Hohlraumgesicherte Slot/Strip-Loop-Antenne

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In diesem Beispiel wird eine cavity-backed Slot-/Bandantenne in XFdtd mit Hilfe der XACT-Netzfunktion simuliert. Die simulierten Ergebnisse für Rückflussdämpfung, Axialverhältnis und Verstärkung werden mit den Messergebnissen verglichen. Das Antennendesign und die Messergebnisse werden aus[1] entnommen.

Eine CAD-Darstellung der Antennenstruktur ist in Abbildung 1 dargestellt. Der Hohlraum ist luftgefüllt mit perfekt leitenden Wänden. Auch die Schlitze und die Massefläche sind perfekt leitfähig. Unter den Schlitzen liegt ein sehr dünnes dielektrisches Substrat, das dieser ansonsten recht einfachen Geometrie einen herausfordernden Aspekt verleiht. Bei einem Standard-Treppenraster muss die Dicke der dielektrischen Schicht durch mehrere FDTD-Zellen definiert werden. Dies würde entweder die Verwendung einer sehr kleinen Maschenweite oder eine andere Technik wie ein variables Gitter erfordern. Mit XACT kann die Maschenweite größer sein, aber es ist wichtig, trotzdem sicherzustellen, dass jede Schicht der Geometrie mit unterschiedlichen Merkmalen definiert ist. In dieser Geometrie werden Festpunkte zur Z-Ebene der Schlitze und zum Vorschubstutzen (oben und unten auf dem Substrat) hinzugefügt, um sicherzustellen, dass jede Ebene definiert ist. Die Größe der Basiszelle wird als viel größerer 0,8 mm Würfel gewählt, wobei ein Verhältnis gewählt wird, das es ermöglicht, die kleinere Z-Dicke zu definieren. Um die Simulationsergebnisse zu unterstützen, sind die Außenflächen des dielektrischen Substrats mit einer dünnen Mittelwertschicht bedeckt, die den Dielektrizitätswert auf halbem Weg zwischen dem freien Raum und dem vollen Dielektrizitätswert aufweist. Zu den Endpunkten der Zuführung werden auch Festpunkte hinzugefügt, um sicherzustellen, dass sie ordnungsgemäß zwischen der Zuführungsleitung und der Hohlwand verbunden sind. Eine Ansicht der oberen Schicht der Antenne ist in Abbildung 2 dargestellt, während die Feed-Struktur in Abbildung 3 dargestellt ist.

Abbildung 1

Eine CAD-Darstellung der cavity-backed Antenne. Das weiße Material repräsentiert die Metallschichten, während die grüne Farbe das dielektrische Substrat unter den Schlitzen ist.

Abbildung 2

Ein zweidimensionaler Schnitt des XFdtd 7-Netzes der Antenne in der Ebene der Schlitze. Sichtbar sind die XACT-angepassten Zellen, die sich perfekt an die Kanten des CAD-Modells anpassen.

Abbildung 3

Eine zweidimensionale Ansicht der Zuleitung zeigt die subzelluläre Größe der Mikrostreifenleitung und das XACT-Mapping, mit dem die Form exakt definiert wurde.

Ein für die Simulation interessanter Frequenzbereich ist von 4 bis 8 GHz definiert. Dadurch wird die Wellenform automatisch angepasst, um diesen Bereich des Interesses abzudecken. Die Anregung für die eigentliche Antenne erfolgt über eine Koaxialleitung, die an der Seite des Hohlraums befestigt wird und die Mikrostreifenleitung auf der Unterseite der dielektrischen Schicht speist. An der Einspeiseposition ist ein Port definiert, der zwischen der Mikrostreifenleitung und der Hohlwand definiert ist, ähnlich wie die koaxiale Einspeisung für die eigentliche Antenne. An dieser Stelle werden Nahzonenfelder zur Berechnung der Ergebnisse der S-Parameter gespeichert. Zusätzlich sind Fernzonensensoren definiert, um das axiale Verhältnis und die Verstärkung als Funktion der Frequenz direkt über der Antenne und die Verstärkung in zwei Hauptebenen durch die Mitte der Antenne zu speichern. Antennensimulation wird auf einem Grafikprozessor-Cluster mit vier NVidia Telsa C870 Grafikkarten durchgeführt und dauert 23 Minuten. Mit einer Basiszellengröße von 0,8 mm benötigte das Projekt 611 Tausend Zellen und 63 MB Speicher. Das S-Parameter-Ergebnis für die Rückflussdämpfung am Vorschub ist gut mit den im Papier definierten Messergebnissen zu vergleichen (Abbildung 4). Auch das axiale Verhältnis und die Verstärkungsergebnisse über die Frequenz zeigen eine gute Übereinstimmung im Vergleich zu den Messergebnissen (Abbildungen 5 und 6). Die zirkulär polarisierte Verstärkung in den beiden Hauptebenen ist in den Figuren 7-10 für zwei verschiedene Frequenzen dargestellt. Die Ergebnisse sind ähnlich wie im Papier beschrieben.

Abbildung 4

Die simulierte Rückflussdämpfung von XFdtd7 ist eine gute Übereinstimmung mit den Messdaten.

Abbildung 5

Das axiale Verhältnis aus der Simulation und den Messdaten zeigt über den interessierenden Frequenzbereich hinweg ähnliche Ergebnisse.

 

Abbildung 6

Der Gewinn der simulierten Antenne an einem Punkt direkt über der Antennenfläche ist eine gute Übereinstimmung mit den Messergebnissen.

Abbildung 7

Hier werden die rechten und linken zirkular polarisierten Verstärkungen in der Phi=0-Ebene (über die schmalere Breite der Antenne) bei 5,7 GHz dargestellt.

 

Abbildung 8

Hier werden die rechten und linken zirkular polarisierten Verstärkungen in der Phi=90-Ebene (entlang der längeren Dimension der Antenne) bei 5,7 GHz dargestellt.

Abbildung 9

Hier werden die rechten und linken zirkular polarisierten Verstärkungen in der Phi=0-Ebene (über die schmalere Breite der Antenne) bei 6,7 GHz dargestellt.

 

Abbildung 10

Hier werden die rechten und linken zirkular polarisierten Verstärkungen in der Phi=90-Ebene (entlang der längeren Dimension der Antenne) bei 6,7 GHz dargestellt.

 

Referenzen

  1. R. Li, B. Pan, A. N. Traille, J. Papapolymerou, J. Laskar und M. M. Tentzeris, "Entwicklung einer zirkular polarisierten Breitband-Schlitz-/Streifenantenne mit einfacher Versorgungsstruktur". IEEE Trans. Antenne Propag., Bd. 56, Nr. 2, Feb. 2008, S. 312-318.