Este ejemplo muestra cómo XFdtd simula una antena cilíndrica de resonador dieléctrico de 60 GHz construida sobre una base de silicio para emular diseños en chip. La antena podría utilizarse para una red inalámbrica de área personal (WPAN), que proporcionaría comunicación en las inmediaciones del espacio de trabajo de un usuario. La antena tiene una ganancia de pico de unos 2,5 dBi, un ancho de banda de más de 2,5 GHz y una ganancia positiva de unos +/- 55 grados fuera del punto de mira. El diseño de la antena y la simulación que aquí se comentan proceden de un documento de una conferencia [1].
Como la antena está destinada a estar en el chip, se simula aquí uniéndola a una sección de un bloque de silicio con pérdidas (permitividad relativa 11,9, conductividad 10 S/m) de 1500 μm x 1500 μm x 250 μm. Una capa de 6,22 μm de SiO2 (permitividad relativa 4) cubre la parte superior del bloque de silicio y, a continuación, se cubre con una capa de 2 μm de plano de tierra conductor. Una guía de onda coplanar (CPW) de 50 ohmios alimenta el resonador, que tiene un radio de 0,33 mm, una altura de 0,3 mm y una elevada permitividad relativa de 48. Se instalan vías entre el plano de tierra y el bloque de silicio alrededor de las ranuras de la CPW. La geometría de la antena es visible en una vista CAD tridimensional en la Figura 1 y una vista de arriba hacia abajo en la Figura 2.
Figura 1: Vista tridimensional de la antena de resonador dieléctrico en chip en forma de dibujo CAD. El resonador cilíndrico se muestra sobre la guía de ondas coplanar. La capa base de silicio está en la parte inferior.
Figura 2: Vista superior de la antena en la que se aprecian las líneas de guía de ondas coplanares y las vías circundantes, que conectan a tierra la capa conductora con el bloque de silicio.
Tras la simulación, se observa que la pérdida de retorno tiene un nulo profundo cerca de 60 GHz (Figura 3) con un ancho de banda de -10 dB de más de 2,5 GHz. La impedancia de entrada en función de la frecuencia se representa en la figura 4, que muestra una buena adaptación a 50 ohmios a 60 GHz.
Figura 3: La antena muestra un profundo nulo en la pérdida de retorno cerca de 60 GHz, al tiempo que mantiene un ancho de banda de -10 dB de más de 2,5 GHz.
Figura 4: La impedancia de entrada de la antena está bien adaptada a 50 ohmios a 60 GHz con transiciones suaves a través del rango de trazado de 4 GHz.
La ganancia de la antena en función de la frecuencia en un punto situado directamente encima de la antena (Figura 5) muestra un pico de ganancia de unos 2,5 dBi a 60 GHz, que disminuye suavemente con ganancia positiva a más de 4 GHz de ancho de banda. Las eficiencias de radiación y del sistema de la antena (con y sin pérdidas por desajuste) muestran un pico de alrededor del 60% a 60 GHz (Figura 6) y el diagrama de radiación es casi esférico con ganancia positiva en un rango de unos 110 grados (Figura 7). En los planos YZ y XZ (cortes verticales), la antena tiene una ganancia copolarizada casi uniforme (Figuras 8 y 9) y una ganancia de polarización cruzada mucho menor. El diagrama de radiación en el plano horizontal XY se muestra en la Figura 10.
Figura 5: La ganancia en un punto situado directamente sobre la antena alcanza un pico de unos 2,5 dBi a 60 GHz y disminuye suavemente con ganancia positiva en todo el rango de 4 GHz.
Figura 6: Las eficiencias de radiación y del sistema de la antena son bastante buenas, en torno al 60% a 60 GHz, debido a la reducción de pérdidas en comparación con las antenas metálicas.
Figura 7: El diagrama de radiación tridimensional a 60 GHz muestra una distribución casi esférica. La antena tiene ganancia positiva en un ancho de haz de 110 grados.
Figura 8: En el plano YZ (corte vertical) del diagrama de antena, se observa que la ganancia co-polarizada es mucho mayor que la ganancia cross-polarizada, ofreciendo un excelente aislamiento.
Figura 9: En el plano XZ (corte vertical) del diagrama de antena, la ganancia copolarizada es casi 30 dB superior a la ganancia de polarización cruzada, lo que proporciona un aislamiento excelente.
Figura 10: El patrón de ganancia en el plano horizontal XY se reduce con un pico de ganancia a -3 dBi y muestra una mezcla de las polarizaciones.
El resonador dieléctrico de alta permitividad de la antena es capaz de funcionar con pérdidas mucho menores que una antena metálica, lo que se traduce en una mayor eficiencia sin dejar de ofrecer un buen rendimiento de banda ancha en cuanto a ganancia e impedancia.
Referencia:
[1] P. V. Bijumon, A. P. Freundorfer, M. Sayer e Y. M. M. Antar, "On-Chip Silicon Integrated Cylindrical Dielectric Resonator Antenna for Millimeter Wave Applications", 2007 International Symposium on Signals, Systems and Electronics, Montreal, QC, 2007, pp. 489-492, doi: 10.1109/ISSSE.2007.4294520.