优化介质谐振器天线的性能

2018年 9月 13日

随着 5G 和其他无线毫米波应用的兴起,依赖单极天线、偶极天线和贴片天线的前端天线解决方案有所增加。在这些器件中,由于有损硅衬底材料的影响,辐射效率往往会受损。看一下介质谐振器:使用这些谐振器(由非金属材料制成)的天线具有更高的辐射效率。为了提高高频下的方向性和增益,工程技术人员可以通过仿真优化介质谐振器天线(DRA)设计。

从谐振器到 5G:电介质材料应用的发展

19 世纪晚期,瑞利勋爵发现由电介质(即非导电)材料制成的长棒可以充当波导。科研人员继续研究这些材料相关的电磁现象,但还没有实际应用。

1939 年,美国物理学家 Robert Richtmyer 证明了介质棒也可以作为谐振器。他还证明了这种类型的谐振器辐射是因为电介质材料与空气界面处的边界条件。尽管 Richtmyer 的工作在 DRA 的开发中意义重大,但直到 20 世纪 60 年代,其操作所需的某些材料才随时可用。
拆卸的射频双工器的图片。
5 GHz 范围内已分解的射频双工器,每个滤波器有 2 个介质谐振器波导滤波器和 9 个横向谐振器级。图片由 wdwd 提供,在 CC BY-SA 4.0 许可下使用,通过 Wikimedia Commons 分享。

后来,DRA 被用作微波电路中的滤波器元件。从 20 世纪 80 年代开始,它们开始变得越来越小,可以在更高的频率下工作,这使得电气工程技术人员能够进一步开发无线通信等应用领域。

如今,DRA 在卫星和雷达系统中很常见,甚至还被用于纳米光子学。他们还展示了开发 5G 技术等应用领域的潜力。为了提高 DRA 在微波(及更高)频率下的性能,以便将来应用,工程技术人员可以使用 RF 模块COMSOL Multiphysics® 软件的附加产品)来评估设计。

用 RF 模块模拟 DRA

DRA 有许多优点。它们不仅成本低、易于制造,而且在图案、带宽、馈电系统和极化方面也很灵活。此外,它们有多种形状,包括:

  • 圆柱形
  • 矩形
  • 球形(如下例所示)
  • 圆盘形
  • 半球形

本例中,由石英制成的介质谐振器是一个基本的辐射元件。无源金属天线元件被增强以增加天线方向性和增益。DRA 由缝隙耦合微带线激励。无源金属条通过充当导向器、引导辐射方向图和增加方向性来增强辐射行为。这里,两个条带沿顶部放置,两个环位于长方体的每个正面上。适当选择这些元件的尺寸,使它们在 2.9 GHz 的工作频率下谐振。
缝隙耦合 DRA 的模型。
缝隙耦合 DRA 模型。

天线的电源由集总端口表示,集总端口通过微带线从端口馈电。微带线延伸到缝隙外,形成调谐短截线,并与接地平面一起被视为无限薄的完美电导体(PEC)。谐振器周围是真空球体,其中完美匹配层(PML)充当自由空间的边界。

至于网格剖分,最好在每种材料中保持每波长至少五个单元,弯曲的边和表面每 90°弦至少两个单元。扫掠网格适用于 PML 区域,你可以将单位纵横比的四面体单元用于其他模拟区域。网格通过物理场控制网格自动配置。

检查仿真结果

在求解了工作频率为 2.9 GHz 的结构后,你可以研究 DRA 产生的远场辐射方向图,可以在 E 平面和 H 平面(下图左)以及三维(下图右)中将这些模式可视化。仿真结果表明,谐振器和金属条有助于增加天线的方向性。

DRA 远场辐射方向图的可视化效果图。
显示介质谐振器天线的远场辐射方向图的三维绘图。

左:2.9 GHz 下 E 平面(蓝色)和 H 平面(绿色)上的远场辐射方向图。右:三维远场辐射方向图。

如本例所示,你可以评估介质谐振器在不同频率下对天线的影响,并优化 DRA 设计以提高方向性和增益。

后续操作

要开始模拟 DRA ,请单击下面的按钮进入“案例下载”页面,你可以从中登录 COMSOL Access 帐户并下载本例的 MPH 文件和分步说明。

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