Das gewählte Projekt stammt aus der Arbeit "Low-Profile Equiangular Spiral Antenna Backed by an EBG Reflector" [1]. In dieser Arbeit wird eine gleichwinklige Spiralantenne, die zwischen 3 und 10 GHz arbeiten soll, zunächst allein und dann über eine Reihe von Reflektorflächen simuliert. Das endgültige Design kombiniert die Vorteile einer reflektierenden Oberfläche, um den Gewinn und die Richtwirkung der Antenne zu unterstützen, mit einer elektromagnetischen Bandlückenoberfläche, die ein viel niedrigeres Profil als bei einem traditionellen PEC-Reflektor ermöglicht.
Das Design der Spiralantenne ist in Abbildung 1 dargestellt und ist vom gleichwinkligen Typ. Wenn die XACT Accurate Cell Technology auf die Antenne angewendet wird (Abbildung 2), passt sich das FDTD-Gitter gut an das Antennendesign an, was zu einem sauberen Speisebereich und einer genauen Simulationsleistung führt, ohne dass eine sehr kleine Zellenauflösung erforderlich ist.
Abbildung 1: CAD-Darstellung der gleichschenkligen Spiralantenne.
Abbildung 2: XACT-Netzdarstellung.
Die Antenne wird mit einem Halbmillimeter-Gitter simuliert, da die Details der EBG-Oberfläche, die später hinzugefügt werden, einen kleinen Gitterabstand erfordern. Eine modulierte Gaußimpuls-Spannungsquelle wird über die beiden Arme der Spirale mit einem Frequenzinhalt angelegt, der auf die für diese Antenne vorgesehenen 3-10 GHz begrenzt ist. Die Eingangsimpedanz der Spirale ist erwartungsgemäß über den gesamten Betriebsbereich nahezu flach (Abbildung 3). Das axiale Verhältnis der Antenne ist ebenfalls recht flach über den Frequenzbereich und nahezu eins, wie in Abbildung 4 gezeigt.
Abbildung 3: Impedanz der Antenne im freien Raum.
Abbildung 4: Axiales Verhältnis der Antenne im freien Raum
In der Praxis wird die Antenne über einer Art Reflektorfläche montiert werden müssen. Hier ist die Antenne über einer modifizierten EBG-Oberfläche montiert, die aus kleinen Patches besteht, die über ein dielektrisches Substrat mit einer Grundplatte verbunden sind. Jedes Patches ist 13 x 13 mm groß und hat ein kleines Via, das sich über die 2 mm Dicke des Substrats erstreckt. Die Patches haben einen Abstand von 1 mm, und das FDTD-Netz mehrerer Patches ist in Abbildung 5 dargestellt. Die Autoren fanden heraus, dass eine Konfiguration, wie in Abbildung 6 dargestellt, mit den Patches an den Kanten der Ebene eine bessere Leistung erbrachte als eine mit Patches gefüllte Fläche. Mit dieser Fläche kann die Antenne nur 7 mm über der EBG-Fläche montiert werden, was bei der niedrigsten Frequenz weniger als 1/10 einer Wellenlänge entspricht. Die Leistung der Antenne ist über den gesamten Frequenzbereich recht gut, wenn sie über der modifizierten EBG-Oberfläche angebracht wird. Die in Abbildung 7 dargestellte Impedanz ist immer noch relativ flach und lässt sich gut mit den experimentellen Ergebnissen aus dem Artikel vergleichen. Das Achsverhältnis in Abbildung 8 ist recht vernünftig und der Spitzengewinn oberhalb der Spirale stimmt ebenfalls mit den Messungen überein (Abbildung 9).
Abbildung 5: Maschendarstellung des EBG-Reflektors.
Abbildung 6: Vollständiges Modell mit Spiralantenne und EBG-Reflektor.
Abbildung 7: Vergleich der Impedanz der Antenne über EBG-Reflektor.
Abbildung 8: Axiales Verhältnis der Antenne über dem EBG-Reflektor.
Abbildung 9: Vergleich des Spitzengewinns der Antenne über EBG-Reflektor.
Referenz
H. Nakano, K. Kikkawa, N. Kondo, Y. Iitsuka, und J. Yamauchi. "Low-Profile Equiangular Spiral Antenna Backed by an EBG Reflector". IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 57, no. 5, pp. 1309-1318, Mai 2009.