导言
本示例介绍了一种更先进的 28 GHz 天线阵列，能够形成多个波束，用于 5G 网络基站等应用。 该系统由三部分组成：一个具有七个输入端口和八个输出端口的罗特曼透镜波束形成器、一系列将每个罗特曼输出分成八个相等信号的带状威尔金森功率分配器，以及一个 8x8 的贴片天线阵列。 该系统将产生 7 个聚焦波束，3dB 波束宽度约为 14.5 度，增益大于 17 dBi，覆盖 +/- 30 度区域。
设计过程包括三个独立阶段：创建罗特曼透镜波束成形器、设计 1-8 威尔金森功率分配器和 8x8 贴片天线阵列。 罗特曼透镜使用Remcom 的 Rotman Lens Designer® (RLD) 软件设计为微带器件。 功率分配器和贴片天线阵列是在 XFdtd® 中设计的。
本示例将介绍设备每个阶段的创建过程，并评估各个阶段和整个设备的性能。
设备设计
罗特曼透镜波束成形器的工作频率为 28 千兆赫，可通过八个阵列端口扫描 +/- 30 度的七个波束。 选择的 50 欧姆微带设计采用圆形轮廓，总宽度略低于 5 个波长。 侧壁呈弧形，每侧包括四个哑端口，用于吸收任何反射场。 基底选用相对介电系数为 2.94、厚度为 0.254 毫米的合适介质。 基本设计如图 1 所示，图中显示了用于创建透镜的 RLD 软件。 图像左侧为灰色的光束端口（输入），右侧为红色的阵列端口（输出）。 位于传输线两端的输出端口间距为半波长。 传输线的长度根据罗特曼透镜的方程决定。 罗特曼透镜通常与一个或多个光束端口一起使用，由于信号传播到达输出端的时间延迟，在阵列端口上产生线性相移。 这些设备通常被称为 "真正的时延 "系统，不依赖移相器来引导光束。
调整透镜形状后，在图 2 中绘制了七个输出光束（每个输入端口一个），以验证光束的位置和侧射水平。 光束的扫描角度分别为 +/-30、+/-20、+/-10 和 0 度。 图中是均匀孔径分布的阵列端口。
图 1：RLD 软件中显示了最初的罗特曼透镜设计。左侧为七个光束端口，右侧为八个阵列端口。
图 2：阵列因数是衡量一个光束端口由于整个阵列端口的相位而产生的预期辐射模式的指标，显示了在 RLD 中设计的罗特曼透镜所有七个光束的阵列因数。
设备模拟
RLD 的罗特曼透镜设计被导出为 SAT 格式的 CAD 文件，供 XFdtd 使用。 导入 XFdtd 后，生成了图 3 所示的几何图形，其中所有端口均以 50 欧姆负载端接。 如图 4 所示，计算了每个波束端口的回波损耗，发现在 28 GHz 频率下的可接受值低于-10 dB。 通过 XFdtd 中的脚本，连接到阵列端口的传输线上的输出复电压被用来计算每个输入端口的波束图形，如图 5 所示。 可以看出，这些波束与原始 RLD 设计的波束非常相似。
图 3：在导入 RLD 软件程序生成的 CAD 文件后，XFdtd 中显示了罗特曼透镜的设计。透镜在介电常数为 2.94 的 0.254 毫米基板上采用微带设计。
图 4：罗特曼透镜每个波束端口在 28 千兆赫左右频率范围内的回波损耗图。
图 5：该图显示了 XFdtd 模拟的罗特曼透镜阵列系数。连接到阵列端口的每条传输线末端的复数电压都被用来生成每个输入端口的阵列因子，可以看出这些光束模式与图 2 所示的 RLD 非常相似。
对整个阵列端口的 S 参数数据进行分析后发现，幅度变化在 -11 到 -15 dB 之间，比理想的均匀分布略大（图 6）。 整个阵列端口的相位变化显示出接近线性的变化，正如所期望的那样，七束光中的每一束都是如此（图 7）。 在图 7 中，相位经过调整，阵列端口 4 的相位为零，以便进行比较。 罗特曼透镜在阵列端口之间产生的相位变化分别为 +/-90、+/-60、+/-30 和 0 度。
图 6：设计中希望罗特曼透镜的阵列端口分布均匀。在 XFdtd 仿真中，可以看到实际分布存在一些差异。
图 7：每个输入光束端口的阵列端口相位变化图。设计系统的预期相位应该是线性的，斜率从输出端口之间的 +90 度到 0 度到 -90 度不等，这取决于哪个输入端口处于激活状态。从图中可以看出，相位变化接近线性，斜率接近预期值。
条纹式威尔金森功率分压器的设计使用了与罗特曼透镜相同的介质（ε = 2.94）。 条纹基板厚度为 0.508 毫米，导线为 50 欧姆。 该设计将一个输入分成三个阶段的八个相等同相输出。 威尔金森每个端口的输出通过一根短同轴电缆连接到贴片天线的输入端。 贴片天线阵列由八个 1x8 子阵列组成，每个子阵列连接一个威尔金森。 贴片阵列的基底为相同的介质，厚度为 0.254 毫米。 贴片间距为半波长（28 千兆赫），贴片尺寸略大于四分之一波长，馈电偏离贴片中心 0.9 毫米，以获得最佳性能。 威尔金森阵列的组合部分如图 8 和图 9 所示。
图 8：图中显示的是 8x8 贴片天线阵列和连接天线的八个威尔金森功率分配器的三维 CAD 图。在这里，威尔金森功率分配器第一级上的八个输入波导端口取代了罗特曼透镜。
图 9：所示为威尔金森功率分配器的侧视图，清楚地显示了分配信号的三个阶段。
