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Numerische Analyse von Rotman-Linsen zur Strahlformung von Antennengruppen Bearbeiter:Thomas MBiatat Chun Wen Buyu Xiao Betreuer: Dr.-Ing. Denis Sievers.

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Präsentation zum Thema: "Numerische Analyse von Rotman-Linsen zur Strahlformung von Antennengruppen Bearbeiter:Thomas MBiatat Chun Wen Buyu Xiao Betreuer: Dr.-Ing. Denis Sievers."—  Präsentation transkript:

1 Numerische Analyse von Rotman-Linsen zur Strahlformung von Antennengruppen Bearbeiter:Thomas MBiatat Chun Wen Buyu Xiao Betreuer: Dr.-Ing. Denis Sievers

2 1 T. MBiatat, C. Wen, B. XiaoUniv. Paderborn, FG Theoretische Elektrotechnik 1 Gliederung Motivation und Ziele Grundlagen der Rotman-Linse Eigene Arbeiten Zusammenfassung und Ausblick

3 2 T. MBiatat, C. Wen, B. XiaoUniv. Paderborn, FG Theoretische Elektrotechnik 2 Motivation und Ziele Einsatz in Kommunikations- und Radarsystemen Beamforming-Technologien - Zwischenfrequenz (optisch, digital) - Hochfrequenzband (Rotman-Linse ) Begriff der Rotman Linse - Beamformer (Echtzeit-Verzögerung) von W. Rotman und R.F.Turner [1] entwickelt - später von R. C. Hansen [2] verfeinert und abgewandelt

4 3 T. MBiatat, C. Wen, B. XiaoUniv. Paderborn, FG Theoretische Elektrotechnik 3 Motivation und Ziele Prinzip der Rotman-Linse Für eine bestimmte Einfallsrichtung kommt es nur an einem einzigen Ausgang zu konstruktiver Interferenz, an den anderen Ausgängen kommt es zur Auslöschung (destruktive Interferenz). Quelle:ieeexplore.ieee.org [3]

5 4 T. MBiatat, C. Wen, B. XiaoUniv. Paderborn, FG Theoretische Elektrotechnik 4 Motivation und Ziele Anwendung in der Praxis Multibeam-Antennen Strahlführung (elektrisch schwenkbare Antennen) Signal [4]

6 5 T. MBiatat, C. Wen, B. XiaoUniv. Paderborn, FG Theoretische Elektrotechnik 5 Motivation und Ziele Ausführungsformen Planare Wellenleiter - Streifenleitung Hohlleiter - Mikrostreifenleitung [6] [5] [8] [7]

7 6 T. MBiatat, C. Wen, B. XiaoUniv. Paderborn, FG Theoretische Elektrotechnik 6 Motivation und Ziele Vorteil von Rotman Linsen gegenüber anderen Technologien: - Breitbandigkeit - einfache und günstige Realisierung - geringe Anzahl von Schaltelementen - hohe Spannungsfestigkeit - direkte Verarbeitung der hochfrequenten Signale Nachteil von Rotman-Linsen - komplizierte Einstellung der verschiedenen Parameter beim Entwurf - wechselseitige Kopplung zwischen den Eingängen ist vorhanden und schwer zu beherrschen - orthogonale Bündel existieren nicht auf Grund der unerwünschten Überschwemmungen (Spillover) des primären Diagramms der Linse - Auswahl einer bestimmten Einfallsrichtung des Bündels kann nicht außerhalb der drei Fokusse realisiert werden

8 7 T. MBiatat, C. Wen, B. XiaoUniv. Paderborn, FG Theoretische Elektrotechnik 7 Motivation und Ziele Anwendungsbereiche der Rotman-Linse -Automotive Collision Avoidence Radar Beamformer -angesteuerte Antennengruppe mit Rotman-Linse [9] [10]

9 8 T. MBiatat, C. Wen, B. XiaoUniv. Paderborn, FG Theoretische Elektrotechnik 8 Motivation und Ziele Anwendungsbereiche der Rotman-Linse - Kontrollstationen für Autobahnen (Maut-Überwachung) - Rotman-Linse: geringe Anzahl von Antennenarrays notwendig [11]

10 9 T. MBiatat, C. Wen, B. XiaoUniv. Paderborn, FG Theoretische Elektrotechnik 9 Motivation und Ziele Anwendungsbereiche der Rotman-Linse Realapertur- und DBS-Auflösung einer schwach- und einer stark bündelnden Antenne sowie Kombination beider Systeme mit der Rotman-Linse [12]

11 10 T. MBiatat, C. Wen, B. XiaoUniv. Paderborn, FG Theoretische Elektrotechnik 10 Motivation und Ziele Analyse und Charakterisierung von Rotman-Linsen mit Hilfe von CST MWS Untersuchung des Zusammenwirkens mit der anzusteuernden Gruppenantenne Bestimmung des Abstrahlverhaltens Vergleich und Bewertung der Simulationsergebnisse mit Angaben aus der Literatur

