в области применяемых материалов и используемых подходов

Пенопласт – класс материалов, представляющий собой газонаполненные пластмассы – сверхлегкие пластические материалы, получаемые на основе различных синтетических полимеров. Напоминают структуру застывшей пены. Наполнитель таких материалов – газ [1].

Пенополистирол – довольно распространенный материал, в виду того, что при использовании дешевого способа изготовления (прессованный и безпрессованный) используется в качестве упаковочного и транспортировочного материала для бытовой техники. Но нас интересует более сложный способ его изготовления – экструзионный [2].

Экструзия – технология получения изделий путём продавливания вязкого расплава материала или густой пасты через формующее отверстие. Экструдеры различной формы позволяют создавать материалы различной плотности.

Экструзионный пенополистирол не пропускает влагу, вследствие чего не повреждается со временем из-за воздействия высокой влажности [3].

Пенополивинилхлорид – обладает высокой эластичностью, в составе отсутствуют высокотоксичные вещества, является самозатухающим веществом. Однако в случае полного окружения пламенем, начинает выделять удушливый дым. Незначительно впитывает влагу, которая при замерзании может разрушить структуру материала [4].

Пенополиуритан – в быту называется поролоном – обладает чрезвычайно высокой эластичностью и наличием множества пор, пропускает влагу и воздух, очень недолговечен, быстро желтеет и теряет свои свойства при воздействии солнечных лучей и тепла. Характеризуется высокой огнеопасностью, при горении выделяет токсичные вещества из-за наличия большого количества синильной кислоты [5].

Для данной группы пенопластов существует график зависимости физических свойств от объемной плотности, в частности график зависимости диэлектрической проницаемости от плотности вещества[6].

Из информации о свойствах вспененных полимеров [7] прослеживается четкая зависимость повышения температурной стабильности с уменьшением плотности вещества. При пересчете диэлектрической проницаемости в зависимости от массовой доли вещества на единицу объема можно сделать важнейший вывод: при проектировании диэлектрических линз из полимерных материалов нужно учитывать коэффициент температурного изменения диэлектрической проницаемости материала в зависимости от плотности слоя согласно температурному режиму работы конечного устройства.

Более детальную информацию о материалах и формулах, используемых при производстве пенопластов разной плотности и, соответственно, диэлектрической проницаемости можно получить изучив исследовательские материалы от ASTM International (American Society for Testing and Materials) [8]. На протяжении нескольких десятилетий изучаются свойства материалов и их поведение в различных средах и при различных воздействиях. Что касается полимеров, мной был составлен список стандартов, описывающих нужные в работе материалы [9]:

– ASTM D149–09(2013) Standard Test Method for Dielectric Breakdown Voltage and Dielectric Strength of Solid Electrical Insulating Materials at Commercial Power Frequencies – Пробивное напряжение и электрическая прочность электроизолирующих материалов при промышленных частотах;

– ASTM D150–11 Standard Test Methods for AC Loss Characteristics and Permittivity (Dielectric Constant) of Solid Electrical Insulation – Емкостное сопротивление при переменном токе, диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери для изолирующих материалов;

– ASTM D1673–94(1998) Standard Test Methods for Relative Permittivity And Dissipation Factor of Expanded Cellular Polymers Used For Electrical Insulation – Диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь для пенопластов, используемых в качестве электроизоляции;

– ASTM D1531–06 Standard Test Methods for Relative Permittivity (Dielectric Constant) and Dissipation Factor by Fluid Displacement Procedures1 – Диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь полиэтилена;

– ASTM D229–13 Standard Test Methods for Rigid Sheet and Plate Materials Used for Electrical Insulation – Испытание листовых пластмасс используемых в качестве изолирующих материалов;

– ASTM D4549–15 Standard Classification System and Basis for Specification for Polystyrene and Rubber-Modified Polystyrene Molding and Extrusion Materials – Литьевые и экструзионные пластмассы на основе полистирола;

– ASTM D4000–16 Standard Classification System for Specifying Plastic Materials – Экструзионные пластмассы на основе полиуретана;

– ASTM D1248–16 Standard Specification for Polyethylene Plastics Extrusion Materials for Wire and Cable – Литьевые и экструзионные пластмассы на основе полиэтилена;

– ASTM D2287–12 Standard Specification for Nonrigid Vinyl Chloride Polymer and Copolymer Molding and Extrusion Compounds – Пластифицированный поливинилхлорид и сополимеры винилхлорида.

