ДонНТУ Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Загальна теорія про лінзові антени досить часто зустрічається в роботах як зарубіжних, так і вітчизняних фахівців, проте практичне застосування лінзових антен (на основі лінзи Люнеберга і Максвелла) розглядається рідко. Причина цього досить очевидна. Поява нескладних способів реалізації моделей діелектричних антен припало, в більшій мірі, на 21 століття.

Сучасна епоха антенних систем з широким кутом огляду, таких як радіолокатори, пеленгатори, вимагають наявності антенних систем особливого роду, що дозволяють змінювати просторове положення фокуса антени з найбільшою швидкістю і найменшими витратами енергії. Одним із способів вирішити цю проблему є застосування лінзових антен.

Застосування лінзових антен дозволяє використовувати кілька опромінювачів одночасно, а також реалізовувати поворотний механізм, обертаючи опромінювачі по поверхні лінзи.

Лінзові антени, побудовані із застосуванням сферичної конструкції (для лінзи Люнеберга) і напівсферичної (для лінзи Максвелла) можуть проводитися різними способами. Основним спосібом, що використовується протягом декількох десятиліть, є застосування полімерних матеріалів з різною діелектричною проникністю. Розглянуті наступні матеріали, які підходять для виготовлення лінз зі змінною діелектричною проникністю: пенополівінілхлорід, пінополістирол, пінополіуретан. Дана група пінопластів чудово підходить для виготовлення лінз з кількох причин (легкість, міцність), однак основними причинами є діелектрична проникність матеріалу, що залежить від щільності, і відносна стабільність показника діелектричної проникності, в залежності від частоти опромінення.

1. Актуальність теми

Основна властивість розглянутих лінз – це вирівнювання фронту сферичної хвилі, тобто перетворення плоскої хвилі в сферичну. Навіщо це потрібно, якщо розглядаючи електромагнітну хвилю, що пройшла значну відстань (десятки і сотні тисяч λ), ми отримаємо і так плоский фронт? Тому що напрямок поширення енергії можна контролювати лінзою і сумарна потужність сигналу у напрямку головної пелюстки діаграми спрямованості може бути збільшена простою доробкою антенної системи. Те ж саме ми можемо сказати і про зворотне перетворення. Розглянемо систему на прикладі приймальної рупорної антени – плоска хвиля, проходячи через розкрив рупора, збуджує в антенно-фідерному тракті певної потужності струм, але якщо діелектрична лінза буде стояти перед рупором, то в розкрив антени надійде потужність більша, ніж надходила при відсутності лінзи, за рахунок проходження крізь лінзу більшої кількості енергії і концентрації її в фокусі лінзи, де розташована рупорна антена. Дана властивість використовується в системах зв'язку з високою частотою випромінюваного сигналу (десятки гігагерц), таких як міжспутниковій зв'язок, а також при організації наземного зв'язку – мобільний зв'язок широкого споживання і радіорелейний зв'язок.

Варто зауважити, що протягом тривалого часу був вироблений наступний принцип конструювання діелектричних лінз зі змінним коефіцієнтом діелектричної проникності: створення прототипу, заснованого на теорії, і подальші його випробування на практиці. Це призводить до недоцільних витрат. Так як виготовити речовину зі змінною діелектричною проникністю вкрай складно, вирішили вдатися до методу формування лінзи з безлічі шарів різної діелектричної проникності. Але домогтися потрібних характеристик від лінзи вдавалося не з першого разу, що і впливало на кінцеву вартість прототипу. Часто, виготовлена лінза не тільки вимагала подальшої доробки, а й повної переробки – збільшення кількості шарів, застосування полімерів іншого типу.

Перспективи використання лінзових антен складаються в можливості застосування технології для різних діапазонів частот.

У сучасному світі все частіше використовують роботизовану техніку і штучний інтелект, особливо сильний розвиток в даній області зараз переживає автомобілебудування. Великі концерни Mersedes, BMW, HONDA та HYUNDAI вже мають свої концепти і прототипи безпілотних автомобілів, не кажучи про такий гігант промислових технологій, як тесла. Але всі ці штучні інтелекти об'єднує одне – їм необхідно бачити дорогу.

