Introducción
Una antena de doble banda en frecuencias de terahercios podría ser útil para aplicaciones de comunicación y radar, pero suele ser difícil de fabricar con las técnicas tradicionales. Aquí se evalúa con el software de simulación EM XFdtd un diseño discutido en [1] que utiliza una bocina cónica para radiar una banda de frecuencia inferior a 94 GHz y una banda dieléctrica cónica para transportar la banda superior de 340 GHz. La antena produce patrones de ancho de haz iguales en los planos E y H con una ganancia de alrededor de 18 dBi para ambas frecuencias en esta simulación de antena.
Diseño y simulación de dispositivos
El extremo de alimentación de la antena consta de dos puertos de guía de ondas rectangulares que están alineados ortogonalmente con el puerto de frecuencia más baja en el lado de la estructura y el puerto de frecuencia más alta en línea con el eje central de la bocina. Una tira dieléctrica cónica de cuarzo recorre toda la longitud del dispositivo y llena parcialmente la alimentación de la guía de ondas a 340 GHz. Los campos en la frecuencia más alta son guiados por la tira mientras que el puerto de frecuencia más baja a 94 GHz se alimenta en una región de transición de guía de ondas rectangular a circular y luego en la bocina cónica. El dispositivo se muestra en la Figura 1 en tres dimensiones con la tira de cuarzo cónica en color rojo y el puerto de 94 GHz visible en el lado +X de la bocina. En las figuras 2 y 3 se muestran vistas de la bocina desde la dirección superior (+Y) y frontal (+Z), donde puede verse que la tira cónica llena parcialmente la guía de ondas en la dirección X.
Figura 1: Una vista CAD tridimensional de la antena muestra los dos puertos de entrada a la derecha y la banda de cuarzo cónica que recorre el centro de la estructura de la bocina.
Figura 2: Una vista superior de la antena muestra la orientación de los dos puertos de entrada y la forma general de las regiones de transición y la bocina.
Figura 3: Una vista hacia abajo de la abertura de la bocina muestra la tira dieléctrica cónica que rellena parcialmente el centro de la guía de ondas de alta frecuencia.
Los dos puertos se excitan mediante fuentes de guía de ondas modales de banda ancha para generar los resultados de los parámetros S. En la figura 4 se muestra la pérdida de retorno del puerto de banda inferior, que es inferior a -15 dB a 94 GHz. La figura 5 muestra la pérdida de retorno del puerto de banda superior, que es de casi -20 dB a 340 GHz. El acoplamiento entre los puertos es extremadamente bajo y, en general, inferior a -70 dB.
Figura 4: La pérdida de retorno del puerto de 94 GHz muestra una buena correspondencia con valores inferiores a -15 dB.
Figura 5: A 340 GHz, la pérdida de retorno es de casi -20 dB para el puerto de banda alta.
La propagación de los campos de 94 GHz en función del tiempo se muestra en la figura 6, donde puede verse la transición de la guía de ondas rectangular a la circular seguida de la radiación de la bocina. La distribución de campo en estado estacionario de la figura 7 muestra transiciones de campo suaves a través de la bocina. La excitación a frecuencias más altas a través del segundo puerto conectado ortogonalmente muestra en la Figura 8 cómo la banda dieléctrica guía las ondas variables en el tiempo fuera de la antena. La distribución de campo en estado estacionario a 340 GHz muestra una estrecha contención de los campos alrededor de la banda, como se ve en la figura 9.
Figura 6: Los campos eléctricos en el dominio del tiempo del puerto de 94 GHz muestran la propagación a través de la región de transición y fuera de la bocina de la antena.
Figura 7: Los campos eléctricos en estado estacionario a 94 GHz muestran distribuciones de campo en toda la sección transversal de la bocina.
Figura 8: A 340 GHz, los campos eléctricos en el dominio del tiempo están más estrechamente ligados a la banda dieléctrica cónica del centro de la bocina.
Figura 9: La distribución del campo eléctrico en estado estacionario a 340 GHz resalta los campos más intensos en el dieléctrico.
Los diagramas de radiación de las dos bandas se muestran en las figuras 10 y 11, donde ambas frecuencias presentan diagramas de haz y ganancia similares con lóbulos laterales bajos. En la Figura 12, se muestran los patrones de ganancia en los planos E y H para la radiación de 94 GHz y los niveles de polarización cruzada son muy bajos, mientras que el haz principal es simétrico. A 340 GHz, los diagramas de los planos E y H presentan una mayor polarización cruzada, pero los haces principales siguen siendo casi simétricos y los lóbulos laterales bajos, como se muestra en la figura 13. En la figura 12 se muestran las eficiencias de radiación y del sistema para la radiación de 94 GHz. Las eficiencias de radiación y del sistema para ambas frecuencias son superiores al 95%, ya que hay pocas pérdidas en este diseño de antena.
Figura 10: El patrón de ganancia de la bocina a 94 GHz tiene un haz simétrico con un pico de ganancia a 18 dBi y lóbulos laterales bajos.
Figura 11: A 340 GHz el patrón de ganancia tiene un haz casi simétrico con un pico de ganancia ligeramente superior de casi 19 dBi. Los lóbulos laterales bajan casi 40 dB desde el pico.
Figura 12: La ganancia en los dos planos principales a 94 GHz muestra un haz fuerte y simétrico y campos polarizados cruzados muy bajos.
Figura 13: A 340 GHz, la ganancia en los planos principales es simétrica con lóbulos laterales bajos. Los campos de polarización cruzada son mayores en un plano, pero siguen bajando más de 15 dB.
Conclusión
Los resultados de las simulaciones muestran cómo la banda de frecuencias más bajas es radiada por la estructura de bocina, mientras que la banda más alta es transportada por la banda dieléctrica cónica. El diseño de bocina de doble banda muestra un buen rendimiento en ambas frecuencias con alta ganancia, haces simétricos y bajos lóbulos laterales. La antena tiene una alta eficiencia y buenas características de pérdida de retorno en ambas frecuencias de interés.
Referencia:
[1] X. Wang, C. Deng, W. Hu, Y. Liu y X. Lv, "Design of a 94/340GHz horn antenna loaded with dielectric for dual-band operation", 2017 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting, San Diego, CA, USA, 2017, pp. 561-562, doi: 10.1109/APUSNCURSINRSM.2017.8072323.
