誘電体共振器を用いた誘電体ロッドアンテナの新しい平面給電方式

Scientific Reports volume 13、記事番号: 9242 (2023) この記事を引用

メトリクスの詳細

この記事では、誘電体共振器アンテナを使用して誘電体ロッドアンテナに表面波を励起する新しい方法を提案します。この方法では、誘電率 10.2 の長方形の誘電体共振器アンテナをテフロン製の中空円筒誘電体ロッドアンテナの内側に収納します。誘電体共振器アンテナの \({TE}_{111}^{y}\) モードと \({TE}_{113}^{y}\) モードを励起すると、テフロンに沿って表面波を発射できます。チューブ。この方法には、誘電体ロッドアンテナを平面回路と統合するという利点があり、基板に垂直な方向への最大の放射が望まれます。他の平面栄養法と比較して、この技術ではバックローブとサイドローブのレベルが低くなります。提案した構造を作製し、その性能を測定するための試験を実施しました。測定結果は、7.35 ～ 9.4 GHz で 22% のインピーダンス帯域幅と 14 dB の最大ゲインを示しています。さらに、提案されたアンテナの全帯域におけるシミュレートされた放射効率は 90% 以上です。

誘電体ロッドアンテナは、その広いインピーダンス帯域幅、高利得、安定した放射パターン、および高い放射効率により、ミリ波帯で使用するための優れた候補です1、2、3。アンテナ構造における金属の使用を最小限に抑えることで、高い放射効率が実現します。低周波では、これらのアンテナは反射アンテナ 4 の給電システムとして使用され、ミリ波帯では回路と直接統合されます。これらのアンテナの動作メカニズムを理解し、放射特性を予測するために、数多くの理論的および実験的研究が行われてきました5、6。マイクロ波とミリ波の両方の周波数帯域で多くの優れた特徴があるため、さまざまな電気通信アプリケーションで広く使用されています7、8、9、10。最近、集積回路素子間のオンチップ相互接続通信用のテラヘルツ帯域および光帯域の効率的なアンテナとして導入されています11、12、13、14。ただし、このアンテナを励振するには非平面導波路構造が必要なため、これらを平面回路と統合することは困難です。

誘電体ロッドアンテナは、平面構造と非平面構造の両方で、さまざまな方法で励起できます。たとえば、15 では、V 字型のツインワイヤテーパ付き横方向電磁導波管が誘電体ロッドアンテナに給電するために利用されています。この給電構造は広いインピーダンス帯域幅を生み出しますが、平面構造に統合する能力に欠けています。別の研究 16 では、誘電体ロッドアンテナを励起するために正方形の金属導波管と円錐形のホーンが使用されました。さらに、導波管を励起するために 2 つの垂直なマイクロストリップから導波管への遷移が採用され、導波管内で 2 つの直交モードが励起されました。金属導波管または他の非平面給電ネットワークを使用して誘電体ロッドの励起が行われた他のいくつかの研究が文献で見つかります。ただし、簡潔にするため、ここではレビューしません17、18、19、20、21、22、23。

ミリ波基地局や自動車レーダーなどの特定の用途では、アンテナを励起するために平面給電構造が必要です。この方法により、誘電体ロッドアンテナの配列が容易になります。たとえば、24 では、著者らはグランドプレーンの折り返しスロットアパーチャを使用してアンテナに給電しました。ただし、この方法は放射パターンのバックローブにより適用が制限されます。本稿では、この給餌方法と私たちが提案する給餌方法を比較します。他の同様の作品でもスロット励起が使用されています25。エンドファイア放射パターンをもたらす代替の平面給電方法もあります26、27、28。

私たちの研究では、誘電体共振器アンテナ (DRA) を使用して誘電体ロッドアンテナに給電する新しいアプローチを初めて導入しました。長方形の DRA が長いテフロンチューブの内側に配置され、スロット開口部によって下から励起されます。 DRA を使用すると、アンテナの後方放射を最小限に抑えながら、マイクロストリップラインから誘電体ロッドへの電磁結合が強化されます。この方法とスロット開口による給電の主な違いは、放射パターンのサイドローブとバックローブのレベルを最適化できるかどうかにあります。

