Ein Mikrostreifen-Lückenhohlleiter wird über einer pilzförmigen Oberfläche mit elektronischer Bandlücke (EBG) simuliert, um die Wirksamkeit des Entwurfs zu demonstrieren. Die in diesem Beispiel gezeigten Simulationen stammen aus einem Entwurf in der zitierten Veröffentlichung [1].
Das Gerät arbeitet im Bereich von 5-12 GHz und besteht aus einem pilzförmigen EBG-Substrat mit einer zwischen zwei Wänden eingefügten Leiterbahn. Das gesamte Gerät ist in einem Metallgehäuse eingeschlossen, 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 des Gehäuses unsichtbar gemacht wurde, um die inneren Details zu zeigen. Das Gerät ist so konstruiert, dass die Ausbreitung in dem Luftbereich zwischen den Pilzen und der Oberseite des Gehäuses stattfindet. Da der Luftbereich nur einen Millimeter breit ist, wird eine relativ kleine FDTD-Netzgröße von 0,2 mm verwendet, um eine ausreichende Auflösung für die Felder zu erreichen. Eine dreidimensionale Ansicht des Netzes in der Nähe eines der Anschlüsse ist in Abbildung 3 zu sehen, wobei die Anzeige des Metallgehäuses und des dielektrischen Substrats deaktiviert ist, um die Details zu zeigen. Die XACT-Vernetzungsfunktion wird für die EBG- und Microstrip-Teile der Geometrie verwendet, um die Kurven und Kanten genau zu vernetzen.
Abbildung 1: Ein CAD-Rendering der Geometrie von oben. Hier wurde der Deckel des Metallkastens, in dem sich das Gerät befindet, entfernt, um den Inhalt des Innenraums freizulegen.
Abbildung 2: CAD-Ansicht der Geometrie in einem Winkel, bei dem der obere Teil des Kastens entfernt wurde.
Abbildung 3: Eine dreidimensionale Ansicht des XFdtd-Netzes der Vorrichtung in der Nähe eines der Anschlüsse. Das Gehäuse und das Substrat wurden in dieser Ansicht entfernt, um die inneren Details zu zeigen.
Das Gerät wird durch TEM-Hohlleiteranschlüsse erregt, die an jedem Ende der Mikrostreifenleitung angebracht sind. Die in Abbildung 4 dargestellte Anregung wird mit einem frequenzbegrenzten Signal mit einem Inhalt von etwa 5 bis 12 GHz an einem der Ports angelegt. S-Parameter und Feldabbildungsdaten werden als Ausgabe gespeichert.
Abbildung 4: Das Feldmuster der Eingangsanregung an Anschluss 1, wobei die Felder hauptsächlich zwischen der Mikrostreifenleitung und der Metallabdeckung zu finden sind.
Die Berechnung wird auf einer NVidia Tesla C1060 GPU-Karte in etwa 39 Minuten ausgeführt, wobei etwa 206 MB Speicher verwendet werden. Die Konvergenz der Berechnung dauert aufgrund der langsam abklingenden Resonanzfelder in der Box recht lange.
Im Anschluss an die Simulation können die berechneten S-Parameter mit den Messdaten verglichen werden, die in der Veröffentlichung [1] vorgestellt wurden. In den Abbildungen 5 und 6 sind die Ergebnisse von S11 und S21 gegen die gemessenen Daten aufgetragen und zeigen ähnliche Ergebnisse. Die stationäre elektrische Feldverteilung bei 9 GHz in der Mitte des Luftbereichs über der EBG-Oberfläche ist in Abbildung 7 dargestellt. Hier ist zu erkennen, dass die Felder erwartungsgemäß im Bereich oberhalb der Mikrostreifenleitung enthalten sind. Schließlich werden die stationären Leitungsströme auf der EBG-Oberfläche bei 9 GHz in Abbildung 8 dargestellt, und auch hier ist zu erkennen, dass die Feldstärke von der Mikrostreifenleitung weg deutlich abnimmt.
Abbildung 5: Vergleich der in XFdtd simulierten Rückflussdämpfung (S11) des Geräts mit gemessenen Daten.
Abbildung 6: Ein Vergleich von S21 des Bauelements zwischen den simulierten XFdtd-Ergebnissen und den 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 eng auf den Mikrostreifenbereich beschränkt.
Abbildung 8: Die stationären Leitungsströme auf der Oberseite der EBG-Oberfläche. Die Ströme sind eng an den Mikrostreifenbereich gebunden.
Referenzen
E. Pucci, E. Rajo-Iglesias, P. S. Kildal, "New Microstrip Gap Waveguide on Mushroom-Type EBG for Packaging of Microwave Components", IEEE Microw. Wireless Compon. Letters, Vol. 22, No. 3, Mar. 2012, pp. 129-131.