Einführung
Dieses Beispiel zeigt, wie XFdtd eine zylindrische dielektrische 60-GHz-Resonatorantenne simuliert, die auf einer Siliziumbasis aufgebaut ist, um On-Chip-Designs zu emulieren. Die Antenne könnte für ein drahtloses persönliches Netzwerk (WPAN) verwendet werden, das die Kommunikation in unmittelbarer Nähe des Arbeitsplatzes eines Benutzers ermöglicht. Die Antenne hat einen Spitzengewinn von ca. 2,5 dBi, eine Bandbreite von über 2,5 GHz und einen positiven Gewinn von ca. +/- 55 Grad außerhalb der Boresight. Das hier diskutierte Antennendesign und die Simulation stammen aus einem Konferenzbeitrag [1].
Geräteentwurf und Simulation
Da die Antenne auf dem Chip angebracht werden soll, wird sie hier auf einem Abschnitt eines verlustbehafteten Siliziumblocks (relative Permittivität 11,9, Leitfähigkeit 10 S/m) von 1500 μm x 1500 μm x 250 μm simuliert. Eine 6,22 μm dicke Schicht aus SiO2 (relative Dielektrizitätskonstante 4) bedeckt die Oberseite des Siliziumblocks und wird dann von einer 2 μm dicken Schicht einer leitenden Grundplatte bedeckt. Ein 50-Ohm-Coplanar-Waveguide (CPW) speist den Resonator, der einen Radius von 0,33 mm, eine Höhe von 0,3 mm und eine hohe relative Permittivität von 48 aufweist. Zwischen der Grundplatte und dem Siliziumblock sind Vias um die CPW-Schlitze herum angebracht. Die Antennengeometrie ist in einer dreidimensionalen CAD-Ansicht in Abbildung 1 und in einer Draufsicht in Abbildung 2 zu sehen.
Abbildung 1: Eine dreidimensionale Ansicht der dielektrischen On-Chip-Resonatorantenne ist als CAD-Zeichnung zu sehen. Der zylindrische Resonator ist oberhalb des koplanaren Wellenleiters dargestellt. Die Silizium-Basisschicht befindet sich im unteren Bereich.
Abbildung 2: Eine Draufsicht auf die Antenne, in der die koplanaren Wellenleiterleitungen sowie die umgebenden Durchkontaktierungen, die die leitende Schicht mit dem Siliziumblock verbinden, zu sehen sind.
Nach der Simulation wird festgestellt, dass die Rückflussdämpfung bei 60 GHz eine tiefe Nullstelle aufweist (Abbildung 3), mit einer Bandbreite von -10 dB von mehr als 2,5 GHz. Die Eingangsimpedanz als Funktion der Frequenz ist in Abbildung 4 dargestellt, die eine gute Anpassung an 50 Ohm bei 60 GHz zeigt.
Abbildung 3: Die Antenne zeigt eine tiefe Null in der Rückflussdämpfung in der Nähe von 60 GHz, während sie immer noch eine -10 dB Bandbreite von über 2,5 GHz aufweist.
Abbildung 4: Die Eingangsimpedanz der Antenne ist bei 60 GHz gut an 50 Ohm angepasst, mit sanften Übergängen im 4-GHz-Bereich.
Der Gewinn der Antenne als Funktion der Frequenz an einem Punkt direkt über der Antenne (Abbildung 5) zeigt einen Spitzengewinn von etwa 2,5 dBi bei 60 GHz, der bei einer Bandbreite von mehr als 4 GHz gleichmäßig mit positivem Gewinn abfällt. Die Strahlungs- und Systemwirkungsgrade der Antenne (mit und ohne Fehlanpassungsverluste) zeigen eine Spitze von etwa 60 % bei 60 GHz (Abbildung 6), und das Strahlungsdiagramm ist nahezu kugelförmig mit positivem Gewinn über einen Bereich von etwa 110 Grad (Abbildung 7). In den YZ- und XZ-Ebenen (vertikale Schnitte) hat die Antenne einen nahezu gleichmäßigen co-polarisierten Gewinn (Abbildungen 8 und 9) und einen viel geringeren kreuzpolarisierten Gewinn. Das Strahlungsdiagramm in der horizontalen XY-Ebene ist in Abbildung 10 dargestellt.
Abbildung 5: Der Gewinn an einem Punkt direkt über der Antenne erreicht bei 60 GHz einen Spitzenwert von etwa 2,5 dBi und nimmt über den gesamten 4-GHz-Bereich gleichmäßig mit positivem Gewinn ab.
Abbildung 6: Die Strahlungs- und Systemwirkungsgrade der Antenne sind mit rund 60 % bei 60 GHz aufgrund der geringeren Verluste im Vergleich zu Metallantennen recht gut.
Abbildung 7: Das dreidimensionale Strahlungsdiagramm bei 60 GHz zeigt eine nahezu kugelförmige Verteilung. Die Antenne hat einen positiven Gewinn über eine Strahlungsbreite von 110 Grad.
Abbildung 8: In der YZ-Ebene (vertikaler Schnitt) des Antennendiagramms ist der co-polarisierte Gewinn viel größer als der kreuzpolarisierte Gewinn, was eine ausgezeichnete Isolierung bietet.
Abbildung 9: In der XZ-Ebene (vertikaler Schnitt) des Antennendiagramms ist der co-polarisierte Gewinn fast 30 dB höher als der kreuzpolarisierte Gewinn, was eine ausgezeichnete Isolierung ermöglicht.
Abbildung 10: Das Verstärkungsmuster in der horizontalen XY-Ebene ist mit einer Spitzenverstärkung bei -3 dBi reduziert und zeigt eine Mischung der Polarisationen.
Schlussfolgerung
Der dielektrische Resonator der Antenne mit hoher Dielektrizitätskonstante arbeitet mit viel geringeren Verlusten als eine Metallantenne, was zu einem höheren Wirkungsgrad führt und gleichzeitig eine gute Breitbandleistung bei Gewinn und Impedanz bietet.
Referenz:
[1] P. V. Bijumon, A. P. Freundorfer, M. Sayer und Y. M. M. Antar, "On-Chip Silicon Integrated Cylindrical Dielectric Resonator Antenna for Millimeter Wave Applications," 2007 International Symposium on Signals, Systems and Electronics, Montreal, QC, 2007, pp. 489-492, doi: 10.1109/ISSSE.2007.4294520.
