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En este ejemplo se simula en XFdtd una antena de ranura/tira con respaldo de cavidad utilizando la función de mallado XACT. Los resultados simulados de pérdida de retorno, relación axial y ganancia se comparan con los resultados medidos. El diseño de la antena y los resultados medidos se han tomado de [1].
En la figura 1 se muestra una representación CAD de la estructura de la antena. La cavidad está llena de aire con paredes perfectamente conductoras. Las ranuras y el plano de tierra también son perfectamente conductores. Debajo de las ranuras se encuentra un sustrato dieléctrico muy delgado que añade un aspecto desafiante a esta geometría por lo demás bastante simple. Con una malla escalonada estándar, el grosor de la capa dieléctrica deberá definirse mediante varias celdas FDTD. Esto requeriría el uso de un tamaño de malla muy pequeño o alguna otra técnica como una rejilla variable. Con XACT, el tamaño de la malla puede ser mayor, pero es importante asegurarse de que cada capa de la geometría con características distintas está definida. En esta geometría, se añaden puntos fijos al plano Z de las ranuras y del stub de alimentación (parte superior e inferior del sustrato) para asegurar que cada plano está definido. El tamaño de la celda base se elige como un cubo mucho mayor de 0,8 mm, con una relación que permite definir el espesor Z más pequeño. Para ayudar en los resultados de la simulación, las superficies exteriores del sustrato dieléctrico se cubren con una fina capa de promediado que tiene el valor dieléctrico a medio camino entre el espacio libre y el valor dieléctrico completo. También se añaden puntos fijos a los extremos de la línea de alimentación para garantizar que están correctamente conectados entre la línea de alimentación y la pared de la cavidad. En la figura 2 se muestra una vista de la capa superior de la antena, mientras que en la figura 3 se muestra la estructura de alimentación.
Figura 1: Representación CAD de la antena con respaldo de cavidad. El material blanco representa las capas metálicas mientras que el color verde es el sustrato dieléctrico bajo las ranuras.
Figura 2: Corte bidimensional de la malla XFdtd de la antena en el plano de las ranuras. Son visibles las celdas ajustadas con XACT que se ajustan perfectamente a los bordes del modelo CAD.
Figura 3: Una vista bidimensional de la línea de alimentación muestra el tamaño subcelular de la línea microstrip y el mapeado XACT utilizado para definir la forma con exactitud.
Se define un rango de frecuencias de interés para la simulación de 4 a 8 GHz. Esto ajusta automáticamente la forma de onda para cubrir este rango de interés. La excitación para la antena real es proporcionada por una línea coaxial que se une al lado de la cavidad y alimenta la línea microstrip en la parte inferior de la capa dieléctrica. Se define un puerto en la ubicación de la alimentación, que se define entre la línea microstrip y la pared de la cavidad, de forma muy similar a la alimentación coaxial para la antena real. Los campos de la zona cercana se guardan en esta ubicación para el cálculo de los resultados de los parámetros S. Además, los sensores de la zona lejana se definen para guardar la relación axial y la ganancia en función de la frecuencia directamente por encima de la antena, y la ganancia en dos planos principales a través del centro de la antena. La simulación de la antena se realiza en un cluster de cuatro tarjetas GPU NVidia Telsa C870 y tarda 23 minutos. Con un tamaño de celda base de 0,8 mm, el proyecto requirió 611.000 celdas y 63 MB de memoria. El resultado del parámetro S para la pérdida de retorno en la alimentación se compara bien con los resultados medidos definidos en el artículo (Figura 4). Los resultados de la relación axial y la ganancia en función de la frecuencia también muestran una buena concordancia cuando se comparan con los resultados medidos (Figuras 5 y 6). En las figuras 7-10 se representa la ganancia con polarización circular en los dos planos principales para dos frecuencias diferentes. Los resultados son similares a los descritos en el artículo.
Figura 4: La pérdida de retorno simulada de XFdtd7 coincide con los datos medidos.
Figura 5: La relación axial de la simulación y los datos medidos muestran resultados similares en toda la gama de frecuencias de interés.
Figura 6: La ganancia de la antena simulada en un punto directamente por encima de la cara de la antena coincide bien con los resultados medidos.
Figura 7: Aquí se representan las ganancias con polarización circular derecha e izquierda en el plano Phi=0 (a lo largo de la anchura más estrecha de la antena) a 5,7 GHz.
Figura 8: Aquí se representan las ganancias con polarización circular derecha e izquierda en el plano Phi=90 (a lo largo de la dimensión más larga de la antena) a 5,7 GHz.
Figura 9: Aquí se representan las ganancias con polarización circular derecha e izquierda en el plano Phi=0 (a lo largo de la anchura más estrecha de la antena) a 6,7 GHz.
Figura 10: Aquí se representan las ganancias con polarización circular derecha e izquierda en el plano Phi=90 (a lo largo de la dimensión más larga de la antena) a 6,7 GHz.
Referencias
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R. Li, B. Pan, A. N. Traille, J. Papapolymerou, J. Laskar y M. M. Tentzeris, "Development of a Cavity-Based Circularly Polarized Slot/Strip Loop Antenna With a Simple Feeding Structure", IEEE Trans. Antenna Propag, Vol. 56, No. 2, Feb. 2008, pp. 312-318.
