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El proyecto elegido procede del artículo "Low-Profile Equiangular Spiral Antenna Backed by an EBG Reflector" [1]. En este trabajo se simula una antena espiral equiangular que debe funcionar entre 3 y 10 GHz, primero sola y luego sobre una serie de superficies reflectoras. El diseño final combina las ventajas de una superficie reflectante, para ayudar a la ganancia y directividad de la antena, con una superficie de separación de banda electromagnética que permite un perfil mucho más bajo que sobre un reflector PEC tradicional.
El diseño de la antena en espiral se muestra en la Figura 1 y es de tipo equiangular. Cuando se aplica el mallado XACT Accurate Cell Technology a la antena (Figura 2), la malla FDTD se ajusta perfectamente al diseño de la antena, lo que da como resultado una región de alimentación limpia y un rendimiento de simulación preciso sin necesidad de una resolución de celda muy pequeña.
Figura 1: Representación CAD de la antena espiral equiangular.
Figura 2: Representación de la malla XACT.
La antena se simula utilizando una rejilla de medio milímetro, ya que los detalles de la superficie EBG, que se añadirán más adelante, requieren un espaciado de rejilla pequeño. Se aplica una fuente de tensión de impulso gaussiano modulado a través de los dos brazos de la espiral con un contenido de frecuencia limitado a los 3-10 GHz previstos para esta antena. La impedancia de entrada de la espiral es casi plana en toda la gama de funcionamiento, como era de esperar (Figura 3). La relación axial de la antena también es bastante plana en toda la gama de frecuencias y casi uno como se muestra en la Figura 4.
Figura 3: Impedancia de la antena en el espacio libre.
Figura 4: Relación axial de la antena en el espacio libre
En la práctica, la antena tendrá que montarse sobre algún tipo de superficie reflectora. En este caso, la antena se monta sobre una superficie EBG modificada formada por pequeños parches conectados a un plano de tierra a través de un sustrato dieléctrico. Cada parche es de 13 x 13 mm con una pequeña vía que abarca los 2 mm de espesor del sustrato. Los parches tienen una separación de 1 mm y en la Figura 5 se muestra la malla FDTD de varios parches. Los autores descubrieron que una configuración como la mostrada en la Figura 6 con los parches en los bordes del plano daba mejores resultados que una superficie llena de parches. Esta superficie permite montar la antena a sólo 7 mm por encima de la superficie EBG, que es menos de 1/10 de longitud de onda a la frecuencia más baja. El rendimiento de la antena es bastante bueno en toda la gama de frecuencias cuando se coloca por encima de la superficie EBG modificada. La impedancia se representa en la Figura 7 y sigue siendo relativamente plana y se compara bien con los resultados experimentales del documento. La relación axial en la Figura 8 es bastante razonable y el pico de ganancia por encima de la espiral también está en línea con las mediciones (Figura 9).
Figura 5: Representación en malla del reflector EBG.
Figura 6: Modelo completo con antena en espiral y reflector EBG.
Figura 7: Comparación de la impedancia de la antena sobre el reflector EBG.
Figura 8: Relación axial de la antena sobre el reflector EBG.
Figura 9: Comparación de la ganancia de pico de la antena sobre el reflector EBG.
Referencia
H. Nakano, K. Kikkawa, N. Kondo, Y. Iitsuka y J. Yamauchi. "Antena espiral equiangular de bajo perfil respaldada por un reflector EBG". IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 57, no. 5, pp. 1309-1318, mayo de 2009.