12 11 T. MBiatat, C. Wen, B. XiaoUniv. Paderborn, FG Theoretische Elektrotechnik 11 Gliederung Motivation und Ziele Grundlagen der Rotman-Linse Eigene Arbeiten Zusammenfassung und Ausblick

13 12 T. MBiatat, C. Wen, B. XiaoUniv. Paderborn, FG Theoretische Elektrotechnik 12 Grundlagen der Rotman Linse Analytisches Modell einer Rotman-Linse Rotman-Linse Parallel Plate Region Ports Transmission Line [13]

14 13 T. MBiatat, C. Wen, B. XiaoUniv. Paderborn, FG Theoretische Elektrotechnik 13 Grundlagen der Rotman Linse Wie kann man die Kurve der Rotman-Linse bestimmen? Da die Weglänge zwischen Fokus der Beamkurve und entsprechender Wellenfront immer gleich sein muss [1], kann die Design-Gleichung der Antennenkurve entwickelt werden. Für Beam-Ports außerhalb der Fokusse der Rotman-Linse gibt es jedoch immer Weglängenfehler. Durch die Wahl des Faktors g kann das Design (min. Weglängenfehler ) optimiert werden.

15 14 T. MBiatat, C. Wen, B. XiaoUniv. Paderborn, FG Theoretische Elektrotechnik 14 Grundlagen der Rotman Linse Mathematische Beschreibung der Antennenkurve Koordinate der Antennenkurve: Hilfsgrößen: Design- parameter: Fokus Winkel Off-axis Brennweite Beam Winkel Abstand von Antenne Element nach Ursprung Alle Parameter werden auf F normiert.

16 15 T. MBiatat, C. Wen, B. XiaoUniv. Paderborn, FG Theoretische Elektrotechnik 15 Grundlagen der Rotman Linse Mathematische Beschreibung der Antennenkurve Quadratische Gleichung: Lösung: mit:

17 16 T. MBiatat, C. Wen, B. XiaoUniv. Paderborn, FG Theoretische Elektrotechnik 16 Grundlagen der Rotman Linse Mathematische Beschreibung der Beamkurve Beamkurve ist einer Teil eines Kreises (Kreisbogen) Radius:

18 17 T. MBiatat, C. Wen, B. XiaoUniv. Paderborn, FG Theoretische Elektrotechnik 17 Grundlagen der Rotman Linse Die Transmission Lines und Form der Ports Übergang von Linse zu Transmission Line einfachste Form: dreieckig Design: L mehrere Wellenlängen Leitungsimpedanz der Microstrip-Leitung Breite der Transmission Line [13]

19 18 T. MBiatat, C. Wen, B. XiaoUniv. Paderborn, FG Theoretische Elektrotechnik 18 Gliederung Motivation und Ziele Grundlagen der Rotman-Linse Eigene Arbeiten Zusammenfassung und Ausblick

20 19 T. MBiatat, C. Wen, B. XiaoUniv. Paderborn, FG Theoretische Elektrotechnik 19 Eigene Arbeiten Berechnung der Geometrieparameter und Generierung des Modells in CST MWS ® Import eines CAD-Modells (z.B. von Remcom RLD ® ) Dazu haben wir bisher in VBA über Zeilen programmiert.

21 20 T. MBiatat, C. Wen, B. XiaoUniv. Paderborn, FG Theoretische Elektrotechnik 20 Eigene Arbeiten Programmierung eines Makros in CST MWS ® anhand der mathematischen Darstellung einer Rotman-Linse Rotman Lens Designer (RLD ) software package is a tool for the design, synthesis, and analysis of Rotman Lenses and their variants. CST MICROWAVE STUDIO® (CST MWS) is a specialist tool for the 3D EM simulation of high frequency components.

22 21 T. MBiatat, C. Wen, B. XiaoUniv. Paderborn, FG Theoretische Elektrotechnik 21 Eigene Arbeiten Eingabe der Designparameter Funktionsknöpfe: Berechnung der Linse, Erzeugung des Linsenmodells, Löschung des Modells, CAD-Import von RLD Berechnung der Design- und Kurvenparameter Erzeugung der geometrischen Struktur (Rotman-Linse) Es fehlen noch die Ports (Beam, Array und Dummy Ports ) sowie die Transmission Lines. Um die Ports und Transmission Lines im Detail zu definieren, werden weitere Informationen benötigt. Ports und TLs werden in den folgenden Monaten eingearbeitet.

23 22 T. MBiatat, C. Wen, B. XiaoUniv. Paderborn, FG Theoretische Elektrotechnik 22 Eigene Arbeiten Erstellung des Modells der Rotman Linse im RLD - mit einstellbaren Parametern Wir nehmen obige Parameter aus der Literatur, die von Christopher W. Penney ist.

