微带Rotman透镜基于Planar

1、微带Rotman透镜基于Planargementoftheports.Severalfastsimulationmethodsarediscussed.andaneffectiveoneisdeterminedbythelensfigure.Thesimulationresultsareingoodagreementwiththemeasureddata.Theeffectsofseveralparametersareinvestigated,suchasthelengthofthepertandtheshapeofthetaper,whichprovidesthefoundationofth

2、eoptimization.KeywordsRotmanlens;PlanarEM;fastsimulation;reflectioncoefficientofpert0引言微带Rotman透镜固有的宽频带和低价位特性赋予它较强的生命力,其设计技术在国外比拟成熟,已广泛应用在电子侦察和电子干扰领域.针对微带Rotman透镜的分析仿真问题,国外_12J曾提到软件的建模仿真思路,然而介绍很简单.本文基于现有的软硬件资源,针对透镜的具体形状,讨论几种快速仿真的方法,然后合理地设计仿真的参数,解决了透镜整体性能的仿真分析问题.最后基于软件的仿真模型,讨论了不同渐变形式,不同渐变长度对端口性能的影响,为

3、端口的优化设计提供了依据.将图1所示的模型导人PlanarEM软件进行仿真分析.仿真分析过程采用HPxw6000T_作站(内存2GB,CPU主频3GHz),选择固定的网格划分频率为9GHz时,网格划分近6万个,求解未知变量的个数为8万多.仅仅分析单一频率点的性能,CPU运行时间就需4个多h,占用内存1.5GB以上,计算量非常大,很难满足全频带快速仿真的需要.1透镜模型的建立2模型的快速仿真设计参数:中心频率f0=6GHz,材料的介电常数e,=3.5,扫描的角度为30,半功率波束宽度200.5=15.根据Rotman.Turner等式_3可以完全确定透镜的轮廓.采用虚端口设计有效地吸收腔体内部的

4、反射,通过合理地排列端口的位置,建立的透镜模型如图1所示.图1透镜的仿真建模用PlanarEM软件分析透镜问题的可信度较高_4J,然而它的计算量很大,对计算机的要求非常高,所以必须采取相应的措施来解决既快速又准确的分析问题.下面讨论几种常用的快速仿真方法,然后针对透镜模型的具体形状,指出各种方法应用的局限性,从而最后提出有效的解决方案.收稿日期:2005.1ll42006年无线电工程第36卷第6囊45电磁场与微波精简模型软件的建模不必要详尽地画出所有的细节,可以将影响不大的区域理想等效,精简模型的形状,从而减少了计算量.然而,该透镜的设计形状已经将不必要的传输延迟线相对精简至最短,图1的模型已

5、经不能再随意等效.减少不连续点,减少复杂的网格划分在模型的不连续交点上,网格划分比拟密,网格数目较多,自然计算量也就增大.假设可以在不影响性能的前提下,尽量地优化设计模型的边缘形状,可以减少不连续的交点,自然就降低了计算量.对于透镜的模型来说,它的实际形状并非任意画的,其端口是由一定的渐变形式决定的,端口之间的组合也由端口的宽度来约束,假设任意地改变,那么可能会引起相位中心和传输方向的变化,所以不能随意地更改透镜的边缘形状,这种方法行不通.减少端口个数,降低求解复杂性对于端口数目较多的模型,分析比拟复杂,可以将暂不分析的端口用50Q的负载来代替,这样会减少分析的时间.然而在透镜的优化设计过程中

6、,不仅仅要考虑单一端口的传输问题,还要考虑所有虚端口的吸收情况,输入端口之间的相互耦合情况,以及任意输出端口的接收情况等,根本上每个端口的情况都要考察,所以这种方法可行性不大.灵活地根据结构的对称性,来减少运算量灵活运用对称边界条件,可以减少一半的计算量,这是解决电大尺寸仿真问题的一个重要途径.然而对于多端口的透镜结构来说,对称是相对而言的,对于不同的输入端口,有不同的对称边界,所以不可能对如此的多端口不规那么结构,运用统一的对称边界条件.将边缘网格与固定网格结合起来,加快分析仿真的速度原那么上固定网格划分频率选择为最高的工作频率,这样分析结果比拟精确.而划分频率选取越低,网格越大,求解的未知

7、变量越少,计算量也相应减少,当然精度也会变差.对于一些边缘变化较剧烈或边缘作用较强烈的模型,一般要引入边缘的网格划分,这样才能够较精确地模拟实际的性能.微带透镜的特殊形式决定了方法可以行得通,透镜边缘的变化比拟多,所以引入边缘网格划分,可以详细精确地分析边缘的细微变化;而透镜的462006RadioEngineeringVo1.36No.6中间局部,变化较少,可以采用固定网格划分,并且网格的划分频率可以适当的降低.经过屡次的试验发现,中选定透镜的固定网格划分频率为2GHz,边缘网格的划分比率设为0.05时,求解的变量个数仅为5000多,单频点的计算仿真时间仅为10min左右,解决了快速的问题,

