Projekt badawczy SONATA 2011/01/D/ST7/06639

IG_FNP_EU


Witamy na stronie projektu badawczego "Badania anten konforemnych przy wykorzystaniu hybrydowych metod analizy" realizowanego w ramach programu SONATA finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki.

Na stronie tej znajdziesz między innymi:

Krótki opis projektu

Rosnąca liczba oraz intensywny rozwój urządzeń i systemów komunikacji bezprzewodowej, będących integralną częścią popularnej ostatnio koncepcji przestrzeni inteligentnych, jak również popularność i szybki rozwój bezzałogowych statków powietrznych (drony, UAV) wymaga poszukiwania sposobów na wytworzenie i analizę małych, tanich i efektywnych anten, będących jednym z najważniejszych elementów, od których parametrów zależy jakość i efektywność działania całego systemu.

Anteny konforemne posiadają szereg zalet, dzięki którym ich zastosowanie, w odróżnieniu od anten tradycyjnych, stanowi dobrą alternatywę, a w wielu przypadkach jest koniecznością. Anteny te, będące antenami, których kształt powierzchni dopasowany jest do obiektu na których jest osadzona lub zintegrowana, idealnie nadają się do zastosowania na skrzydłach samolotu, rakiety czy pocisku, lub szybkiego pociągu, gdzie powodem wykorzystania owych anten, oprócz względów aerodynamicznych, może być potrzeba zmniejszenia radarowego przekroju czynnego, czyli uczynienia obiektu niewidocznym dla radaru. Cel wykorzystania anten konforemnych, w przypadku obiektów zabytkowych, podyktowany jest względami estetycznymi jak i koniecznością zintegrowania anteny z lokalna architektura budynków w celu np. uzyskania pozwolenia miejskiego architekta na wybudowanie nowej stacji bazowej łączności bezprzewodowej. Do niekwestionowanych zalet i korzyści jakie można uzyskać wykorzystując takie anteny (w stosunku do anten planarnych), należy zaliczyć np. większe pokrycie kątowe, sterowanie wiązki bez zniekształcenia charakterystyki, szersze pasmo pracy, mniejszy RCS oraz większą integralność struktury. Istnieją jednak różne przeszkody, które powodują ze wykorzystanie anten konforemnych nie jest rozpowszechnione. Przykładowo, technologia realizacji anten konforemnych jest znacznie trudniejsza niż anten planarnych i nie jest jeszcze w pełni dojrzała. Ponadto, brak jest na rynku uniwersalnych narzędzi projektowych dla tego typu anten. W związku z powyższym istnieje potrzeba stworzenia szybkiego i efektywnego narzędzia pozwalającego na analizę i projektowanie nowych anten konforemnych, które będą mogły znaleźć zastosowanie w systemach cywilnych i wojskowych.

Głównym celem projektu jest badanie nowych anten konforemnych do zastosowania w systemach komunikacji bezprzewodowej. Realizacja celu głównego zostanie przeprowadzona poprzez realizację następujących celów szczegółowych:

  • Opracowanie modelu matematycznego cylindrycznych, eliptycznych i sferycznych anten konforemnych w oparciu o hybrydowe metody analizy;
  • Opracowanie oprogramowania do analizy pola promieniowanego oraz sprzężeń między promiennikami umieszczonymi na zakrzywionych powierzchniach;
  • Analiza nowych anten i układów antenowych złożonych z szyków promienników umieszczonych na zakrzywionych powierzchniach
  • Opracowanie nowych promienników szerokopasmowych i wielozakresowych do wykorzystania w antenach konforemnych;
  • Opracowanie nowych układów zintegrowanych do układów zasilania szyków antenowych realizowanych w technologii koplanarnych linii paskowo-szczelinowych.
Powrót

Wykonawcy projektu


dr inż. Rafał Lech (kierownik projektu)
dr inż. Adam Kusiek (pracownik badawczy)
dr inż. Wojciech Marynowski (pracownik badawczy)
prof dr hab. inż. Jerzy Mazur (pracownik badawczy)
mgr inż. Monika Kurpiewska (wykonawca)