この文書は次のように構成されています。「アンテナ構成」では、アンテナ構成が示されています。「パラメトリック調査」ではパラメトリック調査を行います。「スロット給電誘電体ロッドとの比較」では、提案された給電方法と以前に報告されたスロット励振方法とを比較します。「測定結果」では、提案アンテナの測定結果とシミュレーション結果を比較します。最後に、「結論」では論文の結論が示されます。

図 1 は、提案された誘電体共振器給電誘電体ロッドアンテナの形状を示しています。見てわかるように、\(a_{DRA} \times a_{DRA} \times h_{DRA}\) の寸法を持つ長方形の DRA が、誘電体ロッドの役割を果たす長いテフロンチューブの中に収容されています。テフロンチューブの内径、外径、高さはそれぞれ \(d_{in}\)、\(d_{out}\)、\(h_{ROD}\) となります。寸法 \(l_{s} \times w_{s}\) のスロット開口部が、\(L_{g} \times L_{g}\) のサイズでグランドプレーンに刻まれます。スロット開口部は、マイクロストリップ給電線によって下から励起され、線からの電力を DRA に結合するために使用されます。マイクロストリップラインは、厚さ 0.508 mm、誘電率 3.55 の RO 4003 基板上に印刷されています。 DRA は、誘電率 10.2、損失正接 0.0023 の Rogers 6010 誘電体材料を使用して製造されています。

提案されたアンテナの形状、(a) 3D ビュー、(b) 上面図。

アンテナの動作周波数帯域は、DRA とスロットモードによって決まります。 DRA 共振周波数を決定するには、テフロンチューブが DRA から離れているため、テフロンチューブが DRA 共振周波数に大きな影響を与えないと仮定できます。したがって、DRA の共振周波数を計算するには、よく知られている誘電体導波管法 29,30 を使用して、方形 DRA の共振周波数を計算できます。 DRA で \(TE_{111}^{y}\) モードを 8 GHz の周波数で励起するには、DRA の寸法は aDRA = 7.1 mm および hDRA = 19.3 mm として得られます。すべてのアンテナパラメーターは、最高のゲイン、サイドローブレベル、帯域幅、バックローブレベルを達成するために最適化されています。これらのパラメーターの最適化された値を表 1 に示します。シミュレーションは CST MW Studio 2022 を使用して実行されます。

図 2a は、提案されたアンテナのシミュレートされた反射係数を示しています。反射係数曲線には 3 つの共振が見られます。これらは DRA モードとスロットモードの共振から生じます。また、この図に示すアンテナ利得図から、DRA モードの共振に関係する周波数範囲で 13 dB 以上の利得が得られていることがわかります。図 2b は、SLL と前後比 (F/B) の図を示しています。これは、7.5 ～ 9.5 GHz の周波数範囲でこのアンテナが良好なパフォーマンスを示していることを示しています。特に、F/B 比が非常に優れていることがわかります。これは、放射パターンのバックローブレベルが大幅に減少していることを示しています。

提案アンテナのシミュレーション結果、(a) 提案アンテナの反射係数と利得、(b) XoZ 面と YoZ 面のサイドローブレベル、および前後比。

アンテナのパラメトリック研究を行う前に、反射係数図の最小値に関連する 3 つの周波数点で電界分布をプロットして、どの周波数が DRA およびスロットモードの共振に関連しているかを判断しましょう。

図3aに示すように、反射係数図の最初の最小値に対応する周波数、つまり7.1 GHzでは、スロット周囲の電場の大きさが強く、モードの共振がスロットモードに関連していることを示しています。。また、図の 2 番目と 3 番目の最小周波数、つまり 8.3 GHz と 8.8 GHz では、図 3b、c に示す電界分布は \(TE_{111}^{y}\) と \(TE_{113 }^{y}\) DRA のモード。

提案されたアンテナのシミュレーションされた電界分布、(a) 7.6 GHz、(b) 8.3 GHz、(c) 8.8 GHz。

共振の起源がわかったので、これらの図からわかるもう 1 つのことは、テフロンチューブ内の表面波の励起です。図3b、cを図3aと比較すると、共振源がDRAモードである場合、管内の励起波がより強力であることが理解できます。 DRAが波を引き上げる原因になっているようです。

