Projeto de lentes de Rotman operando na faixa de ondas milimétricas

Abstract

Com o preenchimento do espectro de frequências convencionais e com a demanda crescente por elevadas taxas de transmissão, as faixas de frequência das ondas milimétricas (30GHz a 300 GHz) podem ser utilizadas como alternativa para atender às demandas atuais. Porém, sistemas operando em altas frequências tendem a sofrer tanto com a alta atenuação no espaço livre quanto com o baixo poder de penetração. Para solucionar este problema, são necessários sistemas que possuam alto ganho e tenham a capacidade de alterar dinamicamente a direção do feixe de radiação. Com isso, as lentes de Rotman em microstrip se apresentam como uma alternativa robusta, de baixo custo e banda larga para integrar sistemas de alto ganho, principalmente pela sua capacidade de alterar dinamicamente o direcionamento de feixe de irradiação de um arranjo de antenas. Para construí-la, é necessário fazer uso das equações que definem os arcos que formam seu núcleo e estabelecer estruturas de casamento de impedância entre o núcleo da lente e suas portas de entrada e saída. Com o auxílio do Matlab, foi feita a implementação das equações desenvolvidas e foi gerada uma lente com quatro portas em cada arco, com capacidade de deslocamento de feixe de 29º. Por fim, a geometria da lente foi importada para o Ansys Electronics Desktop e extensivas simulações foram feitas utilizando o módulo HFSS para análise em altas frequências, até que fossem obtidas as direções de feixe, os parâmetros de reflexão e de transmissão, e o diagrama de fases.

As the conventional frequency spectrum reaches capacity and the demand for high transmission rates continues to grow, millimeter wave frequency bands (30 to 300 GHz) offer a viable alternative for meeting current demands. However, systems operating at high frequencies tend to exhibit both high attenuation in free space and low penetration power. To address this challenge, it is necessary to develop systems that possess both high gain and the capacity to alter the direction of the radiation beam in a dynamic manner. Rotman’s microstrip lenses represent a robust, cost-effective, broadband solution for integrating high-gain systems, primarily due to their capacity to dynamically redirect the radiation beam of an antenna array. In order to construct the lens, it is essential to utilize the equations that define the arcs that comprise its core, in addition to establishing impedance-matching structures between the lens core and its input and output ports. The equations were implemented in Matlab, resulting in the generation of a lens with four ports in each arc, exhibiting a beam displacement capacity of ±29°. Subsequently, the lens geometry was imported into Ansys Electronics Desktop, facilitating the execution of comprehensive simulations until the beam directions, reflection and transmission parameters, and the phase diagram were obtained.