Antennen mit dielektrischem Resonator haben zahlreiche nützliche Eigenschaften, wie z. B. geringe Verluste, hohe Effizienz und kompakte Größe. Dieses Beispiel zeigt, wie die Antennensimulations- und -entwurfsfunktionen von XFdtd zwei ähnliche zylindrische dielektrische Resonatorantennen (DRA) analysieren können, die für eine Dualpolarisationsleistung für verschiedene Bänder entwickelt wurden. Die erste Antenne ist eine Dual-Band-Antenne, die die Bänder DCS (1,71-1,88 GHz) und WLAN (2,4-2,48 GHz) abdeckt. Das zweite Design ist breitbandig und deckt das WLAN- und Teile des WiMAX-Bandes (bis zu 2,69 GHz) ab. Beide Entwürfe stammen aus dem hier referenzierten Papier [1], und die vorgestellten Ergebnisse stimmen gut mit den darin enthaltenen Messungen überein.
Die allgemeine Konstruktion besteht aus einem zylindrischen dielektrischen Resonator (relative Dielektrizitätskonstante = 6,85, Höhe = 50,5 mm, Radius = 22 mm), der über einer Kupfergrundplatte auf einem 1,57 mm dicken Substrat (relative Dielektrizitätskonstante = 2,33) angebracht ist. Die Antenne hat zwei Anschlüsse, die sich auf benachbarten Seiten der Grundplatte befinden; einer speist eine koaxiale Sonde, die mit einem kleinen Streifen an der Seite des Zylinders verbunden ist, und der andere ist durch Schlitze in der Grundplatte unter dem dielektrischen Resonator gekoppelt. Der Gesamtentwurf ist in Abbildung 1 zu sehen, wo die beiden Anschlüsse in hellem Grün an den YZ- und XZ-Kanten des Substrats dargestellt sind. Beide Designs verwenden Mikrostreifenleitungen auf der Unterseite des Substrats, um die Anschlüsse zu verbinden. Das Dualband-Design hat zwei senkrechte Schlitze in der Grundplatte (sichtbar in Abbildung 2), die Port 2 mit dem DRA verbinden, während die Koaxialsonde Port 1 verbindet. Das Breitbanddesign (Abbildung 3) ist ähnlich, aber die Mikrostreifenleitung, die Anschluss 2 speist, hat einen zusätzlichen Impedanztransformator und gekrümmte Schlitze unterschiedlicher Größe, um die Energie an die DRA zu koppeln.
Abbildung 1: Eine dreidimensionale CAD-Ansicht der Antennengeometrie zeigt den DRA-Zylinder mit koaxialer Sondeneinspeisung, und die beiden Eingangsanschlüsse links und rechts des Substrats sind hellgrün dargestellt. Der zweite Anschluss wird durch einen gekoppelten Schlitz in der Grundplatte gespeist.
Abbildung 2: Die Draufsicht auf die Dualband-Antenne zeigt die darunter liegenden Mikrostreifenzuleitungen von den ersten und zweiten Anschlüssen sowie die beiden Schlitze in der Grundplatte für die Einkopplung des zweiten Anschlusses in den DRA.
Abbildung 3: Die Breitbandantenne ist für Anschluss 1 mit der Koaxialsonde identisch, weist jedoch einige Änderungen an der Einspeisung von Anschluss 2 auf, darunter einen Impedanztransformator auf der Mikrostreifenleitung und zwei gekrümmte Schlitze zur Kopplung.