4. Оптимизация и обобщение методов разработки моделей диэлектрических линз

Ключевой задачей на этапе подготовки было найти способ создания больших и точных геометрических моделей без потери временных ресурсов. Поиски способов автоматизации этого процесса, привели к созданию алгоритма, с использованием языка программирования VBS, который позволял бы при внесении определенных корректировок изменять геометрические размеры исследуемой модели, иначе говоря – моделировать антенну для другого частотного диапазона. Автоматизация процесса переноса модели из области мысли в программную среду моделирования позволила больше времени уделить количественным испытаниям при моделировании, что, в дальнейшем окажет благотворное влияние на качество исследуемых моделей. В нашем случае, это означает создание универсальной модели диэлектрической линзовой антенны.

Параллельно с процессом увеличения скорости моделирования, также рассматриваются несколько способов изготовления реальной модели линзовой антенны, позволяющих определить лучший, для использования в промышленности. Критерии определения лучшего способа заключаются, в большей степени, в получении оптимального соотношения между параметрами –цена, -скорость, -качество.

Первый способ подразумевает использование вспененных полимеров, позволяющих, в зависимости от плотности, менять диэлектрическую проницаемость. Эти полимеры и будут формировать линзовую антенну. Второй способ подразумевает использование 3Д-печати, имеет свои преимущества и недостатки, по отношению к первому способу и основан на неоднородном заполнении единицы объёма материалом для печати.

Для рассмотрения перспектив использования трехмерной печати для изготовления диэлектрических линзовых антенн, стоит обратить внимание на возможности современной печати и используемые материалы.

Существуют несколько основных типов используемых материалов[10]:

- жидкие;

- сыпучие;

- нитевидные или прутковые;

- листовые и пленочные.

К типу жидкого сырья относятся фотополимерные акриловые смолы, которые приобретают твердость благодаря световому облучению. Готовые изделия отличаются высокой детализацией и гладкостью поверхностей.

К сыпучим относят пески, полимеры и металлопорошки. Кварцевые, циркониевые, керамические и хромированные пески, в основном, используют для печати форм, в которых выполняется металлическое литье.

Сыпучие полимеры – полиамид, полистирол, PMMA и др. Они используются производственными лазерными SLS-принтерами, создающими изделия с особыми характеристиками: гибкие, прочные, со стойкостью к смене температур и износу.

Нитевидные или прутковые расходные материалы

Материалы этого типа делятся на полимеры и металлы. Именно ABS- и PU-подобными полимерами печатают на самых распространенных в наше время FDM-принтерах[11].

Внимание стоит обратить на последнюю группу материалов из-за их широкой распространенности, а также простоты использования. Полимерные материалы было очень удобно использовать при создании диэлектрических линз за счет изменения плотности структуры. Ключевой вопрос: как использовать материалы с однородной структурой?

Если обратиться к физико-химическим параметрам материалов, то мы увидим, что большинство полимерных материалов для трехмерной печати обладают удобными для нашего использования характеристиками диэлектрической проницаемости.

Таблица электрических свойств полимеров

Рисунок 1 – Таблица электрических свойств полимеров [12]

Важным аспектом является не только диэлектрическая проницаемость, но и тангенс угла диэлектрических потерь. Этот параметр имеет большое значение в антенных системах, являющихся нагрузкой для высокочастотных усилителей большой мощности, поскольку большие потери в материале приведут к разрушению диэлектрической линзы.

