Einführung
In diesem Beispiel wird XFdtd in einer Antennensimulation verwendet, die sich auf die Leistung einer Leckwellenantenne mit transversalen Schlitzen in einem substratintegrierten Wellenleiter (SIW) konzentriert. Das Design wurde aus der Arbeit von Liu, Jackson und Long [1] übernommen. Die Antenne funktioniert wie ein transversal geschlitzter Rechteckhohlleiter, ist aber aus Kosten- und Größengründen sowie zur leichteren Integration in planare Schaltungen in SIW ausgeführt. Es werden die Ergebnisse für S-Parameter, Antennengewinn und Wirkungsgrad berechnet.
Geräteentwurf und Simulation
Abbildung 1 zeigt eine Draufsicht auf die gesamte Antenne, wobei das grüne Material Kupfer und das rote ein Dielektrikum ist (relative Permittivität = 2,25 und Verlusttangente von 0,001). Das Gerät ist etwa 310 mm lang, 40 mm breit und 1 mm hoch. Die Kupfer-Mikrostreifenschicht an der Oberseite der Antenne hat in regelmäßigen Abständen quer verlaufende Schlitze, die sich an den Enden verjüngen. An jedem Ende der Vorrichtung ist ein Knotenhohlleiteranschluss mit einer sich verjüngenden Mikrostreifenleitung verbunden, die mit dem SIW-Teil verbunden ist. In der oberen Schicht befinden sich eine Reihe von Querschlitzen, die in Abbildung 2 besser zu erkennen sind. Die Kanten der oberen Mikrostreifenschicht sind mit Durchkontaktierungen abgeschlossen. In den Abbildungen 3 bis 5 sind die Schichten in schrägen Ansichten dargestellt, wobei alle Teile in Abbildung 3, das Substrat in Abbildung 4 und die Durchkontaktierungen in Abbildung 5 zu sehen sind.
Abbildung 1: Die Draufsicht auf das 3D-CAD-Modell der Antenne zeigt Eingangs- und Ausgangsanschlüsse an den Enden, die mit verjüngten Mikrostreifenleitungen verbunden sind, sowie einen mittleren Mikrostreifenabschnitt mit zahlreichen Schlitzen.
Abbildung 2: Eine Detailansicht eines Endes der Antenne zeigt die sich verjüngenden Schlitze und die gekrümmte Durchkontaktierung unter der Mikrostreifenleitung.
Abbildung 3: Eine schräge Ansicht der Antenne von einem Anschluss aus zeigt den Knotenhohlleiteranschluss, der mit der verjüngten Leitung verbunden ist, die Dicke der Substratschicht und einen Teil der geschlitzten oberen Schicht.
Abbildung 4: Nach dem Entfernen der obersten Mikrostreifenschicht sind das Substrat und einige der Durchkontaktierungen in der Antennenstruktur sichtbar.
Abbildung 5: In dieser Abbildung wurde die Substratschicht entfernt, und die Grundplatte und die Durchkontaktierungen sind sichtbar.
Das Gerät wird simuliert, indem ein frequenzbegrenztes Signal an den Hohlleiteranschluss an einem Ende angelegt wird. Die S-Parameter-Ergebnisse sind in Abbildung 6 dargestellt, und es ist zu erkennen, dass das Gerät eine gute Betriebsleistung von 10,4-12,5 GHz und einige kleinere Frequenzbänder unter 10,4 GHz aufweist. Unterhalb von 10 GHz ist die Antwort abgeschnitten.
Abbildung 6: Die S-Parameter zeigen eine gute Rückflussdämpfung von etwa 10,4 GHz bis 12,5 GHz, während der S21 im gleichen Bereich zwischen -6 und -2 dB Verlust aufweist.
Die Antenne erzeugt mehrere Strahlen, die je nach Frequenz von der nahen Breitseite bis zum nahen Endfeuer reichen. Diese Strahlen sind im Allgemeinen schmal und fächerförmig. Bei 10,2 GHz ist der Strahl recht schmal und erreicht bei theta=70 Grad in der YZ-Ebene einen Spitzenwert von etwa 8,6 dBi, wie in Abbildung 7 in einer Polardiagrammdarstellung gezeigt. Das 10,2-GHz-Strahlungsdiagramm ist in Abbildung 8 als dreidimensionales Diagramm aus demselben Winkel wie das Polardiagramm in Abbildung 7 dargestellt. Eine andere Perspektive des dreidimensionalen 10,2-GHz-Musters ist in Abbildung 9 zu sehen. Bei 10,8 GHz steigt die Spitzenverstärkung auf 11,1 dBi und der Strahl verschiebt sich zu einer Spitze bei theta=49 Grad in der YZ-Ebene, wie in den Abbildungen 10, 11 und 12 dargestellt. Das Muster wird leicht breiter und die Spitzenverstärkung nimmt bei 11,5 GHz zu, wo sich die Richtung der Hauptkeule auf theta=28 Grad ändert und die maximale Verstärkung 12,7 dBi beträgt (siehe Abbildungen 13, 14 und 15). Bei 11,7 GHz beträgt die maximale Verstärkung 14 dBi bei einem Winkel von theta=19 Grad, wie in den Abbildungen 16, 17 und 18 dargestellt. Bei 12 GHz schließlich beträgt die maximale Verstärkung 14,2 dBi bei einem Winkel von theta=13 Grad, wie in den Abbildungen 19, 20 und 21 dargestellt.
Abbildung 7: Eine Polardiagramm des Gewinndiagramms bei 10,2 GHz in der YZ-Ebene (entlang der Länge der Antenne) zeigt einen schmalen Strahl bei theta=70 Grad mit einem Gewinn von etwa 8,6 dBi.
