Линза ротмана что это

Обнаружение и распознавание сигналов

2. Анализ регулярных сигналов

2.4 Классификация подсистем КПС по назначению и характеру преобразования сигналов.

Линзовые антенны – это апертурные антенны оптического типа. Как свидетельствует само название, основным элементом в этих антеннах является линза, которая преобразует пучок лучей, расходящийся из фокуса, в котором находится источник излучения (при работе в режиме передачи), в пучок параллельных лучей на раскрыве линзы. И наоборот, пучок параллельных лучей, падающих на раскрыв линзы, сходится в ее фокусе (в режиме приема), где улавливается рупором, открытым концом волновода, вибратором и т.д.

Модельное представление линзовых систем осуществляется в, основном когерентном приближении. Тем не менее, и в когерентном и некогерентном приближениях теоретические аспекты описания оптических и радиотехнических линз аналогичны, поскольку строятся на основе моделей распространения электромагнитного излучения.

Содержание

Линзы

В линзовых антеннах (далее, линзы), такие же как и в зеркальных, используются облучатели. Для линзовой антенны ширина диаграммы направленности и КНД (Коэффициент Направленного Действия) рассчитываются исходя из размеров апертуры в долях волны. Положения фокальных плоскостей определяются так же, как и в геометрической оптике. Во всех случаях, модельное представление радиотехнических линз аналогично моделированию линз оптических. Аналогичным образом строится модельное представление фазированных антенных решеток. Линзовые антенны разделяются на замедляющие и ускоряющие.

Замедляющие линзы

В замедляющих линзах фазовая скорость меньше скорости света (аналогично оптическим стеклянным линзам). Замедляющие линзы выполняют из высокочастотного диэлектрика или из более легкого и имеющего меньшие потери искусственного диэлектрика, представляющего собой систему из небольших металлических дисков, шариков и пр., укрепленных на диэлектрическом каркасе или вкрапленных в пенополистироле или другом диэлектрике с малыми потерями и малой диэлектрической проницаемостью.

Ускоряющие линзы

В ускоряющих линзах фазовая скорость больше скорости света (как в волноводе). Ускоряющие линзы изготавливают в виде системы параллельных металлических пластин (металлопластинчатые линзы) или секций прямоугольных волноводов, оси которых параллельны оси антенны. Пример ускоряющей линзы приведен на рис. 1.

Линзы Люнеберга

Преимущество линзовых антенн перед зеркальными (классические антенны РЛС) состоит в том, что у них облучатель не затеняет раскрыва и не искажает распределения в апертуре. Имеется несколько типов линзовых антенн, позволяющих обеспечить широкий сектор качания (сканирования) луча. Таким свойством, например, обладают сферическая и цилиндрическая линзы Люнеберга. В линзе Люнеберга со сферической симметрией показатель преломления должен изменяться по ходу лучей. Аналогичным образом выполняются градиентные линзы (граданы) в оптике.

Источник излучения (облучатель), расположенный на периферии линзы (рис. 2), создает пучок параллельных лучей на ее апертуре. Перемещение облучателя по сфере приводит к качанию диаграммы направленности линзы по любым направлениям. Обычно сферическую линзу Люнеберга возбуждают решеткой облучателей, и тогда каждому из облучателей соответствует своя неподвижная остронаправленная диаграмма направленности. Вся система облучателей с линзой образует многолучевую антенную систему, способную одновременно обслуживать широкий сектор углов, осуществляя в нем непрерывный радиолокационный контроль пространства, а также вести направленную радиосвязь одновременно с различными корреспондентами, находящимися в разных направлениях.

Линза Ротмана

К многолучевым линзовым антеннам кроме линзы Люнеберга следует отнести линзу Ротмана и линзу R-2R. Принцип действия линзы Ротмана основан на том, что линза в своем простейшем исполнении состоит из области между параллельными пластинами, питаемой коаксиальными зондами с двух противоположных сторон. Зонды с правой стороны линзы (входы излучающих элементов) соединены высокочастотным кабелем определенной длины с отдельными излучающими элементами антенной решетки на раскрыве линзы. Зонды, расположенные с левой стороны линзы (входы лучей), распределены вдоль фокальной дуги таким образом, что каждый из них соответствует определенному направлению луча в пространстве.

