Introducción
En este ejemplo, XFdtd se utiliza en una simulación de antena centrada en el rendimiento de una antena de ondas de fuga de guía de ondas integrada en sustrato (SIW) con ranuras transversales. El diseño se tomó del artículo de Liu, Jackson y Long [1]. La antena funciona como una guía de onda rectangular con ranuras transversales, pero está diseñado en SIW para reducir el costo, tamaño, y para facilitar la integración con circuitos planares. Se calculan los resultados de los parámetros S, la ganancia y la eficiencia de la antena.
Diseño y simulación de dispositivos
En la Figura 1 se muestra una vista superior de toda la antena, en la que el material verde representa el cobre y el rojo es un dieléctrico (permitividad relativa = 2,25 y tangente de pérdida de 0,001). El dispositivo tiene aproximadamente 310 mm de longitud, 40 mm de anchura y 1 mm de altura. La capa de microstrip de cobre en la parte superior de la antena tiene ranuras transversales espaciadas a intervalos regulares y ahusadas en los extremos. En cada extremo del dispositivo hay un puerto de guía de ondas nodal conectado a una línea de microstrip cónica que conecta con la porción SIW. En la capa superior hay una serie de ranuras transversales, más fáciles de ver en la figura 2. Los bordes de la capa microstrip superior están terminados con vías. Las capas se muestran en vistas en ángulo en las Figuras 3 a 5, donde todas las partes se muestran en la Figura 3, el sustrato es visible en la Figura 4, y las vías en la Figura 5.
Figura 1: Una vista superior del modelo CAD 3D de la antena muestra puertos de entrada y salida en los extremos unidos a líneas microstrip cónicas y una sección microstrip central con numerosas ranuras.
Figura 2: Una vista detallada de un extremo de la antena muestra las ranuras cónicas y la vía curva situada bajo la línea microstrip.
Figura 3: Una vista en ángulo de la antena desde un puerto muestra el puerto de guía de ondas nodal unido a la línea cónica, el grosor de la capa de sustrato y una porción de la capa superior ranurada.
Figura 4: Con la capa superior de microstrip eliminada, el sustrato y algunas de las vías son visibles en la estructura de la antena.
Figura 5: En esta figura se ha eliminado la capa de sustrato y son visibles la placa de masa y las vías.
El dispositivo se simula aplicando una señal de frecuencia limitada al puerto de la guía de ondas en un extremo. Los resultados de los parámetros S se muestran en la Figura 6 y se puede observar que el dispositivo tiene un buen rendimiento operativo entre 10,4 y 12,5 GHz y algunas bandas de frecuencia más pequeñas por debajo de 10,4 GHz. Por debajo de 10 GHz, la respuesta se corta.
Figura 6: Los parámetros S muestran una buena pérdida de retorno desde aproximadamente 10,4 GHz hasta 12,5 GHz, mientras que la S21 tiene entre -6 y -2 dB de pérdida en la misma región.
La antena emite varios haces que, según la frecuencia, oscilan entre casi broadside y casi end fire. Estos haces son generalmente estrechos y en forma de abanico. A 10,2 GHz, el haz es bastante estrecho y alcanza un máximo de unos 8,6 dBi a theta=70 grados en el plano YZ, como se muestra en la figura 7 en un diagrama polar. En la figura 8 se muestra el diagrama de 10,2 GHz en tres dimensiones desde el mismo ángulo que el diagrama polar de la figura 7. En la figura 9 se muestra el diagrama de 10,2 GHz en tres dimensiones. En la figura 9 se muestra una perspectiva diferente del patrón tridimensional de 10,2 GHz. A 10,8 GHz, el pico de ganancia aumenta a 11,1 dBi y el haz se desplaza a un pico en theta=49 grados en el plano YZ, como se muestra en las figuras 10, 11 y 12. El patrón se ensancha ligeramente y aumenta en el plano YZ. El diagrama se ensancha ligeramente y aumenta la ganancia de pico a 11,5 GHz, donde la dirección del lóbulo principal cambia a theta=28 grados y la ganancia máxima es de 12,7 dBi, como se muestra en las figuras 13, 14 y 15. A 11,7 GHz, la ganancia máxima es de 12,7 dBi. A 11,7 GHz, la ganancia máxima es de 14 dBi con un ángulo de theta=19 grados, como se muestra en las Figuras 16, 17 y 18. Por último, a 12 GHz, la ganancia máxima es de 14,2 dBi con un ángulo de theta=13 grados, como se muestra en las figuras 19, 20 y 21.
