In diesem Beispiel wird eine zirkular polarisierte dielektrische Resonatorantenne in XFdtd simuliert, um Rückflussdämpfung, Gewinnmuster, Breitseitengewinn in Abhängigkeit von der Frequenz und das Achsenverhältnis zu ermitteln. Die untersuchte Antenne, die als Teil eines Kompass-Navigations-Satellitensystems (CNSS) in den Frequenzbändern 1,268 und 1,561 GHz eingesetzt werden soll, wurde aus einer Fachzeitschrift [1] übernommen, die sowohl gemessene als auch simulierte Ergebnisse enthält. Die aus XFdtd abgeleiteten Ergebnisse sind mit denen aus der Fachzeitschrift vergleichbar.
Die hier simulierte Antenne besteht aus einem planaren Speiseabschnitt und einem großen rechteckigen Block aus dielektrischem Material mit einer Dielektrizitätskonstante von 20,5, der über gekreuzten Schlitzen in der Grundplatte zentriert ist. Abbildung 1 zeigt ein dreidimensionales Bild der simulierten Antenne mit der Grundplatte in Rot, dem Substrat in Grau und dem dielektrischen Block in Blau. Das Gerät ist auf einem 100 mm x 100 mm x 0,8 mm großen Substrat mit einer Dielektrizitätskonstante von 2,55 aufgebaut. Die Speisestruktur besteht aus einer Mikrostreifenleitung auf der Unterseite des Substrats mit einer senkrechten Stichleitung zur Impedanzanpassung. Die Grundplatte oberhalb des Substrats hat zwei Schlitze im 45-Grad-Winkel zueinander, die so bemessen sind, dass sie Moden für das zirkular polarisierte Dualbandverhalten erzeugen. Abbildung 2 zeigt eine Draufsicht auf die Grundplatte, bei der der dielektrische Block entfernt wurde, während Abbildung 3 eine Untersicht der Mikrostreifenleitung zeigt. Die Mikrostreifenleitung wird von einer Quelle mit verteilten Schaltungskomponenten am Rande des Substrats gespeist, wobei die Wellenform den interessierenden Frequenzbereich zwischen 1 und 2 GHz abdeckt.
Abbildung 1: Eine dreidimensionale CAD-Ansicht der Antennengeometrie mit dem dielektrischen Resonatorblock in der Mitte der Grundplatte ist zu sehen.
Abbildung 2: Eine Draufsicht auf die Antennenstruktur, bei der der dielektrische Resonatorblock entfernt wurde, zeigt die gekreuzten Schlitze in der Grundplatte und den Umriss der Mikrostreifenspeiseleitung auf der Unterseite des Substrats.
Abbildung 3: Die Mikrostreifenzuleitung mit der Impedanzanpassungsstichleitung ist auf der Unterseite des Substrats dargestellt.
Abbildung 4: Die Rückflussdämpfung der Antenne zeigt zwei Betriebsbänder, die den gewünschten Frequenzen von 1,268 und 1,561 GHz entsprechen
Nach der Simulation wird festgestellt, dass die Rückflussdämpfung des Geräts zwei Betriebsbänder aufweist, die um 1,25 und 1,55 GHz zentriert sind (Abbildung 4). Jedes Band hat eine Breite von mehr als 0,16 GHz und liegt in der Nähe der gewünschten Kommunikationsfrequenzen des Geräts von 1,268 und 1,561 GHz. Die dreidimensionalen Gewinnmuster bei den beiden interessierenden Frequenzen sind in Abbildung 5 und Abbildung 6 dargestellt und zeigen, dass die Antenne nahezu symmetrische breite Keulenmuster mit einem Spitzengewinn von über 5 dBi direkt über dem dielektrischen Block erzeugt. Der eigenständige Strahlungswirkungsgrad der Antenne beträgt 100 %, während der Systemwirkungsgrad bei den beiden interessierenden Frequenzen 81 % und 66 % beträgt. Der Spitzengewinn, der an einem Punkt direkt über dem dielektrischen Block liegt, ist in Abbildung 7 über der Frequenz aufgetragen und zeigt, dass er über fast den gesamten interessierenden Frequenzbereich recht konstant ist. Das in Abbildung 8 dargestellte Achsenverhältnis schließlich zeigt einen breiten Bereich von 3 dB Bandbreite, der beide interessierenden Bänder abdeckt.
Abbildung 5: Bei 1,268 GHz ist das Verstärkungsmuster nahezu kugelförmig mit einer Spitzenverstärkung von 5,6 dBi oberhalb des dielektrischen Blocks zu erkennen.
Abbildung 6: Bei 1,568 GHz ist die Verstärkungsstruktur nahezu kugelförmig und hat eine Spitzenverstärkung von 5,4 dBi in der Richtung direkt über dem dielektrischen Block.
Abbildung 7: Die Verstärkung an einem Punkt direkt über dem dielektrischen Resonator ist über einen weiten Bereich recht gleichmäßig.
Abbildung 8: Das Achsenverhältnis zeigt Minima in der Nähe der gewünschten Frequenzen von 1,268 und 1,561 GHz und eine recht breite 3-dB-Bandbreite.
Die Simulationen einer dielektrischen Resonatorantenne führen zu guten Ergebnissen, selbst bei hohen Dielektrizitätskonstanten von über 20. Die gezeigten Rückflussdämpfungs- und Verstärkungsmuster stimmen gut mit den gemessenen Daten in der referenzierten Arbeit überein. Das Achsenverhältnis der simulierten Ergebnisse zeigt eine bessere Leistung als die gemessene Antenne, aber die Trends sind recht ähnlich und die Ergebnisse in den gewünschten Bändern sind gut.
Referenz:
X-C Wang, L. Sun, X-L Lu, S. Liang, and W-Z Lu, "Single-Feed Dual-Band Circularly Polarized Dielectric Resonator Antenna for CNSS Applications," IEEE Trans. on Antennas and Propag., vol. 65, No. 8, pp. 4283-4287, Aug. 2017.