Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка линзового коллиматора из экструдированного пенополистирола повышенной плотности

Сведения об участнике
ФИО
Никулина Юлия Сергеевна
Вуз
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Новосибирский государственный технический университет»
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Новые материалы. Производственные технологии и процессы
Раздел области наук
Материалы для электроники
Тема
Разработка линзового коллиматора из экструдированного пенополистирола повышенной плотности
Резюме
Реализован сравнительный анализ диэлектриков c точки зрения возможности изготовления из них линзовых коллиматоров, выявлен новый перспективный материал с этой точки зрения– экструдированный пенополистирол. Проведен расчёт величины и оценка характера искажений амплитудно-фазового распределения, возникающих при расфокусировке облучателя. Разработан алгоритм для расчёта фазового распределения в раскрыве коллиматора, составлены справочные таблицы, позволяющие оценить допустимые диапазоны перемещения облучателя для различных материалов. Изготовлен реальный линзовый коллиматор из экструдированного пенополистирола.
Ключевые слова
Линзовые коллиматоры, измерения антенн, безэховая камера, экструдированный пенополистирол
Цели и задачи
Большое значение имеет материал, используемый для изготовления линзовых коллиматоров. Традиционно для изготовления радиолинз использовались материалы с высоким значением относительной диэлектрической проницаемости. Однако данные материалы имеют большую массу, малые допуски на точность изготовления поверхности коллиматора. Последнее весьма сказывается на стоимости коллиматора, так как создает необходимость в использовании для изготовления коллиматоров высокоточных приборов, станков. Какие-либо работы, справочные данные об использовании материалов с низким значением относительной диэлектрической проницаемости для изготовления линзовых коллиматоров отсутствуют. Поэтому одной из решаемых задач станет сравнительный анализ традиционно используемых материалов и материалов с низким значением относительной диэлектрической проницаемости c точки зрения возможности изготовления из них линзовых коллиматоров.
При исследовании работы радиотехнических устройств в безэховых камерах источник электромагнитных колебаний (облучатель) может изменять свои координаты. Например, может осуществляться моделирование перемещения излучающего объекта или проверяться возможность пространственной селекции диаграммы направленности (ДН) антенны. Очевидно, что при этом будут наблюдаться искажения амплитудно-фазового фронта в раскрыве коллиматора. В литературе этот вопрос не исследован.
Цель работы: оценить величину и характер искажений амплитудно-фазового распределения, возникающих при его расфокусировке, для одноповерхностного линзового коллиматора, изготовленного из экструдированного пенополистирола.
Для достижения цели, были решены следующие основные задачи:
1. Сравнительный анализ диэлектриков с точки зрения их пригодности для изготовления коллиматоров.
2. Разработка алгоритма расчёта методами геометрической оптики фазового распределения (ФР) в раскрыве радиолинзы для произвольного положения облучателя.
3. Расчёт амплитудного распределения (АР) с учётом коэффициента прохождения.
4. Определение ДН коллиматора по известному амплитудно-фазовому распределению.
5. Оценка величины допустимых отклонений облучателя от положения фокуса в зависимости от материала коллиматора.
6. Разработка по результатам исследований реального линзового коллиматора.
Введение

Измерения антенн в безэховых камерах отличаются высокой точностью, обеспечивают требование секретности и защиту от радиопомех. Платой за это является их высокая стоимость, которая пропорциональна размерам камеры и может достигать десятков миллионов рублей. Для снижения материальных расходов используют коллиматоры, преобразующие сферический фазовый фронт облучателя в плоский. Область применения коллиматоров является весьма обширной: измерения параметров антенн в радиотехнике, радиолокации, радиосвязи, радиоастрономии и т.д. Они позволяют сократить расходы на изготовление безэховых камер, стоимость которых может достигать десятков миллионов рублей, в зависимости от требований заказчика, в 4-20 раз!

Методы и материалы

Традиционно для изготовления коллиматоров используются материалы с высоким значением относительной диэлектрической проницаемости : стекло, фторопласт, керамика, полистирол и т.д.  Это связано, прежде всего, с тем, что такие материалы (в особенности стекло различных видов) применяются в оптике для изготовления оптических линз.

Весьма новым и перспективным решением является использование для изготовления коллиматоров газонаполненные материалы с низким значением относительной диэлектрической проницаемости.

В качестве примера такого материала в работе рассмотрен экструдированный пенополистирол. Этот материал доступен, имеет низкую стоимость, используется в строительстве в качестве утеплителя.