Abbildung 8: Das Gewinndiagramm der Antenne bei 10,2 GHz ist hier in einer dreidimensionalen Ansicht über der Antennengeometrie dargestellt.
Abbildung 9: Das Gewinndiagramm der Antenne bei 10,2 GHz wird aus einer schrägen dreidimensionalen Ansicht gezeigt, um die Fächerform des Diagramms zu demonstrieren.
Bild 10: Ein Polardiagramm des Gewinndiagramms bei 10,8 GHz in der YZ-Ebene der Antenne zeigt einen Strahl bei theta=49 Grad mit einem Spitzengewinn von 11,1 dBi.
Abbildung 11: Das Gewinndiagramm der Antenne bei 10,8 GHz ist hier in einer dreidimensionalen Ansicht über der Antennengeometrie dargestellt.
Abbildung 12: Das Gewinndiagramm der Antenne bei 10,8 GHz wird aus einer schrägen dreidimensionalen Ansicht gezeigt, um die Fächerform des Diagramms zu demonstrieren.
Abbildung 13: Eine Polardiagramm des Gewinndiagramms bei 11,5 GHz in der YZ-Ebene der Antenne zeigt einen Strahl bei theta=28 Grad mit einem Spitzengewinn von 12,7 dBi.
Abbildung 14: Das Gewinndiagramm der Antenne bei 11,5 GHz ist hier in einer dreidimensionalen Ansicht über der Antennengeometrie dargestellt.
Abbildung 15: Das Gewinndiagramm der Antenne bei 11,5 GHz wird aus einer schrägen dreidimensionalen Ansicht gezeigt, um die Fächerform des Diagramms zu demonstrieren.
Abbildung 16: Eine Polardiagramm des Gewinndiagramms bei 11,7 GHz in der YZ-Ebene der Antenne zeigt einen Strahl bei theta=19 Grad mit einem Spitzengewinn von 14 dBi.
Abbildung 17: Das Gewinndiagramm der Antenne bei 11,7 GHz ist hier in einer dreidimensionalen Ansicht über der Antennengeometrie dargestellt.
Abbildung 18: Das Gewinndiagramm der Antenne bei 11,7 GHz wird aus einer schrägen dreidimensionalen Ansicht gezeigt, um die Fächerform des Diagramms zu demonstrieren.
Abbildung 19: Eine Polardiagramm des Gewinndiagramms bei 12 GHz in der YZ-Ebene der Antenne zeigt einen Strahl bei theta=13 Grad mit einem Spitzengewinn von 14,2 dBi.
Abbildung 20: Das Gewinndiagramm der Antenne bei 12 GHz ist hier in einer dreidimensionalen Ansicht über der Antennengeometrie dargestellt.
Abbildung 21: Das Gewinndiagramm der Antenne bei 12 GHz wird aus einer schrägen dreidimensionalen Ansicht gezeigt, um die Fächerform des Diagramms zu demonstrieren.
Der Strahlungswirkungsgrad wird in der Arbeit anhand eines theoretischen Ansatzes für einen geschlitzten Rechteckhohlleiter berechnet, der weder die Systemfehlanpassung noch die Leistungsverluste in anderen Anschlüssen berücksichtigt. Ein mit diesem theoretischen Wert vergleichbarer Wert wird in XFdtd berechnet und als eigenständiger Strahlungswirkungsgrad bezeichnet. Der theoretische Strahlungswirkungsgrad aus dem Papier ist in Abbildung 22 zusammen mit dem eigenständigen Strahlungswirkungsgrad aus der 3D-EM-Simulationssoftware XFdtd und dem XFdtd-Systemwirkungsgrad, der sowohl die Fehlanpassungsverluste als auch den Leistungsverlust im zweiten Hohlleiteranschluss berücksichtigt, dargestellt.
![Abbildung 22: Dargestellt ist die Strahlungseffizienz der Antenne. Das theoretische Ergebnis aus der Arbeit [1] gilt für einen geschlitzten rechteckigen Hohlleiter. Die XFdtd-Ergebnisse beziehen sich auf den Systemwirkungsgrad, der die Fehlanpassungsverluste und den Verlust in der zweiten P...](https://de.remcom.com/hubfs/Imported_Blog_Media/image-asset-Apr-03-2023-08-59-32-6122-PM.png)
Abbildung 22: Dargestellt ist die Strahlungseffizienz der Antenne. Das theoretische Ergebnis aus der Arbeit [1] gilt für einen geschlitzten Rechteckhohlleiter. Die XFdtd-Ergebnisse beziehen sich auf den Systemwirkungsgrad, der die Fehlanpassungsverluste und die Verluste im zweiten Anschluss einschließt, sowie auf den eigenständigen Wirkungsgrad, der nur für die Strahlung gilt und andere Verluste nicht berücksichtigt.
Zusammenfassung
Dieses Beispiel zeigt die Leistung einer Leckwellenantenne, die auf einem geschlitzten, substratintegrierten Wellenleiter implementiert ist. Die Antenne erzeugt schmale Strahlen, die mit steigender Frequenz von der nahen Breitseite bis zum Endfeuer reichen. Die Antenne hat eine große Impedanzbandbreite und einen Wirkungsgrad, der sich mit zunehmender Betriebsfrequenz verbessert.
Referenz:
[1] J. Liu, D. R. Jackson, and Y. Long, "Substrate Integrated Waveguide (SIW) Leaky-Wave Antenna With Transverse Slots," IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 60, no. 1, pp. 20-29, Jan. 2012.
