円偏光3D

Dec 23, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 11838 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

この記事では、5.8 GHz で動作する 3D プリントされた円筒誘電体共振器アンテナについて説明します。このアンテナは、円筒形共振器よりも誘電率が高い完全誘電体寄生ヘリックスを統合することで円偏波を実現します。 アンテナの偏波は、らせんの回転方向に応じて右巻きまたは左巻きになります。 アンテナのマッチングと軸比に対するヘリックスの寸法と誘電率の影響を評価するために、ヘリックス設計について広範なパラメトリック研究が行われました。 製造には低損失の誘電体フィラメントと低コストの 3D プリンターが使用されます。 シミュレーションと測定の結果は、両方のアンテナが適切に整合しており、対応する円偏波で動作し、UAV アプリケーションと互換性のある軸比帯域幅を備えていることを示しています。

円偏波 (CP) は、その多くの利点により、衛星通信や無人車両 1 など、さまざまな無線通信アプリケーションで使用されています。 たとえば、CP を使用すると、遅延スプレッドを低減して、より高いレベルの受信電力を確保できます 2。また、この偏波はマルチパス干渉に対する耐性が高くなります 3、4。 円偏波アンテナを取得するためのさまざまな方法が文献に記載されていますが、これは主に放射構造またはアンテナ給電ネットワークの変更に基づいています 5、6。

CP アンテナの実装の観点からは、円偏波誘電体共振器アンテナ (DRA) も見つかります。これは、形状、放射パターン、および実装の可能性の点で多用途性があるため、前述のアプリケーションの興味深い候補となる可能性があります。 それにもかかわらず、従来の誘電体製造技術を使用する場合、複雑な形状を設計する場合には DRA が制限される可能性があり、その結果コストが高くなります7。 この問題を克服できるテクノロジーの 1 つは、積層造形を使用した実装です。

積層造形または 3D プリンティングは、低コストで低損失の誘電体フィラメントと高精度 3D プリンタが利用できるため、高周波トポロジ 9 を含むエンジニアリング 8 の多くのアプリケーションに適しています。 これにより、この技術なしでは実装できなかった、または高価すぎる形状のトポロジを実装できるようになりました10。 3D プリンティングを使用して DRA を実装する例は、高利得構造 11、マルチリング構造 12、およびここで紹介する設計に関する予備作業を含む会議資料 13 などの文献で見つけることができます。

この記事で紹介するアンテナは、5.8 GHz で動作する円筒誘電体共振器アンテナ (DRA) の設計、パラメトリック調査、モード解析、実装、測定で構成されています。DRA は、円偏波を実現するために高誘電率の寄生誘電体ヘリックスを使用します。 らせんの回転方向によって、偏光の方向が右回り (RHCP) か左回りの円偏光 (LHCP) になるかが決まります。

ヘリックスとフィーディング構造を備えた CDRA を提案。 (a) 側面図 (b) 上面図 (c) LHCP および RHCP の誘電体ヘリックス構造。

提案されたアンテナを図 1 に示します。これは、円筒形誘電体共振器アンテナ (CDRA) と、CDRA の周囲に配置された寄生誘電体ヘリックスという 2 つの誘電体構造で構成されます。 まず、CDRA の寸法は、式 1 で定義されるスロット結合フィード 7 を使用して、HEM\(_{11\Delta }\) モード 14,15 を励起する 5.8 GHz の共振周波数 \(f_0\) 向けに設計されています。 (1):

ここで、c は光の速度、\(r_{DRA}\) は DRA の半径 (\(d_{DRA}/2\))、\(h_{DRA}\) は DRA の高さです。 この DRA 用に選択されたフォーム ファクターは、比誘電率 \(\varepsilon の材料を使用) の無線の寸法 \(r_{DRA}=9\) mm、高さ \(h_{DRA}=16\) mm となります。 _{r2}=9\)。 図 2 には、設計された CDRA のシミュレートされた \(|S_{11}|\) と、5.8 GHz での両方のプレーンのシミュレートされた放射パターンが示されています。 CDRA の最大ゲインは約 6 dBi であり、設計周波数では十分に整合していることがわかります。