Источник

Батарейки больше не нужны. 5G сигналы как источник беспроводной энергии для IoT

IoT уже вышли за пределы домов отдельно взятых людей и начали «завоевывать» города. От концепции «умного дома» мы перешли к «умному городу». Интернет вещей или IoT для краткости — это экосистема, состоящая из интеллектуальных устройств с подключением к Интернету, которые используют встроенные процессоры, датчики и коммуникационное оборудование для сбора, отправки и обработки данных, которые они получают из своей среды.
Интернет вещей приведёт к появлению большего количества взаимосвязанных «умных городов», мест, управляемых данными в реальном времени. Города будут способствовать автономным транспортным средствам обмениваться данными с интеллектуальными устройствами людей, а их интеллектуальные устройства будут подключены к их домам, а их дома будут подключены к остальной части города, используя данные в реальном времени для улучшения качества жизни его жителей. К 2025 году планируется установить 40 миллиардов устройств IoT.

Чтобы Интернет вещей работал стабильно, нам нужен 5G. Это основа для реализации всего потенциала IoT. Но IoT это не только быстрая загрузка данных, высокоскоростная связь, низкая задержка трафика, но и повсеместное покрытие всей обслуживаемой территории сети. А так как дальность действия сигнала 5G от источника сигнала максимум сотни метров, то для покрытия сети понадобятся МНОГО-МНОГО антенн 5G. Группа учёных из Джорджии в целях экономии решили использовать такое изобилие антенн не только для подключения к сети девайсов IoT, но и для их электропитания. Нововведение может помочь устранить зависимость мира от аккумуляторов для зарядки устройств, предоставив альтернативу с использованием избыточной емкости 5G.

Незримый ЛЭП

5G был разработан для молниеносной связи с малой задержкой. Для этого были приняты частоты миллиметрового диапазона, что позволило Федеральной комиссии связи США достичь беспрецедентно высоких плотностей излучаемой мощности. Сами того не зная, архитекторы 5G создали таким образом беспроводную электросеть, способную питать устройства на дальностях, намного превышающих возможности любых существующих технологий. Однако этот потенциал может быть реализован только в том случае, если удастся обойти фундаментальный компромисс в области сбора беспроводной энергии.

Группа исследователей из Технологического института Джорджии разработала инновационную небольшую выпрямляющую антенну, напечатанную на 3D-принтере, которая может собирать электромагнитную энергию из сигналов 5G и использовать ее для питания устройств IoT.
Как говорят учёные, гибкая выпрямляющая антенна на основе линзы Ротмана, другими словами, ректенна, может выполнять сбор сигналов миллиметровой волны в диапазоне 28 ГГц. Линза Ротмана является ключевой для сетей формирования луча и часто используется в системах радиолокационного наблюдения, чтобы видеть цели в нескольких направлениях без физического перемещения антенной системы. Однако для получения энергии, достаточной для питания устройств, необходимы антенны большего размера, которые, к сожалению, имеют суженное поле зрения, и это ограничивает их использование.

Но чтобы собрать достаточно энергии для питания маломощных устройств на больших расстояниях, требуются антенны с большой апертурой. Проблема с большими антеннами в том, что у них сужается поле зрения. Это ограничение препятствует их работе, если антенна широко разнесена от базовой станции 5G.

«Мы решили проблему возможности смотреть только с одного направления с помощью системы, которая имеет широкий угол обзора», — говорит старший научный сотрудник Алин Эйд (Aline Eid) из лаборатории ATHENA, созданной в Школе электротехники и компьютерной инженерии Джорджии.

(a) Двойное комбинирование (RF + DC), обеспечиваемое использованием линзы Ротмана между антеннами и выпрямителями, (b) график смоделированных максимальных коэффициентов решетки и углового покрытия для линз Ротмана разных размеров и © изображение изготовленная структура линзы Ротмана.

FCC разрешила 5G фокусировать мощность гораздо более плотно по сравнению с предыдущими поколениями сотовых сетей. Современная сеть 5G предоставляет широкие возможности для «сбора» неиспользованной энергии, которая иначе была бы потрачена впустую.

