一个快速几何Optics-Based为介质杆天线设计方法

文摘

一个简单而有效的绝缘拉杆天线设计方法提出了基于几何光学和模态分析。太赫兹的锥形天线微波可以容易的设计方程提出了。天线的半径取决于所需的行波模式内的天线。天线内的字段包含的基本模式和第二模式。end-fire操作,只有最基本的模式。天线的长度设计基于几何光学理论,这样大部分的行波将被转换成辐射场对输出平面上,避免在天线反射。这样的天线可以实现宽的带宽。增益随天线的长度只要直径和长度满足给定的条件。与高增益的天线设计的例子和宽的带宽。130 GHz矩形天线的测量结果与4的长度λ显示60 GHz的带宽和12 dB的增益。

1。介绍

介质棒天线已经多年的研究和发展。通常有两种介质杆天线的形状。一个是长方形的杆,另一个是圆柱杆。矩形天线81.5 GHz的频率范围,30兆赫,和150 GHz,分别在1- - - - - -3]。部分金属化矩形拉杆天线中描述(4]。圆柱形金属波导内拉杆天线设计和模拟(5]。宽的带宽圆柱杆天线也提出了(6,7]。但是并没有明确的方程的设计高增益天线和宽阔的带宽。在[8),作者使用简单的公式来设计矩形杆天线基于介电材料。不同的天线长度测量和比较。虽然是预期收益将增加长度,天线的增益长度不高于天线。在[6,7),即使带宽是宽,收益很低,设计方法没有被描述。介质谐振器天线(DRA)也已被研究多年,但其收益低于介质棒天线由于非旅游半径标注模式的性质。

在本文中,首次使用了几何光学设计介质杆天线。使用该方法,大部分功率行波中包含辐射通过拉杆天线的输出平面反射功率最小化。天线内的传播模式的基本模式和第二模式,和end-fire操作的基本模式是兴奋。准确的设计方程基于这些原则。随后从这些方程可以获得设计参数验证了一个严格的电磁(EM)仿真软件,如基于。表明,只有小微调/优化是必要的。这种方法后,介质杆天线设计将是快速和简单的演示的设计例子。此外,130 GHz矩形天线制造和测量。模拟和测量结果显示宽60 GHz和12 dB的增益带宽。需要强调,与该电介质天线设计方法(微波太赫兹)与极端的带宽很容易设计。

2。锥形介电杆天线的设计

2.1。提要设计

可以美联储由波导和介质天线只是放在顶部的波导。圆柱杆天线,波导可以是矩形波导或圆形。对于矩形天线,应该矩形波导。波导尺寸可以一样的飞机或底部与频率。在我们的设计中,波导尺寸,对应于频率大于底部平面。因此衬底制造相同的介质材料添加天线。

2.2。圆柱杆天线的设计

圆柱形介质波导non-TEM模式的支持。一个圆柱形介质波导的基本模式,他₁₁截止频率为零。第二个模式,TE₀₁和TM₀₁归一化截止频率。第三种模式,他₂₁归一化截止频率。

锥形圆柱绝缘拉杆天线的结构如图1(一)。底部半径是,上面的半径和天线的长度。

提出了只有单模传播在杆天线(7,8),但收益很低。为了提高获得并保持宽的带宽,底部半径目的是支持基本和第二模式,和上半径只支持的基本模式。

quasi-travelling天线,杆的长度通常应大于一个波长的介电材料。

循环介质波导截止频率,,除了基本模式(9] 在哪里光速和吗是介电常数。如果天线是由基本和第二模式,底部半径应该是

如果上面的部分只支持基本模式,上层半径应该是

天线的截面图所示2。假设入射波角度,、平行于径向和锥形天线的角度如图2。总在电介质的界面会发生反射,在那里是关键的角度:

在这里空气的介电常数和吗的介电常数是天线。

为了避免共振的天线,尝试要确保所有的单独反射线字段将通过上部平面传播(小费)天线的辐射应该小于临界角。如果总传输的天线,天线会有更高的效率和收益。

从图2,我们获得

从(4)和(5),长度之间的关系和半径和应该是

然而,根据平面波射线理论,只有在波事件在布儒斯特角和极化入射平面平行,总传输将会发生。圆柱介质天线这种情况是不可能的,因为他基地模式₁₁,其中包括垂直地极化波组件。尽管如此,(6)和(7)可以作为精确的设计指导方针,将一些设计的例子所示。

此外,适当的半径的设计上可以增加带宽和增益高。上层半径应该足够小,抑制第二模式,因此只有基本模式₁₁能达到最后的天线。

一般来说,增加长度将提高增益。然而,如果条件(6)和(7)不满意,增加将导致收益减少。

2.3。矩形拉杆天线的设计

锥形矩形介质拉杆天线的结构如图1 (b)。底部直径是和,顶部直径和和天线的长度。

对于矩形介质拉杆天线,底部尺寸应满足以下条件(10]: 在哪里是天线的中心频率。

顶部尺寸应满足以下条件:

