‫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 – ‪jacob.remez@gmail.com ,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