«Благодаря этому нововведению мы можем получить большую антенну, которая работает на более высоких частотах и ​​может принимать энергию с любого направления. Он не зависит от направления, что делает его более практичным», — отметил Джимми Хестер (Jimmy Hester), старший советник лаборатории, технический директор и соучредитель Atheraxon, дочернего предприятия Технологического института Джорджии, разрабатывающего технологию радиочастотной идентификации (RFID) 5G.

Вся электромагнитная энергия, собираемая антенными решётками с одного направления, объединяется и подается в один выпрямитель, что увеличивает его эффективность.

(a) График смоделированных и измеренных коэффициентов отражения на выходе луча 4 в плоских и изогнутых условиях и (b) Графики максимальных коэффициентов решетки и угловых направлений отверстий P1, P3 и P5 луча в зависимости от частоты.

Все дело в физике

«Люди прежде уже пытались собирать энергию на высоких частотах, таких как 24 или 35 гигагерц», — говорит Эйд. «Но такие антенны работали только в том случае, если они находились в прямой видимости от базовой станции 5G. До сих пор не было возможности увеличить угол обзора».

Работая так же, как оптическая линза, линза Ротмана обеспечивает одновременно шесть полей зрения в виде формы паука. Изменение формы линзы приводит к изменению угла кривизны со стороны порта луча и со стороны антенны. Это позволяет структуре отображать набор выбранных направлений излучения на связанный набор портов луча. Затем линза используется в качестве промежуточного компонента между приёмными антеннами и выпрямителями для сбора энергии 5G.

(a) Схема суммирования мощности на основе линз Ротмана и (b) изображение установки, используемой для измерения угловой характеристики ректенны.

К конструкции добавляются антенные подрешётки, выпрямители и сумматоры постоянного тока, чтобы продемонстрировать сочетание большого углового покрытия и чувствительности к включению — как в плоских, так и в изогнутых условиях — и возможность сбора на расстоянии до 2,83 м в тестовом состоянии и свыше 180 м с использованием современных выпрямителей (позволяющих собирать мощность постоянного тока в 6 мкВт при 75 дБм).

Этот новый подход решает проблему компромисса между угловым охватом ректенны и чувствительностью при включении с помощью структуры, объединяющей уникальные методы сочетания радиочастот (RF) и постоянного тока (DC), что позволяет создать систему как с высоким коэффициентом усиления, так и с большой шириной луча.

На демонстрациях технология позволила добиться 21-кратного увеличения собираемой мощности по сравнению с аналогами при сохранении идентичного углового покрытия.

(a) Изображение гибкой ректенны на основе линзы Ротмана, помещенной в цилиндр радиусом 1,5 дюйма, (b) измеренная суммарная мощность в зависимости от углов падения для разной кривизны, © установка для испытаний на дальние расстояния.

Эта надёжная система может открыть дверь для новых пассивных RFID-меток большого радиуса действия с питанием от 5G миллиметрового диапазона для носимых и повсеместных приложений IoT. Исследователи использовали собственное аддитивное производство для печати харвестеров миллиметрового диапазона размером с ладонь на множестве повседневных гибких и жестких подложек. Возможность 3D-печати сделает систему более доступной для широкого круга пользователей.

«Дело в том, что 5G будет везде, особенно в городских районах. Вы можете заменить миллионы или десятки миллионов батарей беспроводных датчиков, особенно для умных городов и умных приложений », — говорит Эммануил Тенцерис (Emmanouil Tentzeris), профессор электроники в Школе электротехники и компьютерной инженерии.

Тенцерис предсказывает, что следующим крупным приложением для телекоммуникационной отрасли станет технология Powera-as-a-Service (PaaS), точно так же, как передача данных вытеснила голосовые звонки в качестве основного источника дохода.

Исследовательская группа считает, что в перспективе поставщики услуг воспользуются этой технологией, чтобы предлагать питание-по-запросу «по воздуху», устраняя необходимость в батареях.

Эта работа была поддержана Исследовательской лабораторией ВВС США и Национальным научным фондом (NSF) — программа Emerging Frontiers in Research and Innovation. Работа была частично выполнена в Технологическом институте электроники и нанотехнологий Джорджии, который входит в Национальную координированную инфраструктуру нанотехнологий (NNCI), которая поддерживается NSF (грант ECCS-1542174).

На правах рекламы

Воплощайте любые идеи и проекты с помощью наших VDS с мгновенной активацией на Linux или Windows. Сервер готов к работе через минуту после оплаты!

