Las antenas de resonador dieléctrico tienen numerosas características que las hacen útiles, como baja pérdida, alta eficiencia y tamaño compacto. Este ejemplo demuestra cómo las capacidades de simulación y diseño de antenas de XFdtd pueden analizar dos antenas cilíndricas de resonador dieléctrico (DRA) similares que se han desarrollado para un rendimiento de polarización dual para diferentes bandas. La primera antena es de doble banda y cubre las bandas DCS (1,71-1,88 GHz) y WLAN (2,4-2,48 GHz). El segundo diseño es de banda ancha y cubre la WLAN y partes de la banda WiMAX (hasta 2,69 GHz). Ambos diseños proceden del documento [1] al que se hace referencia aquí, y los resultados presentados se ajustan bien a las mediciones proporcionadas en el documento.
El diseño general del dispositivo consiste en un resonador dieléctrico cilíndrico (permitividad relativa = 6,85, altura = 50,5 mm, radio = 22 mm) montado sobre un plano de tierra de cobre sobre un sustrato de 1,57 mm de espesor (permitividad relativa = 2,33). La antena tiene dos puertos situados en lados adyacentes de la placa de masa; uno alimenta una sonda coaxial conectada a una pequeña tira en el lateral del cilindro y el otro se acopla a través de ranuras en la placa de masa bajo el resonador dieléctrico. El diseño general se puede ver en la Figura 1, donde los dos puertos se muestran en verde brillante en los bordes YZ y XZ del sustrato. Ambos diseños utilizan líneas microstrip en la parte inferior del sustrato para conectar los puertos. El diseño de doble banda tiene dos ranuras perpendiculares en el plano de tierra (visibles en la Figura 2), que acoplan el puerto 2 al DRA, mientras que la sonda coaxial conecta el puerto 1. El diseño de banda ancha (Figura 3) es similar, pero la línea microstrip que alimenta el puerto 2 tiene un transformador de impedancia añadido y ranuras curvadas de diferentes tamaños para acoplar la energía al DRA.
Figura 1: Una vista CAD tridimensional de la geometría de la antena muestra el cilindro DRA con alimentación de sonda coaxial, y los dos puertos de entrada a izquierda y derecha del sustrato se muestran en verde claro. El segundo puerto está alimentado por una ranura acoplada en el plano de tierra.
Figura 2: Una vista superior de la antena de doble banda muestra las alimentaciones microstrip subyacentes de los puertos primero y segundo y las dos ranuras en el plano de tierra para acoplar el segundo puerto al DRA.
Figura 3: La antena de banda ancha es idéntica para el puerto 1 con la sonda coaxial, pero tiene varias modificaciones en la alimentación del puerto 2, incluyendo un transformador de impedancia en la línea microstrip y dos ranuras curvadas para el acoplamiento.
Antena de doble banda
Los parámetros S de la antena de doble banda mostrados en la Figura 4 presentan nulos poco profundos en la pérdida de retorno alrededor de las dos bandas (DCS y WLAN) de interés. El diagrama S21 de acoplamiento cruzado muestra un aislamiento superior a 35 dB. La ganancia directamente sobre el cilindro se representa en función de la frecuencia en la figura 5 y muestra una ganancia de unos 7 dBi en la banda inferior y de unos 8,5 dBi en la banda superior para cada puerto. En la figura 6, se representan las eficiencias de radiación y del sistema (incluidas las pérdidas por desajuste) en función de la frecuencia para los dos puertos y se observa que se sitúan en torno al 90% o más para ambos puertos. La correlación envolvente que describe la independencia de los patrones de radiación entre sí muestra valores inferiores a 5x10-5, lo que indica un aislamiento excelente (Figura 7).
Figura 4: Los diagramas de parámetros S de la antena de doble banda muestran regiones de funcionamiento en los rangos de 1,71-1,88 GHz y 2,4-2,48 GHz. El aislamiento entre los puertos es superior a 35 dB.
Figura 5: La ganancia por encima del DRA es cercana a 7 dBi en la banda de operación inferior y cercana a 8,5 dBi en la banda superior para ambos puertos.
Figura 6: La antena de doble banda tiene una buena eficiencia en ambas bandas, con una eficiencia del sistema en torno al 90% debido a que la pérdida de retorno está justo por debajo de -10 dB.
Figura 7: La correlación envolvente muestra que existe un elevado aislamiento entre los dos puertos.