Метод радіолокації з використанням діелектричної лінзи не новий, проте мій підхід до вирішення поставленого завдання відрізняється більшою адаптивністю. Метою дослідження було створення моделей в програмному продукті HFSS, що дозволяють виявити закономірність проектування однотипних антен на різні діапазони хвиль. Створення універсального алгоритму при проектуванні і розробці дозволило б сильно скоротити час і витрати на реалізацію багатьох технічних проектів. Основним параметром в сучасній інженерній індустрії є швидкість. Це не тільки швидкість розробки того чи іншого проекту, скільки швидкість впровадження у виробництво із застосуванням мінімального часу на реконструкцію такого виробництва.

2. Мета і задачі дослідження, заплановані результати

Кінцевою метою дослідження є простий спосіб моделювання складних структур змінної діелектричної проникності, що формують лінзову антену з можливістю швидкого впровадження у виробництво.

Основні завдання дослідження:

  1. Аналіз існуючих технологій виготовлення діелектричних лінз.
  2. Аналіз сфер застосування діелектричних антен на практичних додатках.
  3. Пошук альтернативних способів виготовлення лінзових антен.
  4. Формування єдиного алгоритму при моделюванні, аналізі та теоретичному виробництві, відповідному різним діапазонам частот.

3. Огляд досліджень і розробок в області застосовуваних матеріалів і використовуваних підходів

Пінопласт – клас матеріалів, що представляє собою газонаповнені пластмаси – надлегкі пластичні матеріали, одержувані на основі різних синтетичних полімерів. Нагадують структуру застиглої піни. Наповнювач таких матеріалів – газ [1].

Пінополістирол – досить поширений матеріал, з огляду на те, що при використанні дешевого способу виготовлення (пресований і безпрессованний) використовується в якості пакувального і транспортувального матеріалу для побутової техніки. Але нас цікавить більш складний спосіб його виготовлення – екструзійний [2].

Екструзія – технологія отримання виробів шляхом продавлювання в'язкого розплаву матеріалу або густої пасти через формуючий отвір. Екструдери різної форми дозволяють створювати матеріали різної щільності.

Екструзійний пінополістирол не пропускає вологу, внаслідок чого не пошкоджується згодом через вплив високої вологості [3].

Пенополівінілхлорід – володіє високою еластичністю, в складі відсутні високотоксичні речовини, є самозагасаючою речовиною. Однак в разі повного оточення полум'ям, починає виділяти задушливий дим. Незначно вбирає вологу, яка при замерзанні може зруйнувати структуру матеріалу [4].

Пенополиуритан – в побуті називається поролоном – має надзвичайно високу еластичність і наявність безлічі пор, пропускає вологу і повітря, дуже недовговічний, швидко жовтіє і втрачає свої властивості при впливі сонячних променів і тепла. Характеризується високою вогненебезпечністю, при горінні виділяє токсичні речовини через наявність великої кількості синильної кислоти [5].

Для даної групи пінопластів існує графік залежності фізичних властивостей від об'ємної щільності, зокрема графік залежності діелектричної проникності від щільності речовини[6].

З інформації про властивості спінених полімерів [7] простежується чітка залежність підвищення температурної стабільності зі зменшенням щільності речовини. При перерахунку діелектричної проникності в залежності від масової частки речовини на одиницю об'єму, можна зробити найважливіший висновок: при проектуванні діелектричних лінз з полімерних матеріалів потрібно враховувати коефіцієнт температурного зміни діелектричної проникності матеріалу в залежності від щільності шару, згідно з температурним режимом роботи кінцевого пристрою.