Источник

Обзор технологий построения плоских сканирующих антенн для наземных терминалов спутниковой связи

В обзоре представлены направления научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, которые активно проводятся в настоящее время во многих странах с целью поиска технологий создания плоских антенн со сканированием лучом для наземных терминалов спутниковой связи. Среди многочисленных решений в статье отмечены те, которые на взгляд авторов являются наиболее перспективными.

In our article we review and suggest categorization of various engineering approaches used to develop satellite communication ground terminal flat-panel scanning antenna. Among many solutions we highlight the several of the most promising technologies and concepts.

В последнее десятилетие во многих странах мира активно проводятся поисковые НИР и ОКР, целью которых является поиск технических решений для создания недорогих плоских сканирующих антенн (Flat-panel antennas, FPA). Сегодня главным драйвером для этого является возрастающее количество планируемых сценариев предоставления услуг широкополосного доступа (ШПД) на подвижных объектах.

Различные реализации FPA известны достаточно давно, однако до сих пор они относились к классу оборудования, не предназначенного для массового применения. Отсутствие на рынке недорогих пользовательских терминалов с плоской сканирующей антенной часто обозначается как проблема, ограничивающая коммерциализацию новых низкоорбитальных систем спутникового ШПД, в создание которых вкладываются миллиарды долларов, поэтому работой в этом направлении занимаются большое количество инженерных и научных коллективов во всем мире.

В процессе решения задачи достижения приемлемых для массового рынка параметров FPA проводятся исследования возможности улучшения их радиотехнических и эксплуатационных характеристик и, главное, снижения себестоимости FPA в производстве. В результате появляется множество новых подходов к построению таких антенн. В статье мы предлагаем классификацию присутствующих на рынке антенных решений, обзор существующих технологий построения FPA и анализ их перспективности на рынке спутникового ШПД.

На текущий момент заявлено к созданию порядка 10 низкоорбитальных спутниковых группировок ШПД. Некоторые из них уже находятся на стадии тестирования, а ряд на стадии активной разработки. Общей проблемой для всех подобных проектов является доступный для конечного пользователя абонентский терминал. На рынке существуют несколько решений, однако ни одно из них пока не приблизилось к целевому показателю стоимости.

Можно выделить 6 основных перспективных направлений построения FPA. Это использование

радиочастотных интегральных схем (RF ASIC);

аналоговых методов диаграммообразования;

цифровых антенных решеток;

антенн поверхностной волны.

Первые четыре направления являются различными вариациями хорошо известных в антенной технике фазированных антенных решеток (ФАР). Пятое направление – квазиоптических антенн – также известно достаточно давно. Шестое направление – антенн поверхностной волны (АПВ) – является сравнительно новым и слабо исследованным. Антеннам поверхностной волны в данном обзоре уделено особое внимание. Поясним суть отличий антенн поверхностной волны от фазированных антенных решеток.

Пример полотна ФАР Пример полотна АПВ

В ФАР антенные элементы являются резонансными структурами, расположенными с шагом около половины длины волны. За счет параллельного возбуждения элементов в определенной фазе с помощью диаграммообразующей схемы в раскрыве антенны формируется необходимое амплитудно-фазовое распределение поля, которое определяет диаграмму направленности в дальней зоне. В АПВ элементы расположены с шагом существенно меньше длины волны и не являются резонансными структурами. Возбуждение полотна антенны осуществляется поверхностной волной, а параметры излучения определяются законом распределения элементов и их геометрией. Исследованию АПВ посвящено большое количество статей в научной литературе в последнее десятилетие.

Далее проведем обзор каждого из обозначенных направлений в отдельности.

Радиочастотные интегральные схемы (RF ASIC)

Идея: Перенос максимального числа РЧ цепей на одну интегральную микросхему.

RF ASIC (также используется название “beamformer”) – интегральная микросхема, на которую переносятся радиочастотные цепи, отвечающие за формирование диаграммы направленности и первичную аналоговую обработку сигнала. Антенна представляет собой многослойную печатную плату, на верхней стороне которой находятся антенные элементы и часть пассивной схемотехники. На нижней стороне платы находится массив микросхем RF ASIC и управляющая электроника, формирующие требуемое амплитудно-фазовое распределение и диаграмму направленности. Ключевые элементы диаграммообразующей схемы – фазовращатели – выполнены на основе полупроводниковых управляющих элементов (например, pin-диодов или варакторов).

