Objektivdesign bei 16 GHz

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Die Software Rotman Lens Designer (RLD) wird verwendet, um ein Objektiv anhand einer Liste von Designparametern zu definieren und zu optimieren. Das Objektiv weist die folgenden Eigenschaften auf:

  • 50 Ohm Systemimpedanz
  • Mikrostreifen-Design
  • Mittenfrequenz von 16 GHz, 4 GHz Bandbreite
  • 20 Grad maximaler Scan-Winkel
  • Halbwellenlängen-Elementabstand
  • 7 Strahlanschlüsse
  • 16 Array-Ports
  • Alle anderen Parameter bis zum Konstrukteur

Eingabe der erforderlichen Parameter

Auf der Registerkarte Physikalische Eigenschaften von RLD können die Systemimpedanz und der Objektivtyp in den beiden oberen Eingabefeldern eingestellt werden. 

Auf der Registerkarte Elektrische Eigenschaften von RLD können Mittenfrequenz, Bandbreite und Elementabstand in den ersten drei Eingabefeldern eingegeben werden. In der Mitte der Registerkarte kann auch die Anzahl der Strahlen und Array-Elemente eingegeben werden. 

An dieser Stelle liegt der Rest des Designs in der Hand des Benutzers. Zum Vergleich werden zwei verschiedene Designs betrachtet. 

Entwurf 1

Design 1 verwendet eine kreisförmige Fokuskonturform mit einer Brennweite von 0,15 Metern. Das Substrat ist ein Dielektrikum mit einer Permittivität von 2,33, einer Verlusttangente von 0,0005 und einer Dicke von 0,508 mm. Alle anderen Werte auf der Registerkarte Physikalische Eigenschaften bleiben bei den Standardwerten erhalten. Die Brennweite wird während des Abstimmungsprozesses später angepasst. 

Für die elektrischen Eigenschaften des Objektivs wird die Blendenverteilung auf manuell und das Alpha-Verhältnis auf 0,8 eingestellt. Die Abstrahlwinkel sowohl für den Strahl- als auch für den Array-Port sind auf 12 Grad bei einer maximalen Portgröße von 2 Wellenlängen eingestellt. Die Portausrichtung ist sowohl für den Strahl- als auch für den Array-Port aktiviert. Dummy-Ports werden mit einer maximalen Portgröße von 1,15 Wellenlängen, einem Öffnungswinkel von 12 Grad und einer Konturkrümmung von 1,20 verwendet. Das Design in dieser unangepassten Phase ist in Abbildung 1 dargestellt.

Wenn der mittlere Port aktiv ist (Port 4) und alle anderen Ports ausgeschaltet sind, wird der Array-Faktor für das Design dargestellt. Wenn das Array-Faktordiagramm angezeigt wird, wird der Schieberegler für das Fokusverhältnis bewegt, bis ein genau definierter Mittelstrahl gefunden wird (Abbildung 2). Dies geschieht bei einem Öffnungsverhältnis von 1,0385. Der Strahl-zu-Array-Phasenfehler für dieses Design liegt bei weniger als 0,5 Grad für alle Anschlüsse (Abbildung 3). Wenn nur Strahl 1 aktiv ist, ist der Array-Faktor noch gut definiert (Abbildung 4), wobei der Strahl auf 16 Grad versetzt ist (80% des maximalen Abtastwinkels, definiert durch das Alpha-Verhältnis). Der resultierende Prototyp des Designs 1 ist in Abbildung 5 dargestellt.

Design 1 wurde dann in der Vollwelle, dem XFdtd-Solver, analysiert. Sehen Sie sich das Beispiel des Rotman-Objektivs mit linearem Antennenarray an. für einen Vergleich der Ausgaben von RLD und XF.

 

Abbildung 1: Unangepasstes Objektiv für Design 1, nachdem die meisten Parameter eingegeben wurden.

 

Abbildung 2: Arrayfaktor für Design 1 nach der Einstellung des Fokusverhältnisses auf einen Sollwert.

 

Abbildung 3: Phasenfehler für abgestimmtes Design 1.

 

Abbildung 4: Arrayfaktor für Strahl 1 von Design 1 mit Scan-Winkelversatz.

 

Abbildung 5: Abgestimmtes Objektiv für Design 1.

Abbildung 6: Abgestimmtes Objektiv für Design 2.

Entwurf 2

Das zweite Design verwendet die automatische Brennweiteneinstellung und ein Dielektrikum mit einer Permittivität von 6,15, einer Verlusttangente von 0,0027 und einer Dicke von 0,127 mm. Die Öffnungswinkel aller Anschlüsse sind auf 15 Grad eingestellt. Außerdem wird die Konturkrümmung auf 1,8 erhöht und die Dummy-Portgröße auf 0,93 Wellenlängen eingestellt. Trotz der Änderungen ist das Objektiv immer noch mit einem Öffnungsverhältnis von 1,0385 abgestimmt und der Array-Faktor ist identisch. Das abgestimmte Design 2 ist in Abbildung 6 dargestellt.

Diese beiden Objektivdesigns scheinen entsprechend den berechneten Werten identisch zu funktionieren. Der Hauptunterschied zwischen ihnen wird in den Microstrip-Übertragungsleitungen liegen, die die Ports mit den Endgeräten verbinden. Bei Design 1 ergeben die Dielektrizitätswerte dickere Linien für die 50 Ohm Impedanz, wie in Abbildung 7 dargestellt. Im Gegensatz dazu erfordert das in Abbildung 8 dargestellte Design 2 wesentlich dünnere Übertragungsleitungen.

 

Abbildung 7: Dicke Übertragungsleitungen für abgestimmtes Design 1.

 

Abbildung 8: Dünne Übertragungsleitungen für abgestimmtes Design 2.