In diesem Beispiel wird eine Schlitz-/Streifenantenne mit Hohlraumrückseite in XFdtd unter Verwendung der XACT-Vernetzungsfunktion simuliert. Die simulierten Ergebnisse für Rückflussdämpfung, Achsverhältnis und Gewinn werden mit gemessenen Ergebnissen verglichen. Das Antennendesign und die Messergebnisse sind aus [1] übernommen.
Eine CAD-Darstellung der Antennenstruktur ist in Abbildung 1 zu sehen. Der Hohlraum ist luftgefüllt und hat perfekt leitende Wände. Die Schlitze und die Grundplatte sind ebenfalls perfekt leitend. Unter den Schlitzen befindet sich ein sehr dünnes dielektrisches Substrat, das dieser ansonsten recht einfachen Geometrie einen schwierigen Aspekt hinzufügt. Mit einem Standard-Treppennetz 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 z.B. eine variable Gitterstruktur, erfordern. Mit XACT kann die Maschenweite größer sein, aber es ist wichtig, dass jede Schicht der Geometrie mit eindeutigen Merkmalen definiert ist. Bei dieser Geometrie werden der Z-Ebene der Schlitze und der Zuführungsstutzen (oben und unten auf dem Substrat) feste Punkte hinzugefügt, um sicherzustellen, dass jede Ebene definiert ist. Die Größe der Basiszelle wird als ein viel größerer Würfel von 0,8 mm gewählt, wobei ein Verhältnis gewählt wird, das die Definition der kleineren Z-Dicke ermöglicht. Um die Simulationsergebnisse zu unterstützen, werden die Außenflächen des dielektrischen Substrats mit einer dünnen Mittelungsschicht bedeckt, deren dielektrischer Wert auf halbem Weg zwischen dem freien Raum und dem vollen dielektrischen Wert liegt. Außerdem werden den Endpunkten der Zuleitung Festpunkte hinzugefügt, um sicherzustellen, dass sie ordnungsgemäß zwischen der Zuleitung und der Hohlraumwand angeschlossen sind. Eine Ansicht der oberen Schicht der Antenne ist in Abbildung 2 zu sehen, während die Speisestruktur in Abbildung 3 dargestellt ist.
Abbildung 1: CAD-Darstellung der Antenne mit Hohlraumrückwand. Das weiße Material stellt die Metallschichten dar, während die grüne Farbe das dielektrische Substrat unter den Schlitzen ist.
Abbildung 2: Ein zweidimensionaler Schnitt des XFdtd-Netzes der Antenne in der Ebene der Schlitze. Sichtbar sind die XACT-angepassten Zellen, die perfekt mit den Kanten des CAD-Modells übereinstimmen.
Abbildung 3: Eine zweidimensionale Ansicht der Zuleitung zeigt die subzelluläre Größe der Mikrostreifenleitung und das XACT-Mapping, mit dem die Form exakt definiert wurde.
Für die Simulation wird ein interessanter Frequenzbereich von 4 bis 8 GHz festgelegt. Dadurch wird die Wellenform automatisch so angepasst, dass sie diesen interessanten Bereich abdeckt. Die Anregung für die tatsächliche Antenne erfolgt über eine Koaxialleitung, die an der Seite des Hohlraums angebracht ist und die Mikrostreifenleitung an der Unterseite der dielektrischen Schicht speist. Am Ort der Einspeisung wird ein Port definiert, der zwischen der Mikrostreifenleitung und der Hohlraumwand liegt, ähnlich wie die koaxiale Einspeisung für die reale Antenne. Die Felder der Nahzone werden an dieser Stelle für die Berechnung der S-Parameter-Ergebnisse gespeichert. Zusätzlich werden Sensoren für die Fernzone definiert, um das Achsenverhältnis und den Gewinn als Funktion der Frequenz direkt über der Antenne sowie den Gewinn in zwei Hauptebenen durch die Mitte der Antenne zu speichern. Die Antennensimulation wird auf einem GPU-Cluster mit vier NVidia Telsa C870 GPU-Karten durchgeführt und dauert 23 Minuten. Bei einer Basiszellengröße von 0,8 mm benötigte das Projekt 611 Tausend Zellen und 63 MB Speicher. Das Ergebnis der S-Parameter für die Rückflussdämpfung an der Einspeisung stimmt gut mit den in der Arbeit definierten Messergebnissen überein (Abbildung 4). Das Achsenverhältnis und die Verstärkungsergebnisse in Abhängigkeit von der Frequenz zeigen ebenfalls eine gute Übereinstimmung mit den gemessenen Ergebnissen (Abbildungen 5 und 6). In den Abbildungen 7-10 ist die zirkular polarisierte Verstärkung in den beiden Hauptebenen für zwei verschiedene Frequenzen aufgetragen. Die Ergebnisse ähneln denen, die in der Abhandlung beschrieben wurden.
Abbildung 4: Die simulierte Rückflussdämpfung von XFdtd7 stimmt gut mit den gemessenen Daten überein.
Abbildung 5: Das Achsenverhältnis aus der Simulation und die gemessenen Daten zeigen ähnliche Ergebnisse über den interessierenden Frequenzbereich.
Abbildung 6: Der Gewinn der simulierten Antenne an einem Punkt direkt über der Antennenfläche stimmt gut mit den gemessenen Ergebnissen überein.
Abbildung 7: Hier sind die rechten und linken zirkular polarisierten Gewinne in der Phi=0-Ebene (über die geringere Breite der Antenne) bei 5,7 GHz aufgetragen.
Abbildung 8: Hier sind die rechten und linken zirkular polarisierten Gewinne in der Phi=90-Ebene (entlang der längeren Abmessung der Antenne) bei 5,7 GHz aufgetragen.
Abbildung 9: Hier sind die rechten und linken zirkular polarisierten Gewinne in der Phi=0-Ebene (über die schmalere Breite der Antenne) bei 6,7 GHz aufgetragen.
Abbildung 10: Hier sind die rechten und linken zirkular polarisierten Gewinne in der Phi=90-Ebene (entlang der längeren Abmessung der Antenne) bei 6,7 GHz aufgetragen.
Referenzen
-
R. Li, B. Pan, A. N. Traille, J. Papapolymerou, J. Laskar, and M. M. Tentzeris, "Development of a Cavity-Based Broadband Circularly Polarized Slot/Strip Loop Antenna With a Simple Feeding Structure," IEEE Trans. Antenna Propag., Vol. 56, No. 2, Feb. 2008, pp. 312-318.