Пример антенны на RF ASIC Типовая структура микросхемы RF ASIC

Компании-разработчики: Anokiwave [1], IDT Renesas [2], Analog Devices [3], Xphased [4], HiSkySat [5].

Преимущества: Возможность создавать компактные ФАР на печатной плате, легко достигать серийности производства, известная физика сканирования.

Недостатки: Стоимость RF ASIC, реализация частотного дуплекса, коэффициент шума и шумовая добротность G/T.

Примеры: Первый терминал для спутниковой группировки Starlink построен на микросхемах RF ASIC [6].

Аналоговые ФАР

Идея: Поиск оптимального варианта реализации СВЧ фазовращателя.

Микрополосковая или другая СВЧ линия передачи диаграммообразующей схемы помещается в среду, параметры которой (как правило диэлектрическая проницаемость) изменяются под внешним воздействием (как правило электрическим полем). Это позволяет изменять электрическую длину линии, и таким образом формировать требуемую диаграмму направленности за счет изменения фазового распределения в апертуре. В качестве среды с управляемыми параметрами могут используются жидкие кристаллы (ЖК), сегнетоэлектрики, ферриты и др. Данный подход позволяет отойти от использования микросхем, за счет чего существенно снизить стоимость антенны. При применении в качестве управляемой среды жидких кристаллов появляется возможность использования для производства FPA хорошо освоенных технологий изготовления ЖК дисплеев.

Прототип ФАР на жидких кристаллах компании ALCAN Systems. Конструкция ячейки ФАР Alcan Systems

Компании-разработчики: ALCAN Systems [7], Wafer [8].

Преимущества: Отказ от микросхем, известная физика сканирования.

Недостатки: Более сложная технология изготовления чем у ФАР на RF ASIC, температурная зависимость параметров управляемой среды.

Примеры: Фирма ALCAN Systems представила ряд прототипов построения ФАР на жидких кристаллах [9].

Радиооптические ФАР

Идея: Формирование диаграммы направленности в оптическом диапазоне.

В настоящее время, развитие радиофотоники позволяет использовать оптоволоконный интерфейс для передачи принятых элементами антенной решетки радиосигналов, путем их переноса на оптическую несущую. Также на оптической несущей с использованием оптоэлектронных устройств происходит формирование диаграммы направленности. Затем происходит обратный перенос сигнала с оптического в радиочастотный диапазон с его последующей оцифровкой.

Прототип радиофотонного радара от “Росэлектроники” Функциональная схема формирователя диаграммы направленности радиооптической ФАР

Компании-разработчики: AIM Photonics [10], Photonics21 [11], EPIC [12], Analog Photonics [13].

Преимущества: Обработка сигнала на оптической несущей позволяют делать много-октавные рабочие полосы, создавать распределенные антенные системы. Кроме того, РОФАР потенциально обладают повышенным быстродействием, энергоэффективностью, высокой помехозащищенностью по сравнению с обычными радиочастотными ФАР.

Недостатки: РОФАР структурно сложны, имеют высокую стоимость и на текущий момент находятся в исследовательском поле.

Примеры: Концерн “ВЕГА” от “Росэлектроники” завершил испытания макета РОФАР [14]. Также есть несколько иностранных проектов, в частности PHODIR [15].

Цифровые антенные решетки

Идея: Прямая оцифровка сигнала и формирование диаграммы направленности в цифровом виде.

Внешний вид печатной платы ЦАР компании SatixFy для задач IoT. Функциональная схема ЦАР SatixFy

Компании-разработчики: SatixFy [16], Texas instruments [17], Analog Devices [18].

Преимущества: Предельная гибкость по числу лучей и сюжетам пространственной обработки сигналов.

Недостатки: Техническая сложность, работа с предельно большим потоком данных, высокая стоимость.

Примеры: Компания SatixFy представила рынку свое решение для задач спутникового интернета вещей [19], планируется создание антенны для спутникового ШПД. Также хорошо известен проект MIDAS от DARPA [20].

Квазиоптические антенны

Идея: Использование в качестве диаграммообразующей схемы радиолинз.

