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

Gliederung Motivation und Ziele Grundlagen der Rotman-Linse Eigene Arbeiten Zusammenfassung und Ausblick

Motivation und Ziele Einsatz in Kommunikations- und Radarsystemen Beamforming-Technologien - Zwischenfrequenz (optisch, digital) - Hochfrequenzband (Rotman-Linse ) Begriff der Rotman Linse - Beamformer (Echtzeit-Verzögerung) - 1963 von W. Rotman und R.F.Turner [1] entwickelt - später von R. C. Hansen [2] verfeinert und abgewandelt

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). [3] Quelle:ieeexplore.ieee.org

Motivation und Ziele Anwendung in der Praxis 3 2 1 1 3 1 3 2 2 Signal „Multibeam“-Antennen Strahlführung (elektrisch „schwenkbare“ Antennen) 3 2 1 [4] 1 3 1 3 2 2 Signal Signal

Motivation und Ziele Ausführungsformen Planare Wellenleiter - Streifenleitung Hohlleiter - Mikrostreifenleitung [5] [6] [5] [8] [7]

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

Motivation und Ziele Anwendungsbereiche der Rotman-Linse Automotive Collision Avoidence Radar Beamformer -angesteuerte Antennengruppe mit Rotman-Linse [10] [9]

Motivation und Ziele Anwendungsbereiche der Rotman-Linse - Kontrollstationen für Autobahnen (Maut-Überwachung) - Rotman-Linse: geringe Anzahl von Antennenarrays notwendig [11]

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]

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

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Grundlagen der Rotman Linse Analytisches Modell einer Rotman-Linse Transmission Line Parallel Plate Region Rotman-Linse Ports [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.

Grundlagen der Rotman Linse Mathematische Beschreibung der Antennenkurve Koordinate der Antennenkurve: Fokus Winkel Design-parameter: Off-axis Brennweite Beam Winkel Abstand von Antenne Element nach Ursprung Hilfsgrößen: Alle Parameter werden auf F normiert.

Grundlagen der Rotman Linse Mathematische Beschreibung der Antennenkurve Quadratische Gleichung: mit: Lösung:

Grundlagen der Rotman Linse Mathematische Beschreibung der Beamkurve Beamkurve ist einer Teil eines Kreises (Kreisbogen) Radius:

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]

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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 1.000 Zeilen programmiert.

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.

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 TL‘s werden in den folgenden Monaten eingearbeitet.

Eigene Arbeiten Erstellung des Modells der Rotman Linse im RLD™ - mit einstellbaren Parametern Wir nehmen obige Parameter aus der Literatur, die <Rotman Lens Design and Simulation in Software> von Christopher W. Penney ist.

Eigene Arbeiten Import der Koordinatendaten von RLD™ in CST MWS®

Eigene Arbeiten Schwierigkeiten beim Importvorgang - importierte Daten enthalten mögliche Kreuzungspunkte -  Streifenleitung nicht rekonstruierbar (keine Aufbau in MWS möglich)

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

Eigene Arbeiten Ergebnis: Nach Anwendung des Algorithmus wird eine optimale (korrekte) Transmission Line erzeugt.

Simulationsergebnisse elektrische Flächenstromdichte Anregung an Port 6 f=16 GHz 6 Animation folgt!!!

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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

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.623-632. [2] R. C. Hansen , “Design trades for Rotman lenses,” IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol. 39, No. 4, Apr. 1991, pp.464-472. [3] http://www.vlsi.uwindsor.ca/presentations/2007/10-Sinjari.pdf [3] http://www.ihe.uni-karlsruhe.de/english/2498.php [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] http://mmic.snu.ac.kr/ [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] http://www.vlsi.uwindsor.ca/ [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] http://www.fhr.fgan.de/ [13] Theodore K. Anthony, “Rotman Lens Development”

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