Більш детальну інформацію про матеріали і формули, що використовуються при виробництві пінопластів різної щільності і, відповідно, діелектричної проникності можна отримати вивчивши дослідні матеріали від ASTM International (American Society for Testing and Materials) [8]. Протягом декількох десятиліть вивчаються властивості матеріалів і їх поведінку в різних середовищах і при різних впливах. Що стосується полімерів, мною був складений список стандартів, що описують потрібні в роботі матеріали[9]:

– ASTM D149–09(2013) Standard Test Method for Dielectric Breakdown Voltage and Dielectric Strength of Solid Electrical Insulating Materials at Commercial Power Frequencies – Пробивна напруга і електрична міцність електроізолюючих матеріалів при промислових частотах;

– ASTM D150–11 Standard Test Methods for AC Loss Characteristics and Permittivity (Dielectric Constant) of Solid Electrical Insulation – Ємністий опір при змінному струмі, діелектрична проникність і діелектричні втрати для ізолюючих матеріалів;

– ASTM D1673–94(1998) Standard Test Methods for Relative Permittivity And Dissipation Factor of Expanded Cellular Polymers Used For Electrical Insulation Діелектрична проникність і тангенс кута діелектричних втрат для пінопластів, що використовуються як електроізоляційні;

– ASTM D1531–06 Standard Test Methods for Relative Permittivity (Dielectric Constant) and Dissipation Factor by Fluid Displacement Procedures1 – Діелектрична проникність і тангенс кута діелектричних втрат поліетилену;

– ASTM D229–13 Standard Test Methods for Rigid Sheet and Plate Materials Used for Electrical Insulation – Випробування листових пластмас використовуваних як ізолюючих матеріалів;

– ASTM D4549–15 Standard Classification System and Basis for Specification for Polystyrene and Rubber-Modified Polystyrene Molding and Extrusion Materials – ливарні та екструзійні пластмаси на основі полістиролу;

– ASTM D4000–16 Standard Classification System for Specifying Plastic Materials – Екструзійні пластмаси на основі поліуретану;

– ASTM D1248–16 Standard Specification for Polyethylene Plastics Extrusion Materials for Wire and Cable – ливарні та екструзійні пластмаси на основі поліетилену;

– ASTM D2287–12 Standard Specification for Nonrigid Vinyl Chloride Polymer and Copolymer Molding and Extrusion Compounds – Пластифікований полівінілхлорид і сополімери вінілхлориду.

4. Оптимізація і узагальнення методів розробки моделей діелектричних лінз

Головним завданням на етапі підготовки було знайти спосіб створення великих і точних геометричних моделей без втрати ресурсів часу. Пошуки засобів автоматизації цього процесу, привели до створення алгоритму, з використанням мови програмування VBS, який дозволяв би при внесенні певних коригувань змінювати геометричні розміри досліджуваної моделі, інакше кажучи – моделювати антену для іншого частотного діапазону. Автоматизація процесу перенесення моделі з області думки в програмне середовище моделювання дозволила більше часу приділити кількісним випробувань при моделюванні, що, в подальшому позитивно вплине на якість досліджуваних моделей. У нашому випадку, це означає створення універсальної моделі діелектричної лінзової антени.

Паралельно з процесом збільшення швидкості моделювання, також розглядаються кілька способів виготовлення реальної моделі лінзової антени, що дозволяють визначити кращий спосіб, для використання в промисловості. Критерії визначення кращого способу полягають, в більшій мірі, в отриманні оптимального співвідношення між параметрами – ціна, – швидкість, – якість.

Перший спосіб має на увазі використання спінених полімерів, що дозволяють, залежно від щільності, міняти діелектричну проникність. Ці полімери і формуватимуть лінзову антену. Другий спосіб має на увазі використання 3D-друку, має свої переваги і недоліки, відносно першого способу і заснований на неоднорідному заповненні одиниці об'єму матеріалом для друку.

Для розгляду перспектив використання процесу тривимірного друку для виготовлення діелектричних лінзових антен, варто звернути увагу на можливості сучасного друку і використовувані матеріали.

Існують кілька основних типів використовуваних матеріалів[10]:

- рідкі;

- сипучі;

- ниткоподібні або пруткові;

- листові і плівкові.