Powrót

Dotychczasowe wyniki prac

W ramach realizacji projektu, w oparciu o metodę momentów, opracowano procedurę pozwalającą na wyznaczanie częstotliwości rezonansowych, impedancji wejściowych i charakterystyk promieniowania dla konfiguracji szyku anten łatowych zasilonych przez sondę, umieszonych na powierzchni bocznej walca przewodzącego pokrytego warstwami dielektrycznymi. Zaletą opracowanej procedury, w odróżnieniu od przedstawionych dotychczas w literaturze, jest możliwość analizy szyków antenowych, w której promienniki umieszczone są dowolnie w strukturze, jak również liczba warstw dielektrycznych podłoża i płaszcza jest dowolna. Procedura pozwala tworzyć macierze Greena i macierze pobudzeń w sposób automatyczny dla zdefiniowanej geometrii struktury (określonej przez liczbę warstw dielektrycznych, liczbę i lokalizację promienników) bez potrzeby wykonywania dodatkowych przekształceń matematycznych. Przykładowe wyniki przedstawiono na Rys. 1.

.
Rys. 1. Przykładowe wyniki dla anten łatowych umieszczonych na powierzchni bocznej cylindra.

W kolejnym etapie realizacji projektu opracowano procedurę pozwalającą na wyznaczanie częstotliwości rezonansowych, anten łatowych umieszczonych na powierzchni bocznej elipsy. W tym celu użyto pełnofalowej metody momentów wraz z rozwinięciem pól e-m w szeregi funkcji Mathieu. Anteny na powierzchniach eliptycznych, czyli powierzchniach ze zmiennym promieniem krzywizny, stanowią przypadek bardziej ogólny od anten na powierzchniach cylindrycznych i pozwalają modelować np. skrzydła lub ogony samolotów. Przykładowe wyniki przedstawiono na Rys. 2.

.
Rys. 2. Przykładowe wyniki dla anten łatowych umieszczonych na powierzchni bocznej elipsy.

W ramach realizacji zadania dotyczącego struktur eliptycznych opracowano również model otwartych i ekranowanych wielopaskowych prowadnic eliptycznych z warstwą masy lub bez. Model wykorzystuje pełnofalową metodę momentów w dziedzinie rzeczywistej i rozwinięcia pól e-m w szeregi funkcji Mathieu stosowane w opracowanym modelu anten eliptycznych. Implementacja modelu pozwoliła na stworzenie oprogramowania do wyznaczania współczynników propagacji linii, rozkładów pól i impedancji charakterystycznych. Przykładowe wyniki przedstawiono na Rys. 3.

.
Rys. 3. Przykładowe wyniki dla eliptycznych prowadnic wielopaskowych.

Kolejnym etapem badań była analiza anten łatowych umieszczonych na powierzchni sfery przewodzącej pokrytej warstwami dielektrycznymi. W celu analizy promienników o dowolnych kształtach opracowano metodą hybrydową łączącą metodę różnic skończonych w dziedzinie czasu zdefiniowaną w układzie sferycznym z metodą spektralną. Metoda różnic skończonych wykorzystana jest do wyznaczenia prądowych funkcji bazowych na łacie, które wykorzystywane są dalej w metodzie spektralnej do wyznaczenia częstotliwości rezonansowych struktury. Przykładowe wyniki przedstawiono na Rys. 4.

.
Rys. 4. Przykładowe wyniki dla anten łatowych umieszczonych na powierzchni sfery

W ramach realizacji projektu, prowadzono badania nad promiennikami szerokopasmowymi i wielozakresowymi oraz nad układami filtrującymi. Badania promienników polegały na zaprojektowaniu promienników na cienkim i giętkim laminacie oraz na badaniu wpływu wygięcia struktur w różnych płaszczyznach na ich parametry odbiciowe i charakterystyki promieniowania. Przykładowe strukutra anteny zasilanej z linii koplanarnej, wygiętej i umieszczonej nad metalowymi powierzchnią przedstawiona jest na Rys. 5.