Основной задачей в компьютерном моделировании является преобразование идеи в виртуальную модель, которая бы с заданной точностью повторяла бы поведение реального объекта. Для определения, на сколько точно виртуальная модель может соответствовать реальной применяется метод упрощенного сравнения – берется очень простая модель, которая обладает базовыми исходными характеристиками и по ней создается виртуальная модель, и если параметры виртуальной и реальной модели совпадают, то имеет смысл продолжать программное моделирование в выбранной среде.

Структура формирования реальной модели для обработки программой трехмерного принтера подразумевает некоторые ограничения в физических свойствах модели:

- разрешение при печати – существуют разные виды сопел с разным диаметром, однако для печати линзовой антенны стоит учитывать необходимое наличие каркаса, который бы минимально влиял на характеристики линзы. Это приводит к следующему усложнению – чем тоньше будет использоваться сопло при печати, тем дольше времени понадобится для формирования законченной модели.

- используемые материалы должны подходить для наименьшего диаметра используемого сопла, а печать при этом должна быть равномерной.

Фактическое влияние на распространение волны представлено на анимации. Следует понимать, что чем точнее изготовлена линза (чем больше структура линзы соответствует неравномерности диэлектрической проницаемости, а, соответственно, чем больше в ней переходных слоёв), тем более качественным является преобразование фронта волны.

Распространение электромагнитного поля ближней зоны с применением линзы

Рисунок 2 – Распространение электромагнитного поля ближней зоны с применением линзы
(анимация: 3 кадра, 3 цикла повторения, 210 килобайт)

Выводы

В настоящее время диэлектрические линзовые антенны не получили широко распространения, однако разрабатываемый алгоритм способен открыть новые возможности использования в антенных системах, за счет простоты предварительного расчета и легкости физической реализации виртуальных моделей. Перспективы такого моделирования наиболее вероятно могут появиться в области использования локаторов малой мощности для определения окружения при управлении автомобилями с помощью искусственного интеллекта.

Список источников

  1. Кабанов, В.А. Энциклопедия полимеров / В.А. Кабанов. – М.: Советская энциклопедия, 1974. – 1032 с.
  2. Берлин, А.А. Пенополимеры на основе реакционноспособных олигомеров / А.А. Берлин, Ф.А. Шутов. – М.: Химия, 1978. – 296 с.
  3. Гармонов, И.В. Синтетический каучук / И.В. Гармонов. – Л.: Химия, 1976. – 752 с.
  4. Галицкая, Л.И. Конструкционные свойства пластмасс / Л.И. Галицкая, В.В. Коган. – М.: Химия, 1967. – 464 с.
  5. Глухов, Е.Е. Основные понятия о конструкционных и технологических свойствах пластмасс / Е.Е. Глухов. – М.: Химия, 1970. – 124 с.
  6. Шнейдерович, Р.М. Конструкционные свойства пластмасс / Р.М. Шнейдерович, И.В. Крагельский. – М.: Машиностроение, 1968. – 212с.
  7. Гарбара, М.И. Справочник по пластическим массам / М.И Гарбара, М.С. Акутина, Н.М. Егорова. – М.: Химия, 1967. – 462 с.
  8. Стандарты материалов используемых в производстве диэлектрических материалов [Электронный ресурс]. – Режим доступа: www.astm.org.
  9. Стандарты материалов используемых в производстве пенопласта [Электронный ресурс]. – Режим доступа: www.polyma.ir.
  10. Материалы трехмерной печати [Электронный ресурс]. – Режим доступа: 3d-expo.ru/...
  11. Предложения современного рынка полимерных пластиков [Электронный ресурс]. – Режим доступа: mcgroup.co.uk/news/...
  12. Электрические характеристики некоторых полимеров, применяемых в 3D-печати [Электронный ресурс]. – Режим доступа: www.3d-industry.net/materialy-review/plastik/...