Новый метод планарного питания диэлектрической стержневой антенны с использованием диэлектрического резонатора.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 9242 (2023) Цитировать эту статью

Подробности о метриках

В данной статье предлагается новый метод возбуждения поверхностных волн в диэлектрических стержневых антеннах с использованием антенн с диэлектрическим резонатором. Способ заключается в размещении прямоугольной антенны-резонатора с диэлектрической проницаемостью 10,2 внутри полого цилиндрического диэлектрического стержня-антенны из тефлона. Возбуждая моды \({TE}_{111}^{y}\) и \({TE}_{113}^{y}\) антенны диэлектрического резонатора, можно запустить поверхностную волну вдоль тефлона трубка. Преимущество этого метода заключается в интеграции диэлектрической стержневой антенны с планарными схемами, где желательно максимальное излучение в направлении, нормальном к плате. По сравнению с другими методами планарного кормления, этот метод приводит к снижению уровня нижних долей спины и боковых долей. Я изготовил предложенную конструкцию и провел испытания для измерения ее производительности. Результаты измерений показывают ширину полосы импеданса 22% в диапазоне от 7,35 до 9,4 ГГц и максимальное усиление 14 дБ. Кроме того, моделируемая эффективность излучения предлагаемой антенны во всем диапазоне составляет более 90%.

Диэлектрические стержневые антенны являются отличными кандидатами для использования в диапазоне миллиметровых волн благодаря их широкой полосе сопротивления, высокому коэффициенту усиления, стабильной диаграмме направленности и высокой эффективности излучения1,2,3. Минимальное использование металла в конструкции антенны способствует ее высокой эффективности излучения. На низких частотах эти антенны используются в качестве систем питания рефлекторных антенн4, а в миллиметровом диапазоне волн они непосредственно интегрируются в схемы. Многочисленные теоретические и экспериментальные исследования были проведены для понимания механизма работы и прогнозирования свойств излучения этих антенн5,6. Благодаря своим многочисленным положительным характеристикам как в микроволновом, так и в миллиметровом диапазонах частот, они стали широко использоваться в различных телекоммуникационных приложениях7,8,9,10. Недавно они были представлены в качестве эффективных антенн в терагерцовом и оптическом диапазонах для внутрикристальной связи между элементами интегральных схем11,12,13,14. Однако их интеграция с планарными схемами является сложной задачей, поскольку для возбуждения этой антенны требуется неплоская волноводная структура.

Диэлектрические стержневые антенны могут возбуждаться различными способами, как с плоской, так и с неплоской структурой. Например, в работе15 для питания диэлектрической стержневой антенны использовался V-образный двухпроволочный конический поперечный электромагнитный волновод. Хотя эта структура питания обеспечивает широкую полосу сопротивления, ей не хватает возможности интегрироваться в плоские структуры. В другом исследовании16 для возбуждения диэлектрической стержневой антенны использовались квадратный металлический волновод и конический рупор. Кроме того, для возбуждения волновода использовались два перпендикулярных перехода микрополоска-волновод, что приводило к возбуждению двух ортогональных мод в волноводе. В литературе можно найти несколько других работ, в которых возбуждение диэлектрического стержня осуществлялось с помощью металлических волноводов или других неплоских питающих сетей; однако они здесь не рассматриваются для краткости17,18,19,20,21,22,23.

В некоторых приложениях, таких как базовые станции миллиметрового диапазона и автомобильные радары, для возбуждения антенны необходима плоская структура питания. Этот метод позволяет упростить размещение диэлектрической стержневой антенны. Например, в работе 24 авторы питали антенну, используя изогнутую щелевую апертуру в плоскости заземления. Однако этот метод имеет ограниченное применение из-за наличия заднего лепестка в диаграмме направленности. В этой статье мы сравним этот способ кормления с предложенным нами методом. В других подобных работах также использовалось щелевое возбуждение25. Существуют альтернативные методы планарной подачи, которые приводят к образованию диаграммы направленности с торцевым огнем26,27,28.

В нашей работе мы представляем новый подход, в котором антенна с диэлектрическим резонатором (DRA) впервые используется для питания диэлектрической стержневой антенны. Прямоугольный ДРА помещен внутри длинной тефлоновой трубки и возбуждается снизу щелевой апертурой. Использование DRA усиливает электромагнитную связь между микрополосковой линией и диэлектрическим стержнем, сводя к минимуму обратное излучение антенны. Ключевое различие между этим методом и питанием через щелевую апертуру заключается в нашей способности оптимизировать уровни боковых и задних лепестков диаграммы направленности.