Einführung
Dielektrische Resonatorantennen (DRAs) sind aufgrund ihrer geringen Verluste und hohen Effizienz eine gute Wahl für Millimeterwellenanwendungen. Das Design des Resonators für eine Grundmode kann aufgrund der geringen Größe und der Empfindlichkeit des Resonators gegenüber Herstellungsfehlern komplex sein. In diesem Beispiel wird ein größerer zylindrischer dielektrischer Resonator in XFdtd simuliert, um zu zeigen, wie die Anregung der Moden höherer Ordnung HEM113 und HEM115 genutzt werden kann, um eine große Bandbreite und eine gute Gewinnleistung zu erzielen. Das Design, auf das sich diese Antennensimulation bezieht, stammt aus dem unten zitierten Konferenzbeitrag [1]. Die hier vorgestellten Ergebnisse stimmen gut mit den simulierten und gemessenen Ergebnissen des Artikels überein.
Geräteentwurf und Simulation
Ein zylindrisches Dielektrikum mit einer relativen Dielektrizitätskonstante von 7, einer Höhe von 8,5 mm und einem Radius von 1,5 mm wird in diesem Entwurf als Resonator verwendet. Der Zylinder ist auf einer Grundplatte montiert und wird von einer koaxialen Sonde gespeist, die 1,9 mm über die Oberfläche der Grundplatte hinausragt und in Kontakt mit der Seite des Zylinders steht, wie in der CAD-Darstellung der Geometrie in Abbildung 1 gezeigt.
Die Rückflussdämpfung der Antenne ist in Abbildung 2 dargestellt und zeigt ein Betriebsband (S11 > -10 dB) von etwa 22 bis 29 GHz. Die stationäre elektrische Feldverteilung ist in Abbildung 3 bei 25 GHz dargestellt und zeigt den HEM113-Modus, während Abbildung 4 bei 28 GHz den HEM115-Modus im dielektrischen Resonator zeigt.
Abbildung 1: Eine dreidimensionale CAD-Darstellung der Geometrie zeigt eine leitende Grundplatte unter einem zylindrischen dielektrischen Resonator mit einer Dielektrizitätskonstante von 7. Der Resonator wird durch eine koaxiale Sonde auf einer Seite des Zylinders angeregt.
Abbildung 2: Die Rückflussdämpfung des DRA hat eine große Bandbreite, die von 22 bis 29 GHz reicht.
Abbildung 3: Die stationäre elektrische Feldverteilung in und um den DRA bei 25 GHz zeigt den unteren HEM113-Modus der Antenne.
Abbildung 4: Bei 28 GHz enthält die stationäre elektrische Feldverteilung die HEM115-Mode.
Der in Abbildung 5 gezeigte Fernfeldgewinn an einem Punkt direkt über dem Zylinder variiert von etwa 5,2 dBi bei 22 GHz bis zu einem Spitzenwert von 8,8 dBi bei 29 GHz, wobei der Übergang zu den Zwischenfrequenzen ziemlich gleichmäßig ist. Die Antenne hat einen guten Wirkungsgrad, wie in Abbildung 6 zu sehen ist, wo der Strahlungswirkungsgrad nahezu 100 % beträgt und der Systemwirkungsgrad, der die Fehlanpassungsverluste einschließt, zwischen 90 und 99 % über die Betriebsbandbreite liegt.
Abbildung 5: Die Verstärkung direkt über dem DRA, die auch die Richtung der Spitzenverstärkung ist, ist ziemlich gleichmäßig und reicht von 5,2 dBi am unteren Ende des 22-GHz-Bandes bis zu 8,8 dBi am oberen Ende des 29-GHz-Bandes.
Abbildung 6: Der DRA hat einen hervorragenden Wirkungsgrad von über 90 % für den gesamten Frequenzbereich.
Die dreidimensionalen Antennendiagramme bei 25 GHz (Abbildung 7) und 28 GHz (Abbildung 8) zeigen breite Diagramme mit minimaler Ausbreitung und dem stärksten Gewinn von über 7 dBi oberhalb des Zylinders in Z-Richtung. In der vertikalen XZ-Richtung bei 25 GHz wird der Gewinn hauptsächlich durch die phi-Komponente erzielt, wie in Abbildung 9 dargestellt. In YZ-Richtung bei 25 GHz dominiert die Theta-Komponente, und die kreuzpolarisierte Verstärkung liegt um 50 dB unter der co-polarisierten Verstärkung, wie in Abbildung 10 dargestellt. Sehr ähnliche Ergebnisse für beide Schnitte des Musters werden bei 28 GHz gefunden und sind in Abbildung 11 und Abbildung 12 dargestellt. Alle diese Verstärkungsmusterergebnisse stimmen gut mit den Ergebnissen überein, die von den Autoren in [1] gemessen wurden.
Abbildung 7: Das dreidimensionale Fernfeld-Gewinndiagramm der Antenne bei 25 GHz ist breit mit minimaler Keulenbildung und einer 3dB-Strahlbreite von etwa 68 Grad.
Abbildung 8: Bei 28 GHz ist das dreidimensionale Fernfeld-Verstärkungsmuster nahezu identisch mit dem Muster bei 25 GHz mit nur geringfügig höherer Spitzenverstärkung.
Abbildung 9: In der vertikalen XZ-Ebene der Antenne bei 25 GHz dominiert der phi-gerichtete Gewinn, aber der kreuzpolarisierte Theta-Gewinn ist nur etwa 10 dBi niedriger.
Abbildung 11: Bei 28 GHz hat die Verstärkung in der XZ-Ebene ein starkes phi-gerichtetes Muster mit einem kreuzpolarisierten theta-gerichteten Muster, ähnlich dem Muster bei 25 GHz.
Abbildung 10: In der YZ-Ebene dominiert die Theta-Verstärkung mit einer kreuzpolarisierten Verstärkung von über 50 dB.
Abbildung 12: Die theta-gerichtete Verstärkung ist bei 28 GHz in der YZ-Ebene mit minimaler kreuzpolarisierter Verstärkung dominant.
Schlussfolgerung
Dielektrische Resonatorantennen können eine gute Wahl für Millimeterwellenanwendungen sein, aber es gibt praktische Probleme bei der Herstellung kleiner Komponenten. Hier wird ein größerer dielektrischer Resonator simuliert, um die Anfälligkeit für Maßfehler durch Anregung von Moden höherer Ordnung zu verringern. Die Antenne hat eine gute Leistung über eine große Bandbreite im Bereich von 22-29 GHz.
Referenz:
[1] L. Y. Feng und K. W. Leung, "Millimeter-wave wideband dielectric resonator antenna," 2015 40th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz waves (IRMMW-THz), Hong Kong, China, 2015, pp. 1-2, doi: 10.1109/IRMMW-THz.2015.7327734.
