Breitbandige inhomogene Linse mit konischem Strahlungsmuster

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 12907 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Dieses Manuskript präsentiert eine Linsenantenne mit gleichzeitigem Breitseiten- und Kegelstrahl. Die Linse ist für das Ku-Band im Ray-Insertion-Verfahren ausgelegt. Das vorgeschlagene konische Strahlungsmuster ist aufgrund der guten Anpassung an die Quelle und die Umgebung breitbandig. Die Simulation wird mit dem CST Microwave Studio Solver durchgeführt. Anstelle der in anderen Arbeiten verwendeten komplexen Antennenformen werden ein einfacher kreisförmiger Patchring und ein HF-Anschluss als Linsenspeisung verwendet, um breitseitige bzw. omnidirektionale konische Muster zu erzeugen. Um die Leistung der entworfenen Linse und ihrer Zwei-Port-Speiseantenne zu validieren, wird die Linsenstruktