Einführung
Eine Zweibandantenne für Terahertz-Frequenzen könnte für Kommunikations- und Radaranwendungen nützlich sein, ist aber mit herkömmlichen Techniken oft schwer herzustellen. Hier wird ein in [1] diskutiertes Design mit der XFdtd EM Simulationssoftware bewertet, das ein konisches Horn verwendet, um ein niedrigeres Frequenzband bei 94 GHz abzustrahlen, und einen sich verjüngenden dielektrischen Streifen, um das höhere Band von 340 GHz zu übertragen. Die Antenne erzeugt gleiche Strahlungsdiagramme in der E- und H-Ebene mit einem Gewinn von etwa 18 dBi für beide Frequenzen in dieser Antennensimulation.
Geräteentwurf und Simulation
Das Speiseende der Antenne besteht aus zwei rechteckigen Hohlleiteranschlüssen, die orthogonal ausgerichtet sind, wobei sich der Anschluss für die niedrigere Frequenz an der Seite der Struktur befindet und der Anschluss für die höhere Frequenz in einer Linie mit der Mittelachse des Horns. Ein sich verjüngender dielektrischer Streifen aus Quarzglas verläuft über die gesamte Länge des Geräts und füllt den Hohlleiteranschluss bei 340 GHz teilweise aus. Die Felder bei der höheren Frequenz werden dann durch den Streifen geleitet, während der niederfrequente Anschluss bei 94 GHz in einen rechteckigen bis kreisförmigen Hohlleiterübergangsbereich und dann in das konische Horn mündet. Die Vorrichtung ist in Abbildung 1 in drei Dimensionen dargestellt, wobei der konische Quarzstreifen in roter Farbe und der 94-GHz-Anschluss auf der +X-Seite des Horns sichtbar sind. Ansichten des Horns von oben (+Y) und von vorne (+Z) sind in Abbildung 2 und Abbildung 3 zu sehen, wobei der verjüngte Streifen den Hohlleiter in X-Richtung teilweise ausfüllt.
Abbildung 1: Eine dreidimensionale CAD-Ansicht der Antenne zeigt die beiden Eingangsanschlüsse auf der rechten Seite und den verjüngten Quarzstreifen, der in der Mitte der Hornstruktur verläuft.
Abbildung 2: Eine Draufsicht auf die Antenne zeigt die Ausrichtung der beiden Eingangsanschlüsse und die Gesamtform der Übergangsbereiche und des Horns.
Abbildung 3: Ein Blick auf die Hornöffnung zeigt den sich verjüngenden dielektrischen Streifen, der teilweise die Mitte des Hochfrequenzhohlleiters ausfüllt.
Die beiden Ports werden durch breitbandige modale Hohlleiterquellen angeregt, um die S-Parameter-Ergebnisse zu erhalten. In Abbildung 4 ist die Rückflussdämpfung für den unteren Bandanschluss dargestellt, die bei 94 GHz unter -15 dB liegt. Abbildung 5 zeigt die Rückflussdämpfung für den oberen Bandanschluss, die bei 340 GHz fast -20 dB beträgt. Die Kopplung zwischen den Anschlüssen ist äußerst gering und liegt im Allgemeinen unter -70 dB.
Abbildung 4: Die Rückflussdämpfung für den 94-GHz-Anschluss zeigt eine gute Übereinstimmung mit Werten unter -15 dB.
Abbildung 5: Bei 340 GHz beträgt die Rückflussdämpfung fast -20 dB für den Hochbandanschluss.
Die Ausbreitung der 94-GHz-Felder als Funktion der Zeit ist in Abbildung 6 dargestellt, wo der Übergang vom rechteckigen zum kreisförmigen Wellenleiter zu sehen ist, gefolgt von der Abstrahlung des Horns. Die stationäre Feldverteilung in Abbildung 7 zeigt glatte Feldübergänge über das Horn. Die Anregung höherer Frequenzen durch den orthogonal angeschlossenen zweiten Anschluss zeigt in Abbildung 8, wie der dielektrische Streifen die zeitlich variierenden Wellen aus der Antenne leitet. Die stationäre Feldverteilung bei 340 GHz zeigt eine enge Begrenzung der Felder um den Streifen, wie in Abbildung 9 zu sehen ist.
Abbildung 6: Elektrische Felder im Zeitbereich vom 94-GHz-Port zeigen die Ausbreitung durch den Übergangsbereich und aus dem Horn der Antenne.
Abbildung 7: Stationäre elektrische Felder bei 94 GHz zeigen Feldverteilungen über den gesamten Querschnitt des Horns.
Abbildung 8: Bei 340 GHz sind die elektrischen Felder im Zeitbereich enger an den verjüngten dielektrischen Streifen in der Mitte des Horns gebunden.
Abbildung 9: Die stationäre elektrische Feldverteilung bei 340 GHz hebt die stärkeren Felder im Dielektrikum hervor.
Die Strahlungsdiagramme der beiden Bänder sind in Abbildung 10 und Abbildung 11 dargestellt, wobei beide Frequenzen ähnliche Strahlungsdiagramme und Verstärkungen mit geringen Nebenkeulen aufweisen. In Abbildung 12 sind die Verstärkungsmuster in der E- und H-Ebene für die 94-GHz-Strahlung dargestellt, und die Kreuzpolarisation ist sehr gering, während der Hauptstrahl symmetrisch ist. Bei 340 GHz weisen die Muster in der E- und H-Ebene eine höhere Kreuzpolarisation, aber immer noch nahezu symmetrische Hauptstrahlen und geringe Nebenkeulen auf, wie in Abbildung 13 dargestellt. Die Strahlungs- und Systemwirkungsgrade liegen für beide Frequenzen bei über 95 %, da dieses Antennendesign nur geringe Verluste aufweist.
Abbildung 10: Das Verstärkungsdiagramm des Horns bei 94 GHz hat einen symmetrischen Strahl mit Spitzenverstärkung bei 18 dBi und geringen Nebenkeulen.
Abbildung 11: Bei 340 GHz hat das Verstärkungsmuster einen nahezu symmetrischen Strahl mit einer etwas höheren Spitzenverstärkung von fast 19 dBi. Die Nebenkeulen liegen fast 40 dB unter dem Spitzenwert.
Abbildung 12: Der Gewinn in den beiden Hauptebenen bei 94 GHz zeigt einen starken, symmetrischen Strahl und sehr geringe kreuzpolarisierte Felder.
Abbildung 13: Bei 340 GHz ist die Verstärkung in den Hauptebenen symmetrisch mit geringen Nebenzipfeln. Die kreuzpolarisierten Felder sind in einer Ebene höher, aber immer noch um mehr als 15 dB niedriger.
Schlussfolgerung
Die Ergebnisse der Simulationen zeigen, dass das untere Frequenzband von der Hornstruktur abgestrahlt wird, während das höhere Band von dem sich verjüngenden dielektrischen Streifen getragen wird. Das Dual-Band-Horndesign zeigt eine gute Leistung bei beiden Frequenzen mit hohem Gewinn, symmetrischen Strahlen und geringen Nebenkeulen. Die Antenne hat einen hohen Wirkungsgrad und gute Rückflussdämpfungseigenschaften bei beiden interessierenden Frequenzen.
Referenz:
[1] X. Wang, C. Deng, W. Hu, Y. Liu und X. Lv, "Design of a 94/340GHz horn antenna loaded with dielectric for dual-band operation," 2017 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting, San Diego, CA, USA, 2017, pp. 561-562, doi: 10.1109/APUSNCURSINRSM.2017.8072323.
