Mikrostreifen Gap Waveguide auf elektronischem Band Gap Substrat

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Ein Mikrostreifenspaltwellenleiter wird über einer pilzartigen EBG-Oberfläche simuliert, um die Wirksamkeit des Designs zu demonstrieren. Die in diesem Beispiel gezeigten Simulationen stammen aus einem Entwurf im referenzierten Papier[1].

Das Gerät arbeitet im Bereich von 5-12 GHz und besteht aus einem pilzartigen EBG-Substrat mit einer zwischen zwei Wänden eingefügten Spur. Das gesamte Gerät ist in einem Metallkasten untergebracht, wobei die einzigen Öffnungen die beiden Anschlüsse an jedem Ende sind. Ansichten der Geometrie im CAD-Format sind in den Abbildungen 1 und 2 dargestellt, wobei die Oberseite der Box unsichtbar gemacht wurde, um die inneren Details zu zeigen. Das Gerät ist so konzipiert, dass die Ausbreitung im Luftbereich zwischen den Pilzen und der Oberseite des Kastens stattfindet. Da die Breite des Luftraumes nur einen Millimeter beträgt, wird eine relativ kleine FDTD-Maschengröße von 0,2 mm verwendet, um eine ausreichende Auflösung der Felder zu gewährleisten. Eine dreidimensionale Ansicht des Netzes in der Nähe eines der Öffnungen ist in Figur 3 dargestellt, wo die Anzeige des Metallkastens und des dielektrischen Substrats deaktiviert ist, um die Details darzustellen. Die XACT-Netzfunktion wird für die EBG- und Mikrostreifenteile der Geometrie verwendet, um die Kurven und Kanten präzise zu vernetzen.

Abbildung 1

Ein CAD-Rendering der von oben dargestellten Geometrie. Hier wurde der Deckel der Metallkiste mit dem Gerät entfernt, um den Inhalt des Innenraums sichtbar zu machen.

Abbildung 2

Eine CAD-Ansicht der Geometrie, die in einem Winkel dargestellt wird, bei dem die Oberseite des Kastens entfernt ist.

 

Abbildung 3

Eine dreidimensionale Ansicht des XFdtd-Netzes der Vorrichtung in der Nähe eines der Ports. Die Box und das Substrat wurden in dieser Ansicht entfernt, um das innere Detail zu zeigen.

 

Die Vorrichtung wird durch TEM-Wellenleiteranschlüsse angeregt, die an jedem Ende der Mikrostreifenleitung angebracht sind. Die in Figur 4 dargestellte Anregung wird mit einem frequenzbegrenzten Signal mit einem Inhalt von etwa 5 bis 12 GHz an einen der Ports angelegt. S-Parameter- und Feldbilddaten werden als Ausgabe gespeichert.

Abbildung 4

Das Feldmuster der Eingangsanregung an Port 1, bei dem die Felder hauptsächlich zwischen der Mikrostreifenleitung und der Metallabdeckung liegen.

 

Die Berechnung wird auf einer NVidia Tesla C1060 GPU-Karte in ca. 39 Minuten bei einem Speicherbedarf von ca. 206 MB durchgeführt. Die Konvergenz der Berechnung dauert relativ lange, da Resonanzfelder im Kasten langsam abklingen.

Nach der Simulation können die berechneten S-Parameter mit den im Papier[1] dargestellten Messdaten verglichen werden. In den Abbildungen 5 und 6 werden die Ergebnisse von S11 und S21 jeweils gegen die Messdaten aufgetragen und zeigen ähnliche Ergebnisse. Die stationäre elektrische Feldverteilung bei 9 GHz in der Mitte des Luftbereichs oberhalb der EBG-Oberfläche ist in Figur 7 dargestellt. Hier ist zu erkennen, dass die Felder erwartungsgemäß im Bereich oberhalb der Mikrostreifenlinie enthalten sind. Schließlich werden die stationären Leitungsströme auf der EBG-Oberfläche bei 9 GHz aufgetragen und in Abbildung 8 dargestellt, und wieder ist zu erkennen, dass die Feldstärke deutlich von der Mikrostreifenleitung entfernt sinkt.

Abbildung 5

Ein Vergleich der Rückflussdämpfung (S11) des Gerätes, wie in XFdtd simuliert, dargestellt mit Messdaten.

Abbildung 6

Ein Vergleich von S21 der Vorrichtung zwischen den simulierten XFdtd-Ergebnissen und Messungen.

 

Abbildung 7

Die stationäre elektrische Feldverteilung bei 9 GHz in der Mitte des Luftbereichs zwischen der EBG-Oberfläche und dem Metalldeckel der Box. Die Felder sind nachweislich eng an den Mikrostreifenbereich gebunden.

Abbildung 8

Die stationären Leitströme auf der Oberseite der EBG-Oberfläche. Die Ströme sind eng an den Mikrostreifenbereich gebunden.

 

Referenzen

  1. E. Pucci, E. Rajo-Iglesias, P. S. Kildal, "New Microstrip Gap Waveguide on Mushroom-Type EBG for Packaging of Microwave Components,". IEEE Microw. Drahtlose Komponente. BriefeBd. 22, Nr. 3, März 2012, S. 129-131.