8、并且仿真结果也比拟准确.图2给出了仿真结果和实测结果的比拟,篇幅所限,仅给出了边缘输入端口和中心输入端口的回波的比拟,分别如图2(a),(b)所示.,GHz厂,GHz(a)边缘输入端口回波(b)中心输入端口回波图2实测与仿真的回波特性通过如图2所示不同端口的实测结果和仿真结果的比拟可以看出,仿真的特性还是比拟准确.采用边缘网格与固定网格相结合的方法,可以有效地解决透镜的快速准确的仿真分析问题.3透镜端口的仿真分析下面运用软件仿真不同渐变形状,不同渐变长度对透镜端口回波的影响情况.首先,分别使用直线渐变,抛物线渐变和Chebyshev渐变的端El,组合出透镜的整体形状,端口的长度均为22.5mi

9、ll,仿真的回波特性如图3(a)所示,篇幅所限,仅给出了中心输入端口的回波情况.(a)不同渐变形式的回波(b)渐变长度为40mm的回波图3不同设计参数的回波情况通过图3(a)给出的不同渐变形式的端口回波电磁场与微波进行比拟,发现不同的渐变形式对反射系数的改善不大,说明渐变形式不是决定端口回波性能的主要因素.然后,仿真不同渐变长度对端口回波的影响,图3(b)给出了渐变长度为40IniIl时,不同渐变形式的端口回波情况,篇幅所限,同样仅给出了中心端口的回波情况.根据如图3(b)所示的不同渐变形式的回波情况,同样可以看出不同的渐变形式对回波的改善不大.通过图3(a)和图3(b)比拟发现,不同的端口长

10、度对反射系数的影响也不大,当然渐变线越长,渐变的性能越优,透镜端口的回波能够得到一定的改善,但这2个因素依然不是决定端口回波性能优劣的主要因素.4结束语本文基于PlanarEM软件仿真透镜问题的准确性,将边缘网格划分与固定网格划分结合起来,通过设置适宜的仿真参数,克服了计算量大的困难,解决透镜的快速准确的整体仿真分析问题.并且通过仿真结果与实测结果的比拟,证实了这种快速仿真办法的准确性,满足了工程的需要.然后仿真分析了透镜的整体性能,并对不同的端口设计参数进行讨论比拟,发现端口的渐变形式和渐变长度对回波的影响不大,为端口的优化设计提供重要的参考依据.以后端口的优化设计重点是讨论其他设计参数对回

11、波的影响.十参考文献1HALLLT,ABBOTrD,HANSENHJ.DesignandSimulationofaHighEfficiencyRotmanLensforMMwaveSensingApplicationsC.2000AsiaPaccMicrowaveConference,2000:14191422.2HALLL,HANSENH,ABBOTID.RotmanLensformmWavelengthsJ.SmartStructures,DevicesandSystems,ProceedingsofSHE,2002,4935(4):215221.3ROTMANW,TURNERRF.Wid

12、eAngleMicrowaveLensforLineSourceApplieationsJ.IEEETransaetonsonAntennasandPropagation,1963,11(11):623632.4姜海玲,纪学军.微带Rotman透镜的设计与软件分析J.无线电工程,2006,36(1):4546.作者简介纪学军男,(1966一),中国电子科技集团公司第54研究所高级工程师.主要研究方向:微波电路,通信对抗.【上接第42页)式中,A-;B:;C-cosJ;:D+】lf;y:2yD+jIf;z=D+M;以壶(DFAg)%L+(DAyFA)2y+(DA矿zF)2z+(DAEJ)2aAy

13、+(DA一EA矿y)盯+(D一Er,z)ar,.式中,D=;E=;F=;髓=2m+;盯=+2唧;珏=+.由以上公式可以看出,遭遇参数的误差主要决定于坐标误差及速度误差,精确地计算坐标与速度关系很大,因此,利用同坐标系下的差分处理,可消除系统误差,这是保证坐标及速度高精度的有效手段.5结束语与现有无线电脱靶量测量手段相比不需要在弹靶上加装任何设备,防止了不必要的浪费;与光学测量手段比拟它不受气象条件的限制,因此,ISAR雷达是矢量脱靶量测量的有效手段.十参考文献1刘永坦.雷达成像技术M.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1999.2阿斯塔宁苏.超宽带雷达测量根底M.北京:国防工业出版社,1989.3费利那意.雷达数据处理M.北京:国防工业出版社,1992.4陈相麟.雷达试验M.北京:国防