Круговая поляризация 3D

Dec 23, 2023

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 11838 (2023) Цитировать эту статью

270 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

В этой статье представлена ​​напечатанная на 3D-принтере антенна с цилиндрическим диэлектрическим резонатором, работающая на частоте 5,8 ГГц, которая обеспечивает круговую поляризацию за счет интеграции полностью диэлектрической паразитной спирали с более высокой диэлектрической проницаемостью, чем у цилиндрического резонатора. Поляризация антенны может быть правосторонней или левосторонней в зависимости от направления поворота спирали. Для конструкции спирали было проведено обширное параметрическое исследование, чтобы оценить влияние размеров и диэлектрической проницаемости спирали на согласование и осевое соотношение антенны. Производство осуществляется с использованием диэлектрических нитей с низкими потерями и недорогого 3D-принтера. Результаты моделирования и измерений показывают, что обе антенны хорошо согласованы и работают с соответствующей круговой поляризацией, а полоса пропускания по осевому соотношению совместима с приложениями БПЛА.

Круговая поляризация (CP) использовалась в самых разных приложениях беспроводной связи, таких как спутниковая связь и беспилотные транспортные средства1, благодаря своим многочисленным преимуществам. Например, при использовании CP можно уменьшить разброс задержки, обеспечив более высокие уровни принимаемой мощности2, и эта поляризация имеет более высокую устойчивость к многолучевым помехам3,4. В литературе можно найти различные методы получения антенн с круговой поляризацией, которые в основном основаны на модификации излучающей структуры или питающей сети антенны5,6.

В перспективе реализации CP-антенн также можно встретить антенны с диэлектрическим резонатором с круговой поляризацией (ДРА), которые могут быть интересными кандидатами для упомянутых приложений благодаря своей универсальности с точки зрения формы, диаграммы направленности и возможностей реализации. Тем не менее, использование DRA может быть ограничено при проектировании сложных форм, если используются традиционные технологии производства диэлектриков, что приводит к более высоким затратам7. Одной из технологий, которая может решить эту проблему, является их внедрение с использованием аддитивного производства.

Аддитивное производство или 3D-печать подходит для многих применений в технике8, включая высокочастотные топологии9, благодаря наличию недорогих диэлектрических нитей с низкими потерями и высокоточных 3D-принтеров. Это позволило реализовать топологии с формами, которые были либо слишком дорогими, либо невозможно реализовать без этой технологии10. Некоторые примеры реализации DRA с использованием 3D-печати можно найти в литературе, например, структуры с высоким коэффициентом усиления11, многокольцевые структуры12, а также в документе конференции, содержащем предварительную работу над представленной здесь конструкцией13.

Антенна, представленная в этой статье, состоит из проектирования, параметрического исследования, модального анализа, реализации и измерений антенны с цилиндрическим диэлектрическим резонатором (DRA), работающей на частоте 5,8 ГГц, в которой используется паразитная диэлектрическая спираль с высокой диэлектрической проницаемостью для достижения круговой поляризации. Направление поворота спирали определяет направление поляризации: правую (RHCP) или левую круговую поляризацию (LHCP).

Предлагаемый CDRA со спиралью и питающей структурой. (а) Вид сбоку (б) Вид сверху (в) Диэлектрическая спиральная структура для LHCP и RHCP.

Предлагаемая антенна представлена ​​на рис. 1. Она состоит из двух диэлектрических структур: цилиндрической антенны диэлектрического резонатора (ЦДРА) и паразитной диэлектрической спирали, размещенной вокруг ЦДРА. Во-первых, размеры CDRA рассчитаны на резонансную частоту \(f_0\) 5,8 ГГц, возбуждающую режим HEM\(_{11\Delta }\)14,15, с использованием щелевого канала связи7, определяемого уравнением. (1):

где c — скорость света, \(r_{DRA}\) — радиус DRA (\(d_{DRA}/2\)) и \(h_{DRA}\) — высота DRA. Форм-фактор, выбранный для этого DRA, дает размеры радиоприемника \(r_{DRA}=9\) мм и высоту \(h_{DRA}=16\) мм с использованием материала с относительной диэлектрической проницаемостью \(\varepsilon _{r2}=9\). На рис. 2 показаны смоделированная \(|S_{11}|\) спроектированного CDRA и смоделированная диаграмма направленности для обеих плоскостей на частоте 5,8 ГГц. Мы видим, что CDRA имеет максимальное усиление около 6 дБи, при этом он хорошо согласован на расчетной частоте.