При расчёте диэлектрических радиолинз используют методы геометрической оптики, которые являются приближёнными. При этом предполагается, что размеры раскрыва велики по сравнению с длиною волны, поэтому результаты расчётов не являются абсолютно точными. Поскольку методы геометрической оптики обладают высокой наглядностью, не сложны и обеспечивают хорошее приближение, они нашли широкое применение в радиооптике. 

Кроме того, при выполнении проекта использовались методы и подходы: математического моделирования, законы геометрической оптики, геометрической теории дифракции, радиофизики и электродинамики, моделирования в САПР.

Описание и обсуждение результатов

Материалы с низким коэффициентом преломления, в частности, экструдированный пенополистирол, обладают высокими допусками на точность изготовления. Это позволяет изготовлять линзовые коллиматоры с меньшей точностью, не используя в производстве специальные высокоточные станки, что снижает себестоимость разработки коллиматора. Использование таких материалов обеспечивает минимальные потери на отражение, что положительно влияет на точность измерений.

Расфокусировка облучателя приводит к следующим искажениям формы фазового фронта.При выносе облучателя из фокуса вдоль главной оптической оси форма фронта искажается, возникают квадратичные фазовые ошибки. При равной абсолютной величине смещения облучателя от положения фокуса в случае приближения облучателя к радиолинзе фазовая ошибка возрастает быстрее. При отклонении облучателя от точки фокуса в направлении поперечном главной оптической оси возникают несимметричные искажения  фазового фронта. Форма фазового фронта ожидаемо слабо меняется при перемещении облучателя. Искажения наиболее сильны в области линзы, противоположной направлению выноса облучателя. Фазовый фронт в пределах апертуры линзы представляет собой сложную фигуру далекую как от сферы, так и от плоскости. Наблюдается рост как квадратичных, так и кубических фазовых ошибок. 

При отклонении облучателя от положения фокуса вдоль главной оптической оси главный лепесток диаграммы направленности (ДН) расширяется, уровень боковых лепестков растет, происходит замывание нулей ДН. Это объясняется ростом квадратичной фазовой ошибки по раскрыву линзы. По мере отклонения облучателя от положения фокуса в направлении поперечном главной оптической оси, ДН становится не симметричной. Уровень боковых лепестков снижается для углов больших угла выноса и возрастает для углов меньших угла выноса облучателя. Незначительно смещается главный лепесток ДН в направлении облучателя.

Материалы с высоким значением относительной диэлектрической проницаемости обеспечивают более равномерное амплитудное распределение в раскрыве коллиматора. 

Были получены справочные таблицы для экструдированного пенополистирола, фторопласта и стекла, позволяющие оценить максимально возможную величину расфокусировки при различных геометрических размерах коллиматора и фокусного расстояния.

Степень внедрения – в НГТУ в рамках выполнения хоздоговорных работ был разработан и изготовлен реальный линзовый коллиматор из экструдированного пенополистирола. 

Используемые источники
1. Антенны с электрическим сканированием (Введение в теорию) / О.Г. Вендик, М.Д. Парнес // под ред. Л.Д. Бахраха, М.: САЙНС-ПРЕСС, 2002. - 232 с.
2. Бахрах Л.Д., Кременецкий С.Д., Курочкин А.П., Усин В.А., Шифрин Я.С. Методы измерений параметров излучающих систем в ближней зоне – Л.: Наука, 1985. 272 с.
3. Фрадин А.З., Рыжков Е.В. Измерения параметров антенно-фидерных устройств. Изд. 2-е, доп. М.: Связь, 1972. 352 с.
4. Майзельс Е.Н., Торгованов В.А. Измерение характеристик радиолокационных целей. М.: Советское радио, 1972. – 232 с.
5. Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование линзовых,сканирующих, широкодиапозонных антенн и фидерных устройств. М.: Энергия, 1973. 440 с.
6. Зелкин Е.Г., Петрова Р.А. Линзовые антенны – М.: Сов. Радио – 1974. – 280 с.
7. Бахрак Л.Д., Бенинсон Л.С., Зелкин Е.Г. Справочник по антенной технике: Справ. в 5 т. – М. ИПРЖР, 1997.
Information about the project
Surname Name
Julia S. Nikulina
Project title
Development of the collimator lens of high density extruded polystyrene
Summary of the project
Implemented a comparative analysis of dielectrics c point of view, the possibility of manufacturing of these lens collimators, identified a promising new material from this point of view-extruded polystyrene. Spend the calculation of the size and nature of the assessment of distortion of amplitude-phase distribution arising from the irradiator defocusing. The algorithm for calculating the phase distribution in the aperture collimator, compiled reference tables to assess the permissible ranges of movement of feed for different materials. It made a real collimator lens made of extruded polystyrene foam.
Keywords
Lens collimators, measuring antennas, anechoic chamber, extruded polystyrene