Introducción
Las antenas de resonador dieléctrico (DRA) son una buena opción para aplicaciones de ondas milimétricas debido a sus bajas pérdidas y alta eficiencia. El diseño del resonador para un modo fundamental puede ser complejo debido al pequeño tamaño y a la sensibilidad del resonador a los errores de fabricación. En este ejemplo, se simula en XFdtd un resonador dieléctrico cilíndrico de mayor tamaño para mostrar cómo puede utilizarse la excitación de los modos de orden superior HEM113 y HEM115 para producir un ancho de banda amplio y un buen rendimiento de ganancia. El diseño al que se hace referencia en esta simulación de antena procede del documento de conferencia citado más adelante [1]. Los resultados que aquí se presentan concuerdan bien con los resultados simulados y medidos de la ponencia.
Diseño y simulación de dispositivos
En este diseño se utiliza como resonador un dieléctrico cilíndrico con una permitividad relativa de 7, una altura de 8,5 mm y un radio de 1,5 mm. El cilindro está montado en un plano de tierra y alimentado por una sonda coaxial que se extiende 1,9 mm por encima de la superficie del plano de tierra y está en contacto con el lado del cilindro como se muestra en la representación CAD de la geometría en la Figura 1.
En la figura 2 se representa la pérdida de retorno de la antena, que muestra una banda de funcionamiento (S11 > -10 dB) de 22 a 29 GHz aproximadamente. La distribución del campo eléctrico en estado estacionario se representa en la figura 3 a 25 GHz y muestra el modo HEM113, mientras que la figura 4 a 28 GHz muestra el modo HEM115 en el resonador dieléctrico.
Figura 1: Se muestra una representación CAD tridimensional de la geometría con un plano de tierra conductor bajo un resonador dieléctrico cilíndrico con permitividad de 7. El resonador se excita mediante una sonda coaxial en un lado del cilindro.
Figura 2: La pérdida de retorno del DRA tiene un amplio ancho de banda que va de 22 a 29 GHz.
Figura 3: La distribución del campo eléctrico en estado estacionario dentro y alrededor del DRA a 25 GHz muestra el modo HEM113 inferior de la antena.
Figura 4: A 28 GHz, la distribución del campo eléctrico en estado estacionario contiene el modo HEM115.
La ganancia de campo lejano en un punto situado directamente sobre el cilindro, mostrada en la Figura 5, varía desde unos 5,2 dBi a 22 GHz hasta un pico de 8,8 dBi a 29 GHz, con una transición bastante suave en las frecuencias intermedias. La antena tiene una buena eficiencia, como se muestra en la Figura 6, donde la eficiencia de radiación es casi del 100% y la eficiencia del sistema, que incluye las pérdidas por desajuste, oscila entre el 90 y el 99% en el ancho de banda de funcionamiento.
Figura 5: La ganancia directamente por encima del DRA, que es también la dirección del pico de ganancia, es bastante suave y oscila entre 5,2 dBi en el extremo inferior de 22 GHz y 8,8 dBi en el extremo superior de 29 GHz de la banda.
Figura 6: El DRA tiene una eficiencia excelente superior al 90% en toda la gama de frecuencias.
Los diagramas tridimensionales de la antena a 25 GHz (Figura 7) y 28 GHz (Figura 8) muestran diagramas amplios con un lobulado mínimo y la mayor ganancia de más de 7 dBi dirigida por encima del cilindro en la dirección Z. En la dirección vertical XZ a 25 GHz, la ganancia procede principalmente de la componente phi, como se muestra en la figura 9. En la dirección YZ a 25 GHz, la ganancia procede principalmente de la componente phi, como se muestra en la figura 9. En la dirección YZ a 25 GHz, la componente theta es dominante y cualquier ganancia de polarización cruzada es inferior en 50 dB a la ganancia copolarizada, como se muestra en la figura 10. Los resultados son muy similares para ambos cortes del cilindro. En 28 GHz se obtienen resultados muy similares para ambos cortes del patrón, tal y como se muestra en las figuras 11 y 12. Todos estos resultados del patrón de ganancia coinciden en gran medida con los de la figura 11. Todos estos resultados del patrón de ganancia coinciden con los resultados medidos por los autores de [1].
Figura 7: El diagrama de ganancia de campo lejano tridimensional de la antena a 25 GHz es amplio, con un lobulamiento mínimo y un ancho de haz de 3dB de unos 68 grados.
Figura 8: A 28 GHz, el patrón de ganancia de campo lejano tridimensional es casi idéntico al patrón a 25 GHz, con sólo un pico de ganancia ligeramente superior.
Figura 9: En el plano vertical XZ de la antena a 25 GHz, la ganancia phi-dirigida domina pero la ganancia theta de polarización cruzada baja sólo unos 10 dBi.
Figura 11: A 28 GHz, la ganancia en el plano XZ tiene un patrón fuertemente dirigido phi con un patrón dirigido theta de polarización cruzada, similar al patrón a 25 GHz.
Figura 10: En el plano YZ, la ganancia theta es dominante con la ganancia de polarización cruzada por debajo de 50 dB.
Figura 12: La ganancia dirigida a theta es dominante a 28 GHz en el plano YZ con una ganancia mínima de polarización cruzada.
Conclusión
Las antenas con resonador dieléctrico pueden ser una buena elección para aplicaciones de ondas milimétricas, pero la fabricación de componentes pequeños plantea problemas prácticos. Aquí se simula un resonador dieléctrico más grande para reducir la susceptibilidad a los errores dimensionales excitando modos de orden superior. La antena presenta un buen rendimiento en un amplio ancho de banda en el rango de 22-29 GHz.
Referencia:
[1] L. Y. Feng y K. W. Leung, "Millimeter-wave wideband dielectric resonator antenna," 2015 40th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz waves (IRMMW-THz), Hong Kong, China, 2015, pp. 1-2, doi: 10.1109/IRMMW-THz.2015.7327734.