До типу рідкого сировини відносяться фотополімерні акрилові смоли, які набувають твердість завдяки світловому опроміненню. Готові вироби відрізняються високою деталізацією і гладкістю поверхонь.

До сипучих відносять піски, полімери та металопорошки. Кварцові, цирконієві, керамічні і хромовані піски, в основному, використовують для друку форм, в яких виконується металеве лиття.

Сипучі полімери – поліамід, полістирол, PMMA і ін. Вони використовуються виробничими лазерними SLS-принтерами, що створюють вироби з особливими характеристиками: гнучкі, міцні, зі стійкістю до зміни температур і зносу.

Ниткоподібні або пруткові витратні матеріали;

Матеріали цього типу поділяються на полімери і метали. Саме ABS- і PU-подібними полімерами друкують на найпоширеніших в наш час FDM-принтерах[11].

Увагу варто звернути на останню групу матеріалів через їх широку поширеність, а також простоту використання. Полімерні матеріали було дуже зручно використовувати при створенні діелектричних лінз за рахунок зміни щільності структури. Ключове питання: як використовувати матеріали з однорідною структурою?

Якщо звернутися до фізико-хімічним параметрам матеріалів, то ми побачимо, що більшість полімерних матеріалів для тривимірної друку мають зручні для нашого використання характеристики діелектричної проникності.

Таблиця єлектричних властивостей полімерів

Рисунок 1 – Таблиця єлектричних властивостей полімерів [12]

Важливим аспектом є не тільки діелектрична проникність, але і тангенс кута діелектричних втрат. Цей параметр має велике значення в антенних системах, є навантаженням для високочастотних підсилювачів великої потужності, оскільки великі втрати в матеріалі призведуть до руйнування діелектричної лінзи.

Основним завданням в комп'ютерному моделюванні є перетворення ідеї в віртуальну модель, яка б із заданою точністю повторювала б поведінку реального об'єкта. Для визначення, на скільки точно віртуальна модель може відповідати реальній застосовується метод спрощеного порівняння – береться дуже проста модель, яка володіє базовими вихідними характеристиками і по ній створюється віртуальна модель, і якщо параметри віртуальної і реальної моделі збігаються, то має сенс продовжувати програмне моделювання в обраній середовищі.

Структура формування реальної моделі для обробки програмою тривимірного принтера має на увазі деякі обмеження у фізичних властивостях моделі:

- розширення при друці – існують різні види сопел з різним діаметром, однак для друку лінзової антени варто враховувати необхідну наявність каркаса, який би мінімально впливав на характеристики лінзи. Це призводить до наступного ускладнення – чим тонше буде використовуватися сопло при друку, тим довше часу знадобиться для формування закінченої моделі.

- використовувані матеріали повинні підходити для найменшого діаметра використовуваного сопла, а друк при цьому повинен бути рівномірним.

Фактичний вплив на поширення хвилі представлено на анімації. Слід розуміти, що чим точніше виготовлена лінза (чим більше структура лінзи відповідає нерівномірності діелектричної проникності, а, відповідно, чим більше в ній перехідних шарів), тим якіснішим є перетворення фронту хвилі.

Поширення електромагнітного поля ближньої зони із застосуванням діелектричної лінзи

Рисунок 2 – Поширення електромагнітного поля ближньої зони із застосуванням діелектричної лінзи
(анімація: 3 кадра, 3 цикла повторення, 210 кілобайт)

Висновки

В даний час діелектричні лінзові антени не отримали широкого розповсюдження, проте розробляється алгоритм здатний відкрити нові можливості використання їх в антенних системах, за рахунок простоти попереднього розрахунку і легкої фізичної реалізації віртуальних моделей. Перспективи такого моделювання найбільш ймовірно можуть з'явитися в галузі використання локаторів малої потужності для визначення оточення при управлінні автомобілями за допомогою штучного інтелекту.

Перелік посилань

  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/...