当飞机底部和顶部平面矩形,尺寸计算使用(8)和(9)。

减少上面的尺寸或可以增加带宽和转变频段由于截止频率降低(10]。增加底部直径或将频带下;相反,减少底部直径将使频带转变。

因为截止频率是由近似边界条件,基于天线尺寸可以调整(8)和(9)。

底部的关系维度,尺寸,和类似于圆柱形天线长度如下所示:

3所示。天线设计的例子和讨论

3.1。设计描述

设计的例子圆柱和矩形杆天线从毫米波太赫兹将在本节。以下是使用基于执行所有模拟。介电常数的介电材料是硅。

数据3和4显示仿真结果的一个矩形天线中心频率为32 GHz。

根据(8),(9)和(10),尺寸毫米,毫米,。仿真结果表明,可以获得只有7.3 dB的增益天线长度,带宽是18 GHz回波损耗dB。

数据5和6显示一个矩形的仿真结果太赫兹天线中心频率为1。

根据(8),(9)和(10),尺寸毫米,毫米,。仿真结果表明,可以获得宽带增益为12.5 dB从3λ天线的长度。

收益将增加随着长度的增加,如果直径和长度满足在前一节中给出的条件。对矩形拉杆天线GHz,如果飞机底部和顶部平面都是方形的毫米,毫米,远场模式与不同长度如图7。在图7的长度嗯,天线增益为11.2分贝。增加到16.6 dB的增益毫米和20.6 dB毫米。所有的三个天线的宽的带宽。

矩形拉杆天线,直径可调稍微不同的计算值。然而如果尺寸太大或太小,天线增益和带宽将减少。作为一个例子,不同的设计结果100 GHz天线数据所示8和9。

100 GHz天线,根据(7)和(9),直径

当我们选择底部直径毫米,顶部直径毫米,长度毫米= 1.3λ,增益为9.8 dB,带宽是55 GHz如图8和9。

与相同的尺寸和相同的长度,如果尺寸是底部毫米,这是太大的计算值相比,0.579毫米,天线增益只有6.2 dB和带宽很窄。显著减少天线的尺寸也有类似的效果。如果减少到0.35毫米为矩形底部,即使有吗增加到1毫米,天线增益只有3.5 dB很窄带宽如图8和9。

3.2。制造和测量

一个矩形拉杆天线设计和制造。中心频率为130兆赫,介质也是硅。底部平面广场,。

从(8),底宽0.3158毫米<< 0.4464毫米。从(9),我们获得0.1119毫米<< 0.3158毫米。

天线的长度毫米(4λ)。因为模态方程近似,天线尺寸源于(8),(9)和(10)是略有调整。优化后的尺寸是毫米,毫米,如图10。

底平面的大小小于金属波导。为了测量天线基座由同一介质添加,如图10。底座长度不影响结果。为了便于测量,底座长度为10毫米。底座厚度是0.2毫米,宽度是0.5毫米。

激光机器是用于切割硅片制造天线。天线放置在顶部的波导测量。天线和硅波导的照片如图11。

天线是附着在金属矩形波导使用粘带,如图11。波导尺寸如图11是1.7毫米×0.83毫米,由此产生的TE吗₁₀模式的截止频率为90.85 GHz。这种波导的工作频率范围从110兆赫到170兆赫。

占主导地位的电场资料的金属矩形波导和矩形介质波导在图所示12。TE₁₀金属波导的模式转换成矩形介质。显示在图12,适合激发矩形波导天线,因为电场的两个组件是面向大约在同一方向。

模拟和测量结果的回波损耗和天线模式数据所示13和14,分别。

回波损耗测量匹配与仿真如图13。模拟回波损耗−54.5 dB在中心频率130兆赫。最低的回波损耗测量−51.2 dB 133 GHz。从110兆赫到170兆赫,回波损耗小于−10 dB。天线的带宽和中心频率GHz大于60 GHz (dB)如图13,这是接近50%的中心频率。模拟和测量之间的差异是由于制造公差,为如此高的频率有较大的影响。

获得测量曲线匹配与仿真曲线在图14。模拟增益为12.85 dB,沿着天线孔径测量增益为12.25 dB的方向。

注意天线的长度在本例中选择相对较短的易于制造。事实上的增加可以增加长度的增加,只要条件(6)和(7)或(10)感到满意。

4所示。结论

锥形棒介质天线的带宽是显著改善优化结合天线内的传播模式。通过各种方式组合的比较,我们得出最优组合是基本和第二模式里面,只有end-fire的基本模式。可以随后天线半径计算满足这个条件。

首次使用几何光学的近似分析中的电磁波传播天线。简单、准确设计方程为介质杆天线的设计开发。设计的方法是容易跟随。操作的依赖性带宽,中心频率,获得描述了设计参数。模拟和测量的结果数量的毫米波太赫兹杆天线增益高和宽的带宽证明该设计方法的有效性。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由自然科学和工程研究理事会(NSERC)和加拿大的黑莓(RIM)。

引用

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