.
Rys. 5. Anteny szerokopasmowe UWB

W trakcie prowadzonych pomiarów zaobserwowano, że charakterystyki dopasowania badanych anten szerokopasmowych są mało wrażliwe na sąsiedztwo powierzchni wykonanych z różnych materiałów np. szyba szklana, deska drewniana, folia plastikowa, rura PCV czy ramię ludzkie. Obserwacja ta zasugerowała wykonanie struktury anteny z przyczepnej folii przewodzącej umieszczonej na papierze (Rys. 6). Antena taka jest giętka i można ją umieszczać/przyklejać do różnych obiektów, których powierzchnie mogą być zakrzywione. Dodatkowo koszt wykonania takiej anteny jest niewielki, gdyż nie wymaga zastosowania drogich podłoży dielektrycznych. Równocześnie zaprojektowano i wykonano z folii przewodzącej układy filtrów mikrofalowych (Rys. 6) i eksperymentalnie zbadano wpływ zagięcia struktury na parametry rozproszenia układu. Uzyskane wyniki wykazały możliwość zastosowania badanych struktur w układach anten konforemnych i tekstylnych lub elastycznych układach elektronicznych.

.
Rys. 6. Giętka antena UWB i filtr dolnoprzepustowy wykonane z folii przewodzącej.

W ramach realizacji zadań zaprojektowano i wykonano szereg wąsko i szerokopasmowych układów linii skrzyżowanych (Rys. 7) znajdujących zastosowanie m.in. w układach zasilania szyków antenowych. Dla badanych struktur stworzono obwodowe modele zastępcze, których analiza metodą pobudzenia w fazie i przeciwfazie pozwoliła na zaprojektowanie przykładowych układów. Przykładowe wyniki badanych struktury przedstawiono na Rys. 7.

.
Rys. 7. Przykładowe wyniki dla badanych struktury linii skrzyżowanych.

Zaprojektowano również i wykonano szyki antenowe z układami zasilania (Rys. 10) na giętkich powierzchniach pozwalających na łatwą zmianę ich krzywizny.

.
Rys. 8. Prototypy szyków antenowych wykonanych na giętkich powierzchniach

Publikacje w czasopismach


1. R. Lech, W. Marynowski, A. Kusiek, "Finite ground CPW-FED UWB antenna over the metallic cylindrical surfaces", Progress In Electromagnetics Research, Vol. 140, pp. 545-562, 2013.
2. R. Lech, W. Marynowski, A. Kusiek, J. Mazur "Coplanar Waveguide-Fed Broadband Microwave Devices with (or without) a Thin Dielectric Substrate for Use in Flexible Electronic Systems", International Journal of Antennas and Propagation, vol. 2014, Article ID 379379, 9 pages, 2014.
3. R. Lech, W. Marynowski, A. Kusiek, J. Mazur "An Analysis of Probe-Fed Rectangular Patch Antennas With Multilayer and Multipatch Configurations on Cylindrical Surfaces", IEEE Transaction on Antennas and Propagation, vol. 62, no. 6, pp. 2935-2945, June 2014
4. R. Lech, W. Marynowski, A. Kusiek, "An Analysis of Elliptical-Rectangular Multipatch Structure on Dielectric-Coated Confocal and Nonconfocal Elliptic Cylinders", IEEE Transaction on Antennas and Propagation, vol. 63, no. 1, pp. 97-105, Jan 2015
5. A. Kusiek, R. Lech, W. Marynowski, J. Mazur, "An Analysis of Multistrip Line Configuration on Elliptical Cylinder", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 63, no. 6, pp. 1800-1808, June 2015
6. A. Kusiek, R. Lech, "Resonance frequency calculation of a multilayer and multipatch spherical microstrip structure using a hybrid technique," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 64. no. 11, pp. 4948-4953, Nov. 2016
7. W. Marynowski, "Broadband compact single-layer magic-T junction with separation of DC signals between all ports" - w recenzji
8. R. Lech, "Resonance Microstrip Structure with Patch of Arbitrary Convex Geometry with the Use of Field Matching Technique" - w recenzji

