from 01.01.2023 until now
Voronezh, Voronezh, Russian Federation
UDC 621.396
The paper considers a beamforming lens device. It is based on the use of Rotman lens. The distinct feature of the proposed design is the modification of the lens for its production on the basis of printed circuit board technology, as well as changing the shape of its focal plane to parabolic. Accordingly, the calculation methodology of this modification of the Rotman lens is given. Changes were made in the calculation of its contour to take into account the dielectric permittivity of the substrate and in the calculation of the focal plane. The beamforming device itself has small dimensions, and is designed to work with a linear antenna array of 5 elements. The lens has 9 inputs, which should provide the formation of 9 beams of radiation. Its operating frequency is 5.8 GHz, and 1 mm thick FAF-4D dielectric was chosen as the substrate material. The device characteristics were obtained by electrodynamic modeling. The energy losses were found to be within typical values for Rotman lenses. Two variants of the lens were also considered and the effectiveness of dummy ports to reduce reflections from the side walls of the lens was evaluated.
Rotman lens, diagramming devices, multipath antennas
I. Введение
В современных системах передачи информации, радиопеленгации и радиолокации широко используются антенные решетки, которые позволяют формировать излучение с высокой направленностью и менять направление основного луча диаграммы направленности.
Однако для построения таких решеток часто используются сложные механические или электрические устройства схемы, использующие фазовращатели для задания требуемого распределения фаз и амплитуд на входах антенной решетки. Альтернативой такому подходу является использование диаграммообразующих устройств, которые к тому же позволяют использовать несколько направлений сканирования одновременно.
Диаграммообразующие устройства могут быть разделены на два подкласса: линзовые и на основе схем. К последним относятся матрица Нолена, матрица Бласса и матрица Батлера. Они просты в проектировании, но имеют значительные габариты и потери при большом числе входов и выходов.
Линзовые диаграммообразующие устройства обладают меньшими размерами, но могут быть сложны в проектировании и требовать использования дорогих материалов, но предлагают большую свободу выбора направления излучения.
Сравнение практических конструкций двух типов диаграммообразующих устройств было произведено в работах [1] и [2]. Авторами данных статей было показано, что характеристики матрицы Батлера и линзы Ротмана являются схожими, и возвратные потери в обоих системах имеют похожие значения. Однако работа [2] продемонстрировала большую стабильность характеристик линзы Ротмана на широкой полосе частот, при этом конструкция матрицы Батлера в работе [2] продемонстрировала меньшие габариты.
Линза Ротмана является одним из самых просты в изготовлении диаграмммобразующих устройств, относящихся к линзовым. Ее описание впервые было дано в [3].
Дальнейшим развитием этой идеи были изменения методики расчета линзы, предложенные в [4]. Они позволили увеличить ее фокусирующие способности и снизить ее габариты.
В работе [5] авторы предлагают конструкцию линзы Ротмана, обладающую малыми габаритами за счет использования диэлектрика Taconic RF-10, обладающего высокой проницаемостью. Особенностью конструкции являются входные порты линзы, обеспечивающие ее работу в широком диапазоне частот и широкий угол сканирования. Авторы показали, что результаты моделирования хорошо согласовались с натурными измерениями.
Работа [6] также посвящена миниатюризации линзы Ротмана. Авторы предлагают использование особой конструкции портов для связи тела линзы. Они позволили расширить конструкцию линзы 4x7 до 4x14. При этом параметры линзы остались стабильными на достаточно широком диапазоне частот.
Уменьшение размеров линзы Ротмана также рассматривается авторами работы [7]. Они предлагают использование модифицированного способа согласования линзы с линиями передачи, что позволило снизить размеры всей конструкции.
А в работе [8] авторы рассматривают конструкцию многолучевой антенны с линзой Ротмана, основным преимуществом которой является низкий уровень боковых лепестков. Помимо этого, предложенная конструкция имеет уменьшенные габариты по сравнению с другими за счет сочетания линзы Ротмана и принципов построения линейных фазированных антенных решеток.
1. M. B. Kahki, A. Z. Ashur, H. K. Potula, and D. Wesell, "Comparison of networks with a Butler matrix and a Rotman lens with beam switching in the K-band," IEEE International Symposium on Antennas and Propagation, 2024, and the INC/USNC-URSI Scientific Conference on Radio Communications (AP-S/INC-USNC-URSI), Florence, Italy, 2024, pp. 141-142, doi:https://doi.org/10.1109/AP-S/INC-USNC-URSI52054.2024.10685994.
2. G. S. Huang and M. F. Iskander, "Comparative study of a broadband Butler matrix and a beamforming network with a Rotman lens for millimeter wave applications in the Ka band," IEEE International Symposium on Antennas and Propagation, 2020, and North American Scientific Radiocommunication Meeting, Montreal, QC, Canada, 2020, pp. 1587-1588, doi:https://doi.org/10.1109/IEEECONF35879.2020.9330088.
3. U. Rothman, Wide-angle microwave lens for use in linear sources, IEEE Transactions on antennas and propagation, 1963
4. [4] T. Katagi, S. Mano, and S.-I. Sato, "An improved method for designing a Rotman lens antenna," IEEE Trans. On Development and Distribution, volume II. AP-32, No. 5, pp. 524-527, May 1984.
