Introducción
En este ejemplo, se simula en XFdtd una antena con resonador dieléctrico de polarización circular para generar las pérdidas de retorno, los diagramas de ganancia, la ganancia lateral en función de la frecuencia y la relación axial. La antena objeto de estudio, destinada a formar parte de un sistema de navegación por satélite con brújula (CNSS) que opera en las bandas de 1,268 y 1,561 GHz, se ha tomado de un artículo de revista [1] que incluye resultados medidos y simulados. Los resultados obtenidos con XFdtd son comparables a los del artículo.
Diseño y simulación de dispositivos
La antena simulada aquí consiste en una sección de alimentación plana y un gran bloque rectangular de material dieléctrico con constante dieléctrica 20,5 centrado sobre ranuras cruzadas en el plano de tierra. En la Figura 1, una imagen tridimensional de la antena simulada se muestra con el plano de tierra en rojo, el sustrato en blanco roto, y el bloque dieléctrico en azul. El dispositivo está construido sobre un sustrato de 100 mm x 100 mm x 0,8 mm con una constante dieléctrica de 2,55. La estructura de alimentación consiste en una línea microstrip en la parte inferior del sustrato con un stub perpendicular para la adaptación de impedancias. El plano de tierra por encima del sustrato tiene dos ranuras en ángulos de 45 grados entre sí, que están dimensionados para producir modos para el comportamiento de doble banda polarizada circularmente. En la Figura 2 se muestra una vista superior de la placa de masa sin el bloque dieléctrico, mientras que en la Figura 3 se muestra una vista inferior de la línea microstrip. La línea microstrip está alimentada por una fuente de componentes de circuito distribuido en el borde del sustrato y con una forma de onda que cubre el rango de frecuencias de interés entre 1 y 2 GHz.
Figura 1: Se muestra una vista CAD tridimensional de la geometría de la antena con el bloque resonador dieléctrico visible en el centro del plano de tierra.
Figura 2: Una vista superior de la estructura de la antena con el bloque resonador dieléctrico retirado muestra las ranuras cruzadas en el plano de tierra y el contorno de la línea de alimentación microstrip en la parte inferior del sustrato.
Figura 3: La línea de alimentación microstrip con el stub de adaptación de impedancia se muestran en la parte inferior del sustrato.
Figura 4: La pérdida de retorno de la antena muestra dos bandas de funcionamiento que corresponden a las frecuencias deseadas de 1,268 y 1,561 GHz
Tras la simulación, la pérdida de retorno del dispositivo presenta dos bandas de funcionamiento centradas en torno a 1,25 y 1,55 GHz (Figura 4). Cada banda tiene una anchura superior a 0,16 GHz y cada una está cerca de las frecuencias de comunicación deseadas del dispositivo de 1,268 y 1,561 GHz. Los diagramas de ganancia tridimensionales en las dos frecuencias de interés se muestran en las figuras 5 y 6 e indican que la antena produce diagramas lobulados amplios casi simétricos con una ganancia pico superior a 5 dBi directamente sobre el bloque dieléctrico. La eficiencia de radiación independiente de la antena es del 100%, mientras que la eficiencia del sistema es del 81% y 66% en las dos frecuencias de interés. El valor de ganancia de pico, que se encuentra en un punto directamente por encima del bloque dieléctrico, se representa gráficamente en función de la frecuencia en la Figura 7 y se puede ver que es bastante consistente en casi toda la gama de frecuencias de interés. Por último, la relación axial, mostrada en la figura 8, muestra una amplia región de 3 dB de ancho de banda que cubre las dos bandas de interés.
Figura 5: A 1,268 GHz, el patrón de ganancia es casi esférico, con un pico de ganancia de 5,6 dBi por encima del bloque dieléctrico.
Figura 6: A 1,568 GHz, el patrón de ganancia es casi esférico y tiene un pico de ganancia de 5,4 dBi en la dirección directamente por encima del bloque dieléctrico.
Figura 7: La ganancia en un punto directamente por encima del resonador dieléctrico se muestra bastante consistente en un amplio rango.
Figura 8: La relación axial muestra mínimos cerca de las frecuencias deseadas de 1,268 y 1,561 GHz y un ancho de banda de 3 dB bastante amplio.
Conclusión
Se muestra que las simulaciones de una antena con resonador dieléctrico producen buenos resultados, incluso con constantes dieléctricas elevadas de más de 20. La pérdida de retorno y los patrones de ganancia mostrados se ajustan bien a los datos medidos mostrados en el documento de referencia. La relación axial de los resultados simulados muestra un mejor rendimiento que la antena medida, pero las tendencias son bastante similares y los resultados en las bandas deseadas son buenos.
Referencia:
X-C Wang, L. Sun, X-L Lu, S. Liang, and W-Z Lu, "Single-Feed Dual-Band Circularly Polarized Dielectric Resonator Antenna for CNSS Applications," IEEE Trans. on Antennas and Propag., vol. 65, No. 8, pp. 4283-4287, Aug. 2017.