このセクションには、誘電体共振器の高さと幅、誘電体ロッドの高さと直径の変化によるアンテナの動作のパラメトリック研究が含まれています。まず、DR 高さがアンテナ特性に及ぼす影響を調査しました。図4aでは、DR高さの変化に伴って、反射係数曲線内の2つの上部最小値の位置が変化する一方、最初の最小値の位置は大きく変化していないことがわかります。これは、最初の共振が発生していないことを示しています。 DRA モードに関係しますが、スロットモードに関係します。

DRA 高さのさまざまな値、\(h_{DRA}\)、(a) 反射係数、(b) ゲイン、(c) 前後比、(d) サイドローブレベルのさまざまな値に対する提案アンテナのシミュレーション結果XoZ平面内、(e)YoZ平面内のサイドローブレベル。

図 4b ～図 4e は、17.3 ～ 21.3 mm の間の hDRA のゲイン、前後比、サイドローブレベルの変化を示しています。可能な限り最良の選択は h = 19.3 mm であることに注意してください。また、DRA が共振する周波数範囲、つまり動作帯域の上部で、XoZ 平面と YoZ 平面の両方、ゲインと前後比で最良の SLL が得られることがわかります。実際、前述したように、これは単一スロットの代わりに誘電体ロッドを励起するために DR を使用する利点です。図 5 に提案アンテナの出力結果に対する DR 長の影響を示す。 DR の長さを変更すると、曲線の上の 2 つの最小値の位置が変わります。 DR の長さを長くすると、これら 2 つの点の周波数が低下します。これは、DR アンテナの TE111 および TE113 モードの共振周波数の変化によって起こります。また、スロットの共鳴に関連する曲線の最初の最小値の位置は変化せず、そのレベルのみが変化します。 XoZ 平面と YoZ 平面のゲイン、前後比、サイドローブレベルのグラフを示す図 5b ～ e から、これらの結果の間で妥協するには、DR 長は 7.1 mm である必要があることが理解できます。

DRA 長のさまざまな値に対する提案されたアンテナのシミュレーション結果、\(a_{DRA}\)、(a) 反射係数、(b) ゲイン、(c) 前後比、(d) サイドローブレベルXoZ平面内、(e)YoZ平面内のサイドローブレベル。

ロッド高さの変化に伴うアンテナの反射係数、利得、前後比、サイドローブレベルの変化を図6に示します。図6aから、アンテナの帯域幅が変化していないことがわかります。大幅。これは、動作帯域内の 3 つの共振が DR モードとスロットモードに由来するためです。しかし、図 6b ～図 6e から、ロッドの高さがアンテナの遠距離場の結果に大きな影響を及ぼし、hRod = 74 mm でこれらの出力間の適切な妥協点に達することが明らかです。図6cに示すように、ロッドの高さを変更すると、前後比（F/B）ピークの周波数位置に大きな影響があります。ただし、|S11| の位置は変わらないまま。これは、ロッドの存在により、F/B ピークの周波数位置が |S11| と一致しないことを示します。この図の F/B 曲線は、ロッドの高さが 78 mm まで増加すると、7.5、8.5、および 9.8 GHz の周波数で 3 つのピークが F/B 曲線に現れることも示しています。これらのピークは、スロットの共振と DRA モードの 2 つの共振に対応します。

誘電体ロッドの高さ \(h_{Rod}\)、(a) 反射係数、(b) ゲイン、(c) 前後比、(d) サイドローブのさまざまな値に対する提案されたアンテナのシミュレーション結果XoZ 平面のレベル、(e) YoZ 平面のサイドローブレベル。

このセクションでは、DR に結合された誘電体ロッドアンテナとスロット開口に結合された誘電体ロッドアンテナのシミュレーション結果の比較について説明します。図 7 は、これら 2 つのアンテナの反射係数、ゲイン、前後比、および SLL の比較を示しています。 DRA 結合アンテナの優位性は、これらすべての曲線で明らかです。