Figura 7: Un diagrama polar del diagrama de ganancia a 10,2 GHz en el plano YZ (a lo largo de la antena) muestra un haz estrecho a theta=70 grados con una ganancia de unos 8,6 dBi.
Figura 8: El diagrama de ganancia de la antena a 10,2 GHz se muestra aquí en una vista tridimensional superpuesta a la geometría de la antena.
Figura 9: El diagrama de ganancia de la antena a 10,2 GHz se muestra desde una vista tridimensional en ángulo para demostrar la forma de abanico del diagrama.
Figura 10: Un diagrama polar del diagrama de ganancia a 10,8 GHz en el plano YZ de la antena muestra un haz en theta=49 grados con una ganancia de pico de 11,1 dBi.
Figura 11: El diagrama de ganancia de la antena a 10,8 GHz se muestra aquí en una vista tridimensional superpuesta a la geometría de la antena.
Figura 12: El diagrama de ganancia de la antena a 10,8 GHz se muestra desde una vista tridimensional en ángulo para demostrar la forma de abanico del diagrama.
Figura 13: Un diagrama polar del diagrama de ganancia a 11,5 GHz en el plano YZ de la antena muestra un haz en theta=28 grados con una ganancia de pico de 12,7 dBi.
Figura 14: El diagrama de ganancia de la antena a 11,5 GHz se muestra aquí en una vista tridimensional superpuesta a la geometría de la antena.
Figura 15: El diagrama de ganancia de la antena a 11,5 GHz se muestra desde una vista tridimensional en ángulo para demostrar la forma de abanico del diagrama.
Figura 16: Un diagrama polar del diagrama de ganancia a 11,7 GHz en el plano YZ de la antena muestra un haz en theta=19 grados con una ganancia de pico de 14 dBi.
Figura 17: El diagrama de ganancia de la antena a 11,7 GHz se muestra aquí en una vista tridimensional superpuesta a la geometría de la antena.
Figura 18: El diagrama de ganancia de la antena a 11,7 GHz se muestra desde una vista tridimensional en ángulo para demostrar la forma de abanico del diagrama.
Figura 19: Un diagrama polar del diagrama de ganancia a 12 GHz en el plano YZ de la antena muestra un haz en theta=13 grados con una ganancia de pico de 14,2 dBi.
Figura 20: El diagrama de ganancia de la antena a 12 GHz se muestra aquí en una vista tridimensional superpuesta a la geometría de la antena.
Figura 21: El diagrama de ganancia de la antena a 12 GHz se muestra desde una vista tridimensional en ángulo para demostrar la forma de abanico del diagrama.
La eficiencia de radiación se calcula en el artículo utilizando un enfoque teórico para una guía de onda rectangular ranurada que no tiene en cuenta el desajuste del sistema ni la potencia perdida en otros puertos. En XFdtd se calcula un valor comparable al teórico y se denomina eficiencia de radiación autónoma. En la Figura 22 se representa la eficiencia de radiación teórica del artículo junto con la eficiencia de radiación independiente del software de simulación EM 3D X Fdtd y la eficiencia del sistema XFdtd, que incluye tanto la pérdida por desajuste como la potencia perdida en el segundo puerto de la guía de ondas.
![Figura 22: Se muestra la eficiencia de radiación de la antena. El resultado teórico del artículo [1] corresponde a una guía de ondas rectangular ranurada. Los resultados de XFdtd corresponden a la eficiencia del sistema, que incluye la pérdida por desajuste y la pérdida en la segunda p...](https://es.remcom.com/hubfs/Imported_Blog_Media/image-asset-Apr-03-2023-08-59-32-6122-PM.png)
Figura 22: Se muestra la eficiencia de radiación de la antena. El resultado teórico del artículo [1] corresponde a una guía de ondas rectangular ranurada. Los resultados de XFdtd corresponden a la eficiencia del sistema, que incluye la pérdida por desajuste y la pérdida en el segundo puerto, y a la eficiencia independiente, que sólo corresponde a la radiación y no incluye otras pérdidas.
Resumen
Este ejemplo ha demostrado el rendimiento de una antena de ondas de fuga implementada en una guía de ondas integrada en un sustrato ranurado. La antena produce haces estrechos que se desplazan desde cerca del lado ancho hasta el fuego final a medida que aumenta la frecuencia. La antena tiene un amplio ancho de banda de impedancia y una eficiencia que mejora con el aumento de la frecuencia de funcionamiento.
Referencia:
[1] J. Liu, D. R. Jackson e Y. Long, "Substrate Integrated Waveguide (SIW) Leaky-Wave Antenna With Transverse Slots", IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 60, no. 1, pp. 20-29, Jan. 2012.