对威尔金森-阵列组合部分进行了模拟，在八个威尔金森输入端分别添加了波导端口。 图 10 显示了每个子阵列的回波损耗图，在 28 千兆赫时表现良好。 输入端口的相移从元件间的 +90 度（波束 1）到元件间的 -90 度（波束 7），以 30 度为增量，产生七个不同的波束。 波束图案（以增益而不是阵列因子绘制）如图 11 所示。 在图 11 中，增益峰值略有不同，但光束位置在所需的角度上分布良好，与原始 RLD 设计非常吻合。 图 12 和图 13 显示了波束的三维几何结构。 白色大箭头表示峰值增益的方向。
图 10：与威尔金森功率分配器相连的八个端口的回波损耗在 28 千兆赫时表现良好。每个功率分配器所连接的不同 1x8 子阵列之间只有微小的差异。
图 11：在图 8 的装置中，威尔金森和天线阵列组合的波束图是以增益（而不是阵列系数）的形式绘制的。在这里，罗特曼透镜产生的相位关系被威尔金森功率分配器输入端口的相移所取代。可以看到，光束处于正确的角度位置，增益几乎相等。
图 12：这张图显示的是七个光束的三维模式，而不是图 11 的线图。白色大箭头表示每个光束的增益峰值方向。
图 13：这是阵列产生的七个光束的三维光束图案的另一个视图。
设计的最后一步是将罗特曼透镜波束形成器与功率分配器/天线阵列结合起来。 该结构的三维 CAD 模型如图 14、图 15 和图 16 所示。 在这里，所有开放连接处都使用了匹配为 50 欧姆的波导端口，包括七个波束端口和八个用于减少透镜反射的假端口。
图 14：这里显示的是由罗特曼透镜输入、威尔金森功率分配器级和 8x8 贴片天线阵列组成的完整系统的三维 CAD 模型。
图 15：这是整个系统的侧视图，其中三级威尔金森功率分配器更加清晰可见。
图 16：这是整个系统的俯视图，可以更清楚地看到罗特曼透镜和阵列传输线。
在每个波束端口输入宽带脉冲进行模拟后，回波损耗与频率的关系图如图 17 所示。 所有端口的回波损耗都很好，接近 -16 dB，只有中央端口（光束 4）的回波损耗较高，这可能是由于对称的位置和反射没有被假端口很好地吸收。
图 17：这里绘制的是罗特曼透镜七个输入端口与整个功率分配器和天线系统连接时的回波损耗。结果总体良好，除中心波束（端口 4）外，所有端口的回波损耗值均低于-10 dB。
图 18 显示了整个设备在 28 GHz 频率下的波束图形，可以看出，与不带罗特曼透镜的阵列模拟相比，波束图形的角度位置正确，但峰值增益的变化略大。 这是由于馈入威尔金森功率分配器的罗特曼透镜阵列端口的相位和幅度变化不够完美。 结果与图 2、图 5 和图 11 所示的早期模拟中生成的光束图案一致，尽管光束幅度的变化更大。
图 18：整个系统产生的波束以增益模式绘制，可以看出与其他波束模式图相似，波束间距为 10 度，从 -30 度到 30 度，幅度接近相等。
光束的三维视图可以更清晰地显示设备的性能，包括是否存在斜边及其水平。 图 19、图 20、图 21 和图 22 显示了设备的前四条光束与设备结构的关系。 第五、六和七光束分别类似于三、二和一光束。 在图 23 中，所有七束光都以三维方式显示，以显示设备的全部覆盖范围。 图 24 显示了从设备上方沿 Y 轴的不同视角观察到的同样七束光。
图 19：图中显示的是整个系统产生的来自罗特曼透镜输入端口 1 的光束图案的三维视图。
图 20：图中显示的是整个系统产生的来自罗特曼透镜输入端口 2 的光束图案的三维视图。
图 21：图中显示的是整个系统产生的来自罗特曼透镜输入端口 3 的光束图案的三维视图。
图 22：图中显示的是整个系统产生的来自罗特曼透镜输入端口 4 的光束图案的三维视图。
图 23：该图以三维增益模式显示了整个系统的所有七个波束。
图 24：罗特曼透镜每个输入端口产生的七束光的三维俯视图。
设备上传导电流传播的可视化是一个有用的工具，可确保各级之间的所有连接良好（没有未连接的部分），并确保传播到阵列的速度相同。 从罗特曼透镜到功率分配器的传输线长度必须正确，以保持波阵面的相位关系。 在图 25 中，电流从中心光束端口穿过透镜。 图 26 显示电流刚刚到达阵列端口的输出端，并进入传输线。 图 27 显示电流完全通过传输线并进入功率分配器。 在图 28 中，为了更好地显示电流通过第一级功率分配器时的情况，几何图形显示被禁用，但仍保持良好的相位关系。 最后，在图 29 中，电流刚刚到达贴片天线的馈电端，并且仍然相位一致。
图 25：该图显示了传导电流从光束端口 4 进入罗特曼透镜的传播过程。
图 26：图中，传导电流从罗特曼透镜的光束端口 4 传播到透镜的阵列端口。
图 27：传导电流的传播已到达阵列传输线的两端，并进入威尔金森功率分配器元件。所有电流看起来都是同相的，因为它们在同一时间到达同一位置。
图 28：此处已禁用几何图形显示，只显示金属表面的传导电流。在威尔金森功率分配器的第一级，场开始分裂。
图 29：电流最终穿过整个结构，到达天线的输入端口。
摘要
本示例演示了为 5G 应用生成和分析 28 GHz 可转向阵列的过程。 这里的要求是在七个波束中实现-30 至 30 度的波束覆盖，使用了一个罗特曼透镜波束形成器、八个 1 至 8 的威尔金森功率分配器和一个 8x8 的贴片天线阵列。