DRに結合した誘電体ロッドアンテナとスロット開口に結合したロッドアンテナのシミュレーション結果の比較、(a)反射係数、(b)利得、(c)前後比、(d)XoZ面でのサイドローブレベル、 (e) YoZ 平面のサイドローブレベル。

この優位性の理由を説明するために、2 つのアンテナの電界分布を図 8 に示します。これは、スロット給電管と比較して、DRA 給電テフロン管への電界の強い結合を示しています。実際、DRA は、上向きと下向きの両方に比較的均等な放射を持つ傾向があるスロットに比べて、波を上向きに向けます。

2 つの異なる給電方法による誘電体ロッドアンテナの電界分布 (a) 8.4 GHz で DR に結合、(b) 7.35 GHz でスロットアパーチャに結合。

ポートとアンテナの間で伝送される電力は、ポートのタイプと誘電体ロッドアンテナに対する相対的な位置によって影響されます。これらの値を決定するには通常、数値的手法が必要ですが、ロッドのモードの場の分布を理解し、ローレンツの相反性定理を使用することで、貴重な洞察が得られます。ソースは、ロッドに結合するときの電流または磁流として表すことができ、相反性定理を適切な境界条件とともに使用して、ソースとロッドの場の間の結合量 χ を決定できます。電気源と磁気源の結合量は、次の式 31 で計算できます。

ここで、Js と Ms はそれぞれ電流源と磁流源を表し、EROD と HROD は誘電体ロッド内の電場と磁場を指します。 V は、電流源および/または磁気電流源が存在する容積を表します。

式によると、 (1) 電流源との強い結合を実現するには、ロッド内の強い電界がある領域に電流源を配置する必要があります。逆に、式。 (2) は、磁流源 (ループやアパーチャなど) との強い結合を達成するには、磁場が強い領域に磁流源を配置する必要があると述べています。これら 2 つの方程式では、ロッドフィールドと相互作用するソースの体積を表す V の体積が大きくなるほど、結合量も大きくなることが明らかです。

開口スロットは磁流源と考えることができます。また、DRA の壁に磁流源を使用して DRA をモデル化できることも実証されています。等価原理でモデル化すると壁にも電流が存在しますが、その範囲は等価磁流に比べて小さいため無視できます32,33。図 9 は、誘電体ロッド内の DRA とスロットの簡略化したモデルを示しています。 DRA の磁気等価電流が誘電体ロッドの磁場と相互作用する体積は、スロットの磁流が関与する体積よりも大きいことが観察できます。その結果、Eq. (1) と (2) は、DRA からロッドへの波の結合量が、スロットからロッドへの結合量よりも大きいことを示しています。

誘電体ロッド内の磁流源としてのスロットと DRA の単純なモデリング、(a) 誘電体ロッド内の進行波の磁場、(b) 磁流源としてのスロット開口部、(c) DRA の壁上の等価磁流密度。

シミュレーション結果を確認するために、図 10 に示すように、DRA を給電した誘電体ロッドアンテナのプロトタイプが製作されました。このアンテナは、テヘランの KNTU 大学のアンテナ研究室でテストされました。アンテナの反射係数の測定には、HEWLETT-PACKARD 8410C NETWORK ANALYZER が使用されました。テストには、7 ～ 11 GHz の周波数帯域をカバーする標準の WR-102 ホーンアンテナが使用されました。シミュレーションと測定から得られた反射係数の結果を図 11 に示します。周波数 7.45 から 9.3 GHz までのインピーダンス帯域幅は 22% です。製造誤差や測定誤差が原因で、シミュレーション結果と測定結果の間には多少の誤差が生じます。測定誤差は、テスト対象のアンテナの周囲にある電源ケーブルやその他のデバイスの存在によって発生します。

提案した誘電体ロッドアンテナの試作品を作製した。

提案されたアンテナのシミュレーションおよび測定された反射係数。

図 12 に、シミュレーションと測定のゲインを示します。見てわかるように、最大ゲインは 14 dB で、帯域全体のゲインは 11 dB よりも高くなります。測定結果とシミュレーション結果の間には良好な一致が得られます。ロッドの長さを \(6\lambda_{0}\) まで長くすると、ゲインはこの値よりもさらに大きくなりますが、この記事の目的は、新しい給電方法を証明することです。ロッドアンテナと、\(2\lambda_{0}\) 程度の低い高さの構造が考慮されます。

