Um novo método de alimentação planar de antena de haste dielétrica usando ressonador dielétrico

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 9242 (2023) Citar este artigo

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Este artigo propõe um novo método para excitar ondas de superfície em antenas de haste dielétrica usando antenas ressonadoras dielétricas. O método envolve o alojamento de uma antena ressonadora dielétrica retangular com uma constante dielétrica de 10,2 dentro de uma antena de haste dielétrica cilíndrica oca feita de Teflon. Ao excitar os modos \({TE}_{111}^{y}\) e \({TE}_{113}^{y}\) da antena do ressonador dielétrico, uma onda de superfície pode ser lançada ao longo do Teflon tubo. Este método oferece a vantagem de integrar a antena de haste dielétrica com circuitos planares, onde a radiação máxima na direção normal à placa é desejável. Em comparação com outros métodos de alimentação planar, esta técnica leva a níveis mais baixos de lóbulo traseiro e lóbulo lateral. Fabricei a estrutura proposta e realizei testes para medir seu desempenho. Os resultados medidos mostram uma largura de banda de impedância de 22% de 7,35 a 9,4 GHz e um ganho máximo de 14 dB. Além disso, a eficiência de radiação simulada da antena proposta em toda a banda é superior a 90%.

As antenas de haste dielétrica são excelentes candidatas para uso na banda de ondas milimétricas devido à sua ampla largura de banda de impedância, alto ganho, padrão de radiação estável e alta eficiência de radiação1,2,3. O uso mínimo de metal na estrutura da antena contribui para sua alta eficiência de radiação. Em baixas frequências, essas antenas são usadas como sistemas de alimentação para antenas refletoras4, enquanto na faixa de onda milimétrica, elas são integradas diretamente aos circuitos. Numerosos estudos teóricos e experimentais foram conduzidos para entender o mecanismo de trabalho e prever as propriedades de radiação dessas antenas5,6. Devido às suas muitas características positivas nas bandas de frequência de microondas e ondas milimétricas, eles se tornaram amplamente utilizados em várias aplicações de telecomunicações7,8,9,10. Recentemente, eles foram introduzidos como antenas eficientes em terahertz e bandas ópticas para comunicações de interconexão on-chip entre elementos de circuitos integrados11,12,13,14. No entanto, integrá-los com circuitos planares é um desafio, uma vez que uma estrutura de guia de ondas não planar é necessária para excitar esta antena.

As antenas de haste dielétrica podem ser excitadas de várias maneiras, com estruturas planas e não planas. Por exemplo, in15, um guia de ondas eletromagnéticas transversais cônicas de fio duplo em forma de V foi utilizado para alimentar a antena de haste dielétrica. Embora esta estrutura de alimentação tenha criado uma ampla largura de banda de impedância, falta-lhe a capacidade de se integrar em estruturas planares. Em outro estudo16, um guia de ondas de metal quadrado e uma corneta cônica foram usados ​​para excitar a antena de haste dielétrica. Além disso, duas transições microstrip para guia de ondas perpendiculares foram empregadas para excitar o guia de ondas, resultando na excitação de dois modos ortogonais no guia de ondas. Vários outros trabalhos podem ser encontrados na literatura onde a excitação de haste dielétrica foi feita com guias de onda metálicos ou outras redes de alimentação não planares; no entanto, eles não são revisados ​​aqui para brevidade17,18,19,20,21,22,23.

Em certas aplicações, como estações base de ondas milimétricas e radar automotivo, uma estrutura de alimentação planar é necessária para excitar a antena. Este método permite um arranjo mais fácil da antena de haste dielétrica. Por exemplo, em 24, os autores alimentaram a antena usando uma abertura de fenda dobrada no plano de terra. No entanto, este método tem aplicação limitada devido ao lóbulo traseiro no padrão de radiação. Neste artigo, compararemos este método de alimentação com nosso método proposto. Outros trabalhos semelhantes também utilizaram excitação de slot25. Existem métodos alternativos de alimentação planar que resultam em um padrão de radiação de fogo final26,27,28.

Em nosso trabalho, introduzimos uma nova abordagem onde uma antena ressonadora dielétrica (DRA) é usada para alimentar a antena de haste dielétrica pela primeira vez. Um DRA retangular é colocado dentro de um longo tubo de Teflon e excitado por baixo por uma abertura de fenda. O uso de DRA melhora o acoplamento eletromagnético da linha microstrip para a haste dielétrica, minimizando a radiação de volta da antena. A principal diferença entre este método e a alimentação por abertura de slot está em nossa capacidade de otimizar os níveis dos lóbulos laterais e dos lóbulos traseiros do padrão de radiação.