Dual-Band-Antenne
Die in Abbildung 4 dargestellten S-Parameter für die Dualband-Antenne weisen flache Nullstellen in der Rückflussdämpfung um die beiden interessierenden Bänder (DCS und WLAN) auf. Das kreuzgekoppelte S21-Diagramm zeigt eine Isolierung von mehr als 35 dB. Die Verstärkung direkt über dem Zylinder ist in Abbildung 5 über der Frequenz aufgetragen und zeigt für jeden Anschluss eine Verstärkung von etwa 7 dBi für das untere Band und etwa 8,5 dBi für das obere Band. In Abbildung 6 sind die Strahlungs- und Systemwirkungsgrade (einschließlich Fehlanpassungsverluste) für die beiden Ports in Abhängigkeit von der Frequenz aufgetragen und es zeigt sich, dass sie für beide Ports etwa 90 % oder mehr betragen. Die Hüllkurvenkorrelation, die die Unabhängigkeit der Abstrahlungsmuster voneinander beschreibt, zeigt Werte von weniger als 5x10-5, was auf eine ausgezeichnete Isolierung hinweist (Abbildung 7).
Abbildung 4: Die S-Parameter-Diagramme für die Dual-Band-Antenne zeigen Betriebsbereiche im Bereich von 1,71-1,88 GHz und 2,4-2,48 GHz. Die Isolierung zwischen den Anschlüssen ist besser als 35 dB.
Abbildung 5: Die Verstärkung über dem DRA liegt im unteren Betriebsband bei 7 dBi und im oberen Band bei 8,5 dBi für beide Anschlüsse.
Abbildung 6: Die Dualband-Antenne hat einen guten Wirkungsgrad in beiden Bändern, wobei der Systemwirkungsgrad bei etwa 90 % liegt, da die Rückflussdämpfung knapp unter -10 dB liegt.
Abbildung 7: Die Hüllkurvenkorrelation zeigt, dass eine hohe Isolation zwischen den beiden Anschlüssen besteht.
Das dreidimensionale Strahlungsdiagramm der Dual-Band-Antenne ist in Abbildung 8 bei 1,8 GHz dargestellt und zeigt eine ziemlich gleichmäßige Abdeckung über der Grundplatte. In der vertikalen XZ-Ebene des Strahlungsdiagramms ist der theta-gerichtete Gewinn bei 1,8 GHz deutlich höher als der phi-gerichtete Gewinn für Port 1 (Abbildung 9), während der phi-gerichtete Gewinn für Port 2 dominiert (Abbildung 10). In ähnlicher Weise ist in der vertikalen YZ-Ebene die phi-Verstärkung für Port 1 (Abbildung 11) dominant, während die theta-Verstärkung für Port 2 (Abbildung 12) bei 1,8 GHz zum Ausdruck kommt. Bei der Untersuchung des WLAN-Bandes bei 2,45 GHz ist ein ähnliches Verhalten in Abbildung 13 und Abbildung 14 für die XZ-Ebene zu erkennen. In Abbildung 15 ist der Abstand zwischen den Polarisationen für Anschluss 1 geringer, für Anschluss 2 aber immer noch stark (Abbildung 16).
Abbildung 8: Das dreidimensionale Gewinndiagramm der Dual-Band-Antenne bei 1,8 GHz zeigt eine breite Keule über der Grundplatte mit einem Spitzengewinn von etwa 7 dBi.
Abbildung 9: Die Verstärkung von Port 1 bei 1,8 GHz in der vertikalen XZ-Ebene zeigt eine starke co-polarisierte Verstärkung durch die Theta-Komponente und eine kreuzpolarisierte Verstärkung von mehr als 40 dB.
Abbildung 10: Port 2 bei 1,8 GHz zeigt einen starken co-polarisierten Gewinn aus der phi-Komponente in der XZ-Ebene, was die Doppelpolarisierung der Antenne zeigt.
Abbildung 11: In der YZ-Ebene ist die theta-gerichtete Verstärkung für Anschluss 1 reduziert und die phi-gerichtete Verstärkung ist bei 1,8 GHz dominant.
Abbildung 12: Port 2 in der YZ-Ebene bei 1,8 GHz zeigt das Gegenteil von Port 1 mit starker theta-gerichteter Verstärkung und sehr geringer phi-gerichteter Verstärkung.