提案されたアンテナのシミュレーションおよび測定されたゲイン。

図 13 は、XoZ 平面と YoZ 平面の両方における 8 GHz および 9 GHz での提案されたアンテナの放射パターンを示しています。アンテナの放射パターンがボアサイトに向けられており、アンテナのサイドローブレベルが 10 dB 未満であることが観察できます。 20dB以上の異極識別力を実現しています。また、測定結果はシミュレーション結果と比較的良く一致しています。

提案されたアンテナのシミュレーションおよび測定された放射パターン、(a) XoZ 平面の 8 GHz、(b) YoZ 平面の 8 GHz、(c) XoZ 平面の 9 GHz、(d) YoZ 平面の 9 GHz 。

最後に、提案されたアンテナを、同様にブロードサイド放射パターンを示す他の誘電体ロッド構造と比較しました。誘電体ロッドに給電するための誘電体共振器の使用は、ブロードサイドパターンを持つ構造を作成することを目的としていたことに注意することが重要です。これは、主要な放射パターンのローブがグランドプレーンに対して垂直であることを意味します。結果として、この構造をエンドファイア放射パターンを持つサンプルと比較することは適切ではありません。これは、前述したように、アンテナにブロードサイドパターンを持たせると、アンテナの配列が容易になるなど、エンドファイアパターンよりも多くの利点があるためです。ブロードサイドパターンを備えた誘電体ロッドアンテナの報告例はわずかであり、この分野ではまだ研究の余地があります。このアンテナのもう 1 つの利点は、完全に平面的な給電ネットワークです。これにより、これまでの多くの研究では存在していた、誘電体ロッドの最初の部分に金属エンクロージャを設ける必要がなくなりました。

表 2 は、提案されたアンテナと、ブロードサイドパターンを示す以前に報告されたアンテナとの比較を示しています。 24 で発表された研究と比較すると、提案された構造は比較的等しいインピーダンス帯域幅を持っていますが、ゲインは低くなります。この理由の 1 つは、24 で報告されている構造が DRA の 2 × 2 アレイであることです。ただし、表に示すように、24 で発表された作品の長さは、私たちの作品のほぼ 3 倍です。

25 で発表された研究と比較して、私たちが提案した研究は電気的寸法が小さく、利得が高くなります。提案された研究のインピーダンス帯域幅は、25 のインピーダンス帯域幅よりも小さいです。ただし、提案された構造の帯域幅は、広帯域誘電体共振器を使用することで増加できることに注意することが重要です。

作品 34 と作品 35 では、平面スロットとパッチ給電が使用されていますが、導波路で囲まれているため、構造が複雑になります。ただし、表に示すように、work34 のインピーダンス帯域幅は非常に小さく、work35 のインピーダンス帯域幅とゲインも提案された作業よりも低くなります。

この記事では、誘電体ロッドアンテナで表面波を励起するための平面構造を紹介します。この構造により、アンテナ放射パターンのサイドローブとバックローブのレベルを制御できます。この方法は、地面に垂直な指向性パターンが必要な場合にロッドアンテナに給電するのに役立ちます。スロットを使用してロッドを励起する場合と比較して、誘電体共振器を使用すると、放射パターンのバックローブとサイドローブのレベルが低減され、同時により高いインピーダンス帯域幅とゲインも実現されます。提案されたアンテナは製造されており、測定結果はシミュレーション結果を裏付けています。アンテナのインピーダンス帯域幅は 22%、最大ゲインは測定値 14 dB です。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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イラン、コム工科大学電気・コンピュータ工学部

サイード・ファクテ

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転載と許可

Fakhte, S. 誘電体共振器を用いた誘電体ロッドアンテナの新しい平面給電方式。 Sci Rep 13、9242 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-36543-0

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受信日: 2023 年 4 月 23 日

受理日: 2023 年 6 月 6 日

公開日: 2023 年 6 月 7 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36543-0

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