Teksty w publikacjach pokonferencyjnych


1. R. Lech, A. Kusiek: "Multimodal coupling matrix for an array of rectangular slots on conducting cylinder" 2012 19th International Conference on Microwaves, Radar and Wireless Communications, MIKON-2012, pp. 396-401
2. R. Lech, A. Kusiek, J. Mazur: "Radiation and Mutual Coupling between Apertures on a Conducting Cylinder" The 32nd Progress In Electromagnetics Research Symposium, PIERS in Moscow, Russia, 19-23 August, 2012, p. 341
3. W. Marynowski, R. Lech, J. Mazur: "UWB Antennas Fed with Coplanar Three-strip Line" The 32nd Progress In Electromagnetics Research Symposium, PIERS in Moscow, Russia, 19-23 August, 2012, p. 342
4. R. Lech, W. Marynowski, A. Kusiek: "UWB Microstrip Antennas on a Cylindrical Surfaces" The 33rd Progress In Electromagnetics Research Symposium, PIERS in Taipei, Taiwan, 25-28 March, 2013 p. 496
5. R. Lech, W. Marynowski, A. Kusiek: "Microstrip Antennas on a Cylindrical Surfaces" The 34th Progress In Electromagnetics Research Symposium, PIERS in Stockholm, Sweden, 12-15 August, 2013 p. 161
6. R. Lech, W. Marynowski, A. Kusiek: "UWB Coplanar Line Fed Antennas on the Conducting Planar and Cylindrical Surfaces" The 34th Progress In Electromagnetics Research Symposium, PIERS in Stockholm, Sweden, 12-15 August, 2013 p. 162
7. R. Lech, W. Marynowski, A. Kusiek "Coplanar Waveguide Fed Ultra-Wideband Antenna Over the Planar and Cylindrical Surfaces " The 8th European Conference on Antennas & Propagation, 2014 (EuCAP 2014), Hague, Netherlands, 6-11 April 2014, pp. 3737-3740
8. R. Lech, A. Kusiek, W. Marynowski: "Radiation from Microstrip Patch Antennas Located on Elliptical Surfaces" The 35th Progress In Electromagnetics Research Symposium, PIERS, Guangzhou (Canton), China, 25-28 August, 2014
9. W. Marynowski, A. Kusiek, R. Lech: "The Investigation of the Performance of Crossovers Placed on Curved Surfaces" The 35th Progress In Electromagnetics Research Symposium, PIERS, Guangzhou (Canton), China, 25-28 August, 2014
10. A. Kusiek, R. Lech, W. Marynowski: "Rigorous Analysis of Multilayered Elliptical Striplines" The 35th Progress In Electromagnetics Research Symposium, PIERS, Guangzhou (Canton), China, 25-28 August, 2014
11. R. Lech, A. Kusiek: "An Analysis of Elliptical-Rectangular Patch Structure on Multilayer Elliptic Cylinders" The 9th European Conference on Antennas & Propagation, 2015 (EuCAP 2015), Lisbon, Portugal, 12-17 April 2015, pp. 1-2
12. A. Kusiek, R. Lech, P. Kowalczyk, W. Marynowski: "Resonance Frequency Calculation of Spherical Microstrip Structure Using Hybrid Technique" The 9th European Conference on Antennas & Propagation, 2015 (EuCAP 2015), Lisbon, Portugal, 12-17 April 2015, pp. 1-4
13. R. Lech, W. Marynowski, A. Kusiek, J. Mazur: "Wideband Crossover Structure with Double Ring Resonators" The 9th European Conference on Antennas & Propagation, 2015 (EuCAP 2015), Lisbon, Portugal, 12-17 April 2015, pp. 1-4
14. R. Lech and A. Kusiek, "Resonant frequencies in the open microstrip structures placed on curved surfaces," 2016 21st International Conference on Microwave, Radar and Wireless Communications (MIKON), Krakow, Poland, 2016, pp. 1-4.
15. A. Kusiek and R. Lech, "Resonance Frequency Calculation of Microstrip Structure Located on Cylindrical Surface Using Hybrid Technique," 2016 International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP2016), Okinawa, Japan, 24-28 October 2016

© 2004-2006 Katedra Inżynierii Mikrofalowej i Antenowej Politechniki Gdańskiej