5. P. Lee, P. Lee, P. Yang, Z. Kuang, and H. Luo, "Development of a compact Rotman lens with wide-angle scanning using a high dielectric constant substrate," Symposium of the International Society for Applied Computational Electromagnetism (ACES-China) 2021, Chengdu, China, 2021, pp. 1-2, doi:https://doi.org/10.23919/ACES-Chin52398.2021.9581982.
6. Question. Liang, B. Song, and G. Zhou, "Miniaturization of a Rot-man lens using an Array port extension," in IEEE Antenna-nas and Wireless Propagation Letters, Volume 22, No. 3, pp. 541-545, March 2023, doi:https://doi.org/10.1109/LAWP.2022.3217399.
7. R. K. Arya et al., "Construction of a compact Rotman lens using cone-shaped Klopfenstein lines", 10th IEEE Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation (APCAP), 2022, Xiamen, China, pp. 1-2, doi:https://doi.org/10.1109/APCAP56600.2022.10069996.
8. Question. Chen, Y. He, H. Wang, and F. Zeng, "Designing a low-side projection antenna with a multipath array with a Rotman lens," Symposium of the International Society for Applied Computational Electromagnetism (ACES-China) 2021, Chengdu, China, 2021, pp. 1-2, doi:https://doi.org/10.23919/ACES-China52398.2021.9581798.
9. J. Wang, KangYang, Mantangchui, and Y. Shi, "The design of an ultra-wide-band Rotman lens," International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT), Qingdao, China, 2023, pp. 1-3, doi:https://doi.org/10.1109/ICMMT58241.2023.10276882, 2023.
10. X. Song, Yu. Zhang, F. Yu and Yu. Zhai, "Rotman Lens Beam Expansion Research," 2020, 5th IEEE International Conference on Integrated Circuits and Microsystems (ICICM), Nanjing, China, 2020, pp. 5-9, doi:https://doi.org/10.1109/ICICM50929.2020.9292165.
11. D. K. Parsedia and P. K. Singhal, "Rotman lens geometry analysis for 5G Communication", IEEE Symposium on Wireless Antennas and Microwave Technology (WAMS) 2024, Visakhapatnam, India, 2024, pp. 1-4, doi:https://doi.org/10.1109/WAMS59642.2024.10528126.
12. J. -Y. Deng, Y.-B. Liu, Z. Chen, and W. Lin, "Compact multipath antenna using a miniature slow-wave Rotman waveguide lens integrated into a substrate for satellite Internet of vehicles," in IEEE Internet of Things, vol. 11, No. 4, pp. 6848-6856, February 15 2024, doi:https://doi.org/10.1109/JIOT.2023.3313309.
13. Gerbi et al., "Designing a beam-forming antenna using a Rotman lens for 10 GHz wireless applications," 2024 International Conference on Advances in Electrical and Communication Technology (ICAECOT), Setif, Algeria, 2024, pp. 1-4, doi:https://doi.org/10.1109/ICAECOT62402.2024.10829320.
14. Yu. Estekin and B. Saka, "The design of a wide-angle scanned Rotman microstrip lens in the X-band," 32nd Conference on Signal Processing and Communication Applications (SIU) 2024, Mersin, Turkey, 2024, pp. 1-4, doi:https://doi.org/10.1109/SIU61531.2024.10600867.
15. J. Lee, K. He, H. Fan, and R. Jin, "Gain-equalized multipath antenna powered by a compact double-layer Rot-man lens in the Ka band," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 70, No. 3, pp. 2307-2311, March 2022, doi:https://doi.org/10.1109/TAP.2021.3111199.
16. M. Heino, K. Icheln, J. Haarla and K. Haneda, "Design based on matrix printed circuit boards with the ability to control a beam with high-gain antennas and a Rotman lens at 28 GHz," in IEEE antennas and Wireless Propagation Letters, volume 19, No. 10, pp. 1754-1758, October 2020, doi:https://doi.org/10.1109/LAWP.2020.3017129.
17. H. -T. Chow and S.K. Ho, "Communication three-mode flat phased array antennas using a Rotman trifocal lens as a switchable mode shaper for automotive radars," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Volume 70, No. 12, pp. 12340-12345, December 2022, doi:https://doi.org/10.1109/TAP.2022.3209218.
18. K. V. Hoel, S. Kristoffersen, N. Jastram and D. S. Filipovich, "Rotman lens with 3D printing", 2017, 47th European Microwave Conference (EuMC), Nuremberg, Germany, 2017, pp. 125-128, doi:https://doi.org/10.23919/EuMC.2017.8230815.
19. L. Shulvitz and A. Mortazavi, "A new low-loss Rot-man lens design for multipath phased arrays," IEEE MTT-S International Symposium on Microwave Technology, San Francisco, California, USA, 2006, pp. 445-448, doi:https://doi.org/10.1109/MWSYM.2006.249587, 2006.
20. Hertl, M. Wawrda and P. Hanulak, "Rotman lens design for use in millimeter range sensors", Proceedings of the 21st International Conference "Radio Electronics 2011", Brno, Czech Republic, 2011, pp. 1-4, doi:https://doi.org/10.1109/RADIOELEK.2011.5936429.
21. M. Radjabalyan and B. Zakeri, "Embedded non-focal Rotman lens", 2015 European Radar Conference (EuR-AD), Paris, France, 2015, pp. 393-396, doi:https://doi.org/10.1109/EuRAD.2015.7346320.
