Antenna con lente dielettrica graduata multiraggio e multimateriale stampata in 3d

Stampa 3D multi-materiale per l’antenna con lenti dielettriche

Gli autori Henry Giddens e Yang Hao cercano modi ampliati e migliorati per fabbricare antenne, rilasciando i risultati del loro studio nella recente pubblicazione ” Antenna con lente dielettrica graduata multiraggio e multimateriale stampata in 3d”.

Con applicazioni importanti come le reti mobili che si basano su potenti antenne direttrici, c’è un continuo interesse a perfezionarle ulteriormente, ampliando il potenziale di prestazioni. In questo studio, gli autori hanno stampato in 3D una nuova lente con più materiali. In grado di funzionare in modo omnidirezionale, il loro obiettivo finale si irradiava con un guadagno di 8,5 dBi durante l’eccitazione di un singolo settore e con un guadagno massimo di 5,9 dBi in modalità multi-raggio.

Gli autori sottolineano che mentre i compositi ceramici sono stati usati per creare materiali a gradazione di indice (GRIN), tale metodo non è sempre considerato adatto ai fini della prototipazione. L’uso della teoria del mezzo efficace, aggiungendo intrusioni di gap d’aria a lunghezza d’onda inferiore, è stato anche usato con maggiore fortuna; tuttavia, come la stampa 3D ha cominciato a farsi strada nel mainstream e offrire notevoli impatti all’interno di quasi tutti i settori di automotive e corsa per la medicina al settore aerospaziale, e con numerosi progetti differenti concentrandosi sulla fabbricazione di antenne.

“La stampa 3D offre anche la possibilità di ottenere profili di indice graduato efficaci, in cui il volume di una cella unitaria è riempito solo parzialmente con il filamento 3D, il resto del volume occupato dall’aria”, hanno affermato i ricercatori. “In tal caso, la permittività complessiva della cella unitaria è inferiore a quella del filamento 3D e aumentando il fattore di riempimento del traferro all’interno della cella unitaria, è possibile realizzare facilmente materiali GRIN tridimensionali.”

L’antenna ha lo scopo di cambiare il percorso di propagazione, che emana dalla sorgente trovata nel punto focale, consentendo l’allineamento della parte anteriore dell’onda elettromagnetica. La lente GRIN è stata creata con una trasformazione di coordinate quasi conforme, convertendo la lente in una superficie piana, ulteriormente modificata per trovarsi “all’interno di un singolo settore di un ottagono”. I parametri scelti sono stati fondamentali per garantire che l’obiettivo fosse adeguatamente illuminato, oltre a offrire il miglior livello di prestazioni.

(a) Lente iperbolica. (b) Mappa di permittività della lente GRIN trasformata sovrapposta al contorno del settore ottagonale. (c) Valori di permittività discreti del settore delle lenti. (d) Modelli di radiazione dalla lente iperbolica originale, dalla lente GRIN e dalla porta della guida d’onda da sola

I ricercatori hanno ruotato il segmento dell’obiettivo GRIN di 45 °. È stato copiato sette volte, consentendo al team di creare una lente ottagonale completa, alternando travi che coprono l’intero piano azimutale a 360 °.

(a) Lente dielettrica a gradazione ottagonale completa con 8 singoli segmenti: i punti di alimentazione sono indicati in verde. (b) I modelli di radiazione 2D di ciascun segmento a 5,8 GHz.

L’obiettivo ottagonale presentava otto raggi direttivi, con punti di crossover visualizzati con un offset di 22,5 ° dal centro di ciascun segmento.

Schemi di radiazione dell’obiettivo 2D a 8 settori con eccitazione multiporta. (a) Eccitazione anti-fase. (b) Eccitazione in fase uguale.

“Uno degli svantaggi degli array di antenne a fasi è il raggiungimento della ponderazione di fase e ampiezza richiesta a ciascuno degli elementi dell’antenna, a causa della complessità, dei costi, del consumo di energia e delle perdite del sistema”, hanno spiegato i ricercatori. “Qui, tuttavia, le diverse combinazioni di schemi di radiazione presentate possono essere ottenute attraverso semplici reti di alimentazione commutate”.

Per la stampa 3D, il team di ricerca ha utilizzato un ABS bianco standard, insieme all’ABS-400, entrambi necessari per ottenere le permittività necessarie dell’obiettivo discretizzato.

Il fattore di riempimento richiesto per raggiungere diverse permittività effettive della lente ottagonale.

Un modello stampato in 3D di un’antenna è stato fabbricato tramite due diversi lavori di stampa, con la parte interna dell’obiettivo realizzata con ABS standard e sei settori diversi, e la seconda parte realizzata con ABS400.

Struttura dell’antenna 3D completa. (a) Modello CAD di obiettivi 3D. (b) Fotografia del prototipo di lente stampata in 3D con struttura di alimentazione integrata posizionata su un piano di massa metallico.

L’obiettivo GRIN è stato stampato in 3D su una stampante 3D Prusa i3 MK3 originale , con connettori SMA saldati lateralmente nelle aree dei punti di alimentazione.

Risposta in ingresso di ciascuno dei monopoli di alimentazione della lente ottagonale GRIN. La linea grigia scura mostra i dati simulati e le linee colorate rappresentano i dati misurati di ciascuna porta.

Schemi di radiazione del piano E e H misurati e simulati di un singolo
settore della lente GRIN ottagonale a 5,8 GHz.

“L’obiettivo è stato anche in grado di irradiare con un modello omnidirezionale, nonostante la natura direttiva di ogni singolo settore”, hanno concluso i ricercatori.

“L’antenna proposta sarebbe adatta per l’applicazione in una radio MANET da montare su un terminale mobile quando sono necessari raggi di direttiva per l’attenuazione delle interferenze e le comunicazioni mirate.”

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