Un nuovo metodo di alimentazione planare dell'antenna ad asta dielettrica utilizzando un risonatore dielettrico

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9242 (2023) Citare questo articolo

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Questo articolo propone un nuovo metodo per eccitare le onde superficiali nelle antenne ad asta dielettriche utilizzando antenne a risonatore dielettrico. Il metodo prevede l'alloggiamento di un'antenna risonante dielettrica rettangolare con una costante dielettrica di 10,2 all'interno di un'antenna ad asta dielettrica cilindrica cava in Teflon. Eccitando i modi \({TE}_{111}^{y}\) e \({TE}_{113}^{y}\) dell'antenna del risonatore dielettrico, un'onda di superficie può essere lanciata lungo il Teflon tubo. Questo metodo offre il vantaggio di integrare l'antenna ad asta dielettrica con circuiti planari, dove è auspicabile la massima radiazione nella direzione normale alla scheda. Rispetto ad altri metodi di alimentazione planare, questa tecnica porta a livelli del lobo posteriore inferiore e del lobo laterale. Ho fabbricato la struttura proposta e condotto test per misurarne le prestazioni. I risultati misurati mostrano una larghezza di banda di impedenza del 22% da 7,35 a 9,4 GHz e un guadagno massimo di 14 dB. Inoltre, l'efficienza di radiazione simulata dell'antenna proposta nell'intera banda è superiore al 90%.

Le antenne ad asta dielettrica sono ottimi candidati per l'uso nella banda delle onde millimetriche grazie alla loro ampia larghezza di banda di impedenza, guadagno elevato, diagramma di radiazione stabile ed elevata efficienza di radiazione1,2,3. L'uso minimo di metallo nella struttura dell'antenna contribuisce alla sua elevata efficienza di radiazione. Alle basse frequenze queste antenne vengono utilizzate come sistemi di alimentazione per antenne a riflettore4, mentre nella gamma delle onde millimetriche sono direttamente integrate con i circuiti. Sono stati condotti numerosi studi teorici e sperimentali per comprendere il meccanismo di funzionamento e prevedere le proprietà di radiazione di queste antenne5,6. Grazie alle loro numerose caratteristiche positive nelle bande di frequenza delle microonde e delle onde millimetriche, sono diventati ampiamente utilizzati in varie applicazioni di telecomunicazione7,8,9,10. Recentemente sono state introdotte come antenne efficienti in banda terahertz e ottica per comunicazioni di interconnessione su chip tra elementi di circuiti integrati11,12,13,14. Tuttavia, integrarli con circuiti planari è una sfida poiché per eccitare questa antenna è necessaria una struttura di guida d'onda non planare.

Le antenne ad asta dielettriche possono essere eccitate in vari modi, con strutture sia planari che non planari. Ad esempio, in 15, è stata utilizzata una guida d'onda elettromagnetica trasversale rastremata a doppio filo a forma di V per alimentare l'antenna ad asta dielettrica. Sebbene questa struttura di alimentazione abbia creato un'ampia larghezza di banda di impedenza, non ha la capacità di integrarsi in strutture planari. In un altro studio16, per eccitare l'antenna a stelo dielettrico sono stati utilizzati una guida d'onda metallica quadrata e un corno conico. Inoltre, sono state impiegate due transizioni perpendicolari da microstriscia a guida d'onda per eccitare la guida d'onda, determinando l'eccitazione di due modalità ortogonali nella guida d'onda. In letteratura si possono trovare molti altri lavori in cui l'eccitazione delle barre dielettriche è stata effettuata con guide d'onda metalliche o altre reti di alimentazione non planari; tuttavia, non vengono qui esaminati per brevità17,18,19,20,21,22,23.

In alcune applicazioni, come le stazioni base a onde millimetriche e i radar automobilistici, è necessaria una struttura di alimentazione planare per eccitare l'antenna. Questo metodo consente una disposizione più semplice dell'antenna ad asta dielettrica. Ad esempio, nel caso 24, gli autori hanno alimentato l'antenna utilizzando un'apertura a fessura ripiegata nel piano terra. Tuttavia, questo metodo ha un'applicazione limitata a causa del lobo posteriore nel diagramma di radiazione. In questo articolo confronteremo questo metodo di alimentazione con il metodo da noi proposto. Anche altri lavori simili hanno utilizzato l'eccitazione degli slot25. Esistono metodi alternativi di alimentazione planare che determinano un modello di radiazione end-fire26,27,28.

Nel nostro lavoro, introduciamo un nuovo approccio in cui un'antenna risonante dielettrica (DRA) viene utilizzata per alimentare per la prima volta l'antenna ad asta dielettrica. Un DRA rettangolare è posto all'interno di un lungo tubo di Teflon ed eccitato dal basso tramite un'apertura a fessura. L'uso del DRA migliora l'accoppiamento elettromagnetico dalla linea a microstriscia all'asta dielettrica riducendo al minimo la radiazione posteriore dell'antenna. La differenza fondamentale tra questo metodo e l'alimentazione tramite apertura della fessura risiede nella nostra capacità di ottimizzare i livelli dei lobi laterali e dei lobi posteriori del diagramma di radiazione.