24 23 T. MBiatat, C. Wen, B. XiaoUniv. Paderborn, FG Theoretische Elektrotechnik 23 Eigene Arbeiten Import der Koordinatendaten von RLD in CST MWS ®

25 24 T. MBiatat, C. Wen, B. XiaoUniv. Paderborn, FG Theoretische Elektrotechnik 24 Eigene Arbeiten Schwierigkeiten beim Importvorgang - importierte Daten enthalten mögliche Kreuzungspunkte - Streifenleitung nicht rekonstruierbar (keine Aufbau in MWS möglich)

26 25 T. MBiatat, C. Wen, B. XiaoUniv. Paderborn, FG Theoretische Elektrotechnik 25 Eigene Arbeiten P1(x1,y1),P2(x2,y2),P3(x3,y3),P4(x4,y4) Grundidee: bei 4 kontinuierlichen Punkten (P1,P2,P3,P4) prüfen, ob sich P3 und P4 auf der gleichen Seite der Strecke P1-P2 befinden. Detektion p=(x1(y3-y2)+x2(y1-y3)+x3(y2-y1)) *(x1(y4-y2)+x2(y1-y4)+x4(y2-y1)) p>0, Kreuzungp=0, Kreuzungp<0,Kreuzungfrei Wenn sich P1P2 mit P3P4 kreuzen, lassen wir P2 und P3 weg. Algorithmus zur Behebung der Kreuzungspunkte

27 26 T. MBiatat, C. Wen, B. XiaoUniv. Paderborn, FG Theoretische Elektrotechnik 26 Eigene Arbeiten Ergebnis: Nach Anwendung des Algorithmus wird eine optimale (korrekte) Transmission Line erzeugt.

28 27 T. MBiatat, C. Wen, B. XiaoUniv. Paderborn, FG Theoretische Elektrotechnik 27 Simulationsergebnisse elektrische Flächenstromdichte Anregung an Port 6 f=16 GHz 6 Animation folgt!!!

29 28 T. MBiatat, C. Wen, B. XiaoUniv. Paderborn, FG Theoretische Elektrotechnik 28 Gliederung Motivation und Ziele Grundlagen der Rotman-Linse Eigene Arbeiten Zusammenfassung und Ausblick

30 29 T. MBiatat, C. Wen, B. XiaoUniv. Paderborn, FG Theoretische Elektrotechnik 29 Ausblick Weiterentwicklung und Verbesserung des VBA-Makros (vollständiges Modell der Rotman-Linse in CST MWS ® ) Vergleich der Simulationsergebnisse MWS RLD Kombination der Rotman-Linse mit einem Antennenarray Analyse des Gesamtsystems und Bestimmung der Streuparameter / Abstrahlcharakteristik Optimierung / Minimierung der Rotman-Linse

31 30 T. MBiatat, C. Wen, B. XiaoUniv. Paderborn, FG Theoretische Elektrotechnik 30 Literature [1] W. Rotman and R. Turner, Wide-angle microwave lens for line source applications, IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol. AP-11, No. 6, Nov. 1963, pp [2] R. C. Hansen, Design trades for Rotman lenses, IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol. 39, No. 4, Apr. 1991, pp [3] [3] [4] Yu Jian Cheng, Student Member, IEEE, Wei Hong, Senior Member, IEEE,KeWu, Fellow, IEEE, Zhen Qi Kuai,Chen Yu, Student Member, IEEE, Ji Xin Chen, Jian Yi Zhou, and Hong Jun Tang, Substrate Integrated Waveguide (SIW) Rotman Lens and Its Ka-Band Multibeam Array Antenna Applications [5] Mario Porrmann, Ulf Witkowski, Jens Hagemeyer, Entwurf eingebetteter Systeme [6] kyu Lee, Sanghyo Lee, Changyul Cheon* and Youngwoo Kwon, A Two-Dimensional Beam Scanning Antenna Array Using Composite Right/Left Handed Microstrip Leaky-Wave Antennas [7] [8] Tse-Yu Lin, Seung-Cheol Lee, Ruth Rotman, Yehuda Green, Yaniv Israel, and Jin-Fa Lee, Design and Analysis of Microstrip line Rotman Lenses [9] [10] Ahmad Sinjari, Sazzadur Chowdhury MEMS Automotive Collision Avoidence Radar Beamformer, Ahmad Sinjari, Sazzadur Chowdhury [11] Peik, S.F.; Heinstadt, J.; Multiple beam microstrip array fed by Rotman lens [12] [13] Theodore K. Anthony, Rotman Lens Development

32 31 T. MBiatat, C. Wen, B. XiaoUniv. Paderborn, FG Theoretische Elektrotechnik 31 Ende Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!


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