En la Figura 8 se muestra el diagrama de radiación tridimensional de la antena de doble banda a 1,8 GHz, que muestra una cobertura bastante uniforme por encima del plano de tierra. En el plano vertical XZ del diagrama, se observa que la ganancia dirigida theta a 1,8 GHz es significativamente mayor que la ganancia dirigida phi para el puerto 1 (Figura 9), mientras que la ganancia dirigida phi domina para el puerto 2 (Figura 10). Del mismo modo, en el plano vertical YZ, la ganancia phi es dominante para el puerto 1 (Figura 11), mientras que la ganancia theta se expresa para el puerto 2 (Figura 12) a 1,8 GHz. Cuando se investiga la banda WLAN a 2,45 GHz, se observa un comportamiento similar en las figuras 13 y 14 para el plano XZ. En la Figura 15, la separación entre las polarizaciones se reduce para el puerto 1, pero sigue siendo fuerte para el puerto 2 (Figura 16).
Figura 8: El diagrama de ganancia tridimensional de la antena de doble banda a 1,8 GHz muestra un lóbulo ancho por encima del plano de tierra con un pico de ganancia en torno a 7 dBi.
Figura 9: La ganancia del puerto 1 a 1,8 GHz en el plano vertical XZ muestra una fuerte ganancia copolarizada de la componente theta y una ganancia de polarización cruzada de más de 40 dB.
Figura 10: El puerto 2 a 1,8 GHz muestra una fuerte ganancia copolarizada de la componente phi en el plano XZ, lo que demuestra la doble polarización de la antena.
Figura 11: En el plano YZ, la ganancia dirigida theta para el puerto 1 se reduce y la ganancia dirigida phi es dominante a 1,8 GHz.
Figura 12: El puerto 2 en el plano YZ a 1,8 GHz muestra lo contrario que el puerto 1 al tener una fuerte ganancia dirigida theta y una ganancia dirigida phi muy baja.
Figura 13: A 2,45 GHz en el plano XZ, el puerto 1 tiene una fuerte ganancia dirigida theta y una baja ganancia dirigida phi.
Figura 14: A 2,45 GHz en el plano XZ, el puerto 2 tiene una fuerte ganancia dirigida phi y una baja ganancia dirigida theta, lo contrario que el puerto 1.
Figura 15: En el plano YZ para el puerto 1 a 2,45 GHz, las ganancias co y cross-polarizadas no están tan bien separadas, pero la ganancia phi-dirigida es dominante.
Figura 16: Para el puerto 2 a 2,45 GHz en el plano YZ, la ganancia dirigida theta es dominante.
Antena de banda ancha
Los parámetros S de la antena de banda ancha muestran una pérdida de retorno inferior a -10 dB para cada puerto en todo el rango de interés, mientras que el aislamiento de S21 es inferior a -45 dB, como muestra la figura 17. La ganancia frente a la frecuencia por encima de la DRA muestra ganancia que van desde un mínimo de alrededor de 5,2 dBi a 2,5 GHz a más de 8,5 dBi a 2,7 GHz (Figura 18). Las eficiencias trazadas en la Figura 19 muestran valores extremadamente altos para ambos puertos en todo el rango de interés debido en parte a la mejor adaptación en la entrada para ambos puertos en este diseño. La correlación de la envolvente mostrada en la Figura 20 tiene números extremadamente bajos, lo que indica un excelente aislamiento entre las polarizaciones. El patrón de ganancia tridimensional del diseño de banda ancha se muestra en la Figura 21 a 2,4 GHz y tiene una amplia cobertura por encima del plano de tierra.
Figura 17: La antena de banda ancha tiene una pérdida de retorno inferior a -10 dB desde aproximadamente 2,25 a 2,8 GHz para los dos puertos de entrada, lo que cubre más que la totalidad de las bandas de interés. El aislamiento entre los puertos es superior a 45 dB.
Figura 18: La ganancia sobre la DRA en función de la frecuencia muestra una ganancia que oscila entre 5,2 y 10 dBi sobre las bandas de la antena.
Figura 19: La antena de banda ancha es muy eficiente, con eficiencias de radiación y del sistema cercanas al 100% en las bandas de interés.
Figura 20: La correlación de la envolvente es extremadamente baja, lo que muestra un aislamiento muy bueno entre los patrones de ganancia de los dos puertos de antena.
Figura 21: El diagrama de ganancia tridimensional de la antena de banda ancha a 2,4 GHz es un lóbulo ancho similar al de la antena de doble banda.
Las antenas con resonador dieléctrico tienen varias características importantes, como bajas pérdidas y alta eficiencia, que las convierten en una buena opción para algunas aplicaciones como las comunicaciones y WLAN. En este ejemplo, se demuestra que los diseños de doble banda y banda ancha de las antenas de doble polarización presentan un buen aislamiento entre los puertos y los patrones de radiación, lo que se traduce en un excelente rendimiento.
Referencia:
[1] Y. X. Sun y K. W. Leung, "Dual-Band and Wideband Dual-Polarized Cylindrical Dielectric Resonator Antennas", en IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 12, pp. 384-387, 2013, doi: 10.1109/LAWP.2013.2251993.