Известно два основных подхода к диаграммообразованию с использованием радиолинз. В первом случае для сканирования используется переключение между выходами многолучевых антенн, построенных на основе линз Ротмана и Люнеберга. Линзы могут быть выполнены в плоском виде. Во втором случае радиолинза фокусирует поле принимаемого сигнала на один из элементов вторичной решетки. Каждый элемент вторичной решетки соответствует своему направлению прихода волны, а сканирование осуществляется за счет коммутации элементов. Таким образом построена антенна компании Isotropic Solutions.

Терминал компании Isotropic systems на фокусирующих линзах

Скандирующая антенна на линзе Ротмана

Компании-разработчики: Isotropic Systems [21].

Недостатки: Потери в линзе (в случае линзы Ротмана), громоздкая схема.

Примеры: Фирма Isotropic Solutions разработала терминал на радиолинзах [22]. Также существует большое число исследований по теме многолучевых антенн на основе линз Люнеберга и Ротмана.

Антенны поверхностных волн

Идея: Возбуждение излучающей поверхностной волны и управление ей за счет модуляции параметров поверхности.

Антенны поверхностных волн также иногда называют антеннами на метаповерхностях и антеннами с голографическим диаграммообразованием. Антенна представляет собой поверхность, по которой распространяется поверхностная волна, чаще всего TM типа. За счет модуляции параметров поверхности часть энергии волны излучается в пространство в виде электромагнитного поля с необходимыми направлением и поляризацией. Антенна поверхностной волны не требует для управления лучом фазовращателей или большого числа микросхем, но при этом имеет более сложную физику работы, чем фазированные антенные решетки. Технологически она может быть выполнена в виде плоской волноведущей структуры с большим количеством одинаковых управляющих элементов. На текущий момент на рынке существуют антенны подобного типа на основе жидких кристаллов и варакторных диодов. В академическом поле ведутся исследования альтернативных методов, связанных с управляемыми фазовыми переходами в некоторых материалах (VO2, GeTe, BTO и др.), суперпарамагнетиками, магнитореалогическими эластомерами и др.

АПВ компании Pivotal Функциональная схема АПВ Pivotal Скалярная метаповерхность для излучения круговой поляризации Аппертура антенны u7 компании Kymeta

Компании-разработчики: Kymeta [23], Pivotal [24], WaveUp [25], MatrixWave [26].

Преимущества: предельная простота структуры антенны, технологичность изготовления, любая форма и геометрия.

Недостатки: сложная физика работы, многие идеи находятся в академическом поле и требуют дополнительных исследований.

Примеры: Компания Kymeta представила рынку антенну на основе поверхностных волн [27].

Заключение

Как видно, в мире имеется достаточно большое количество фирм, ведущих разработки антенн с управлением лучом на различных принципах функционирования. Какие из них займут место на рынке, мы увидим в ближайшие годы. По нашему мнению, наиболее перспективным и интересным направлением создания сканирующих антенн для массовых применений являются антенны поверхностных волн. Компания Kymeta уже показала на практике возможность отхода от стандартной парадигмы ФАР. Следует также отметить компанию Pivotal, которая разработала АПВ на одной многослойной печатной плате, что говорит о потенциале снижения стоимости таких антенн. Вполне возможно, что именно в этом направлении в ближайшие годы мы увидим существенные прорывы. Кроме того, в настоящее время ведутся исследования консорциумами во главе с Intel и IBM в области материалов с управляемым фазовым переходом, исследуются различные магнитные пленки с управляемыми параметрами. Это создает дополнительные предпосылки для создания новых антенн на поверхностных волнах с управлением лучом. С другой стороны, совершенно очевиден массовый приход на рынок ФАР на RF ASIC. Дальше этот подход будет постепенно преобразовываться в ЦАР, поскольку они являются наиболее гибким и эффективным решением, которое фактически позволяет напрямую оцифровывать поле в раскрыве антенны, и получать за счет этого почти неограниченную функциональность. Однако ключевыми стоп-факторами RF ASIC и ЦАР на сегодняшний день являются стоимость интегральных микросхем и сложность обработки больших потоков цифровых данных. Скорее всего, в горизонте 5 лет появятся гибридные решения на основе RF ASIC ЦАР и антенн на поверхностных волнах.

Источник

• ← Линза пропала в глазу что
• Линза у которой края тоньше чем середина называется →