Abbildung 13: Bei 2,45 GHz in der XZ-Ebene hat Anschluss 1 eine starke theta-gerichtete Verstärkung und eine geringe phi-gerichtete Verstärkung.
Abbildung 14: Bei 2,45 GHz in der XZ-Ebene hat Anschluss 2 eine starke phi-gerichtete Verstärkung und eine geringe theta-gerichtete Verstärkung, also das Gegenteil von Anschluss 1.
Abbildung 15: In der YZ-Ebene für Port 1 bei 2,45 GHz sind die co- und kreuzpolarisierten Verstärkungen nicht so gut getrennt, aber die phi-gerichtete Verstärkung ist dominant.
Abbildung 16: Für Anschluss 2 bei 2,45 GHz in der YZ-Ebene ist die theta-gerichtete Verstärkung dominant.
Breitband-Antenne
Die S-Parameter für die Breitbandantenne zeigen eine Rückflussdämpfung von unter -10 dB für jeden Anschluss über den gesamten interessierenden Bereich, während die Isolierung von S21 unter -45 dB liegt, wie in Abbildung 17 gezeigt. Der Gewinn in Abhängigkeit von der Frequenz oberhalb des DRA zeigt einen Gewinn, der von einem niedrigen Wert von etwa 5,2 dBi bei 2,5 GHz bis zu über 8,5 dBi bei 2,7 GHz reicht (Abbildung 18). Die in Abbildung 19 dargestellten Wirkungsgrade zeigen extrem hohe Werte für beide Ports über den gesamten interessierenden Bereich, was zum Teil auf die bessere Anpassung am Eingang für beide Ports in diesem Design zurückzuführen ist. Die in Abbildung 20 dargestellte Hüllkurvenkorrelation weist extrem niedrige Werte auf, was auf eine ausgezeichnete Isolierung zwischen den Polarisationen hinweist. Das dreidimensionale Verstärkungsmuster des Breitbanddesigns ist in Abbildung 21 bei 2,4 GHz dargestellt und weist eine breite Abdeckung über der Grundplatte auf.
Abbildung 17: Die Breitbandantenne hat eine Rückflussdämpfung unter -10 dB von etwa 2,25 bis 2,8 GHz für die beiden Eingangsanschlüsse, was mehr als die gesamten interessierenden Bänder abdeckt. Die Isolierung zwischen den Anschlüssen ist größer als 45 dB.
Abbildung 18: Der Gewinn über die DRA in Abhängigkeit von der Frequenz zeigt einen Gewinn zwischen 5,2 und 10 dBi über die Bänder der Antenne.
Abbildung 19: Die Breitbandantenne ist sehr effizient mit Strahlungs- und Systemwirkungsgraden nahe 100 Prozent über die interessierenden Bänder.
Abbildung 20: Die Hüllkurvenkorrelation ist extrem niedrig, was eine sehr gute Isolierung zwischen den Gewinndiagrammen der beiden Antennenanschlüsse zeigt.
Abbildung 21: Das dreidimensionale Gewinndiagramm der Breitbandantenne bei 2,4 GHz ist eine breite Keule, ähnlich wie bei der Dualbandantenne.
Dielektrische Resonatorantennen haben mehrere wichtige Eigenschaften wie geringe Verluste und hohe Effizienz, die sie zu einer guten Wahl für einige Anwendungen wie Kommunikation und WLAN machen. In diesem Beispiel wird gezeigt, dass Dual-Band- und Breitband-Designs von dual-polarisierten Antennen eine gute Isolierung zwischen den Anschlüssen und den Strahlungsmustern aufweisen, was zu einer hervorragenden Leistung führt.
Referenz:
[1] Y. X. Sun und K. W. Leung, "Dual-Band and Wideband Dual-Polarized Cylindrical Dielectric Resonator Antennas," in IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 12, pp. 384-387, 2013, doi: 10.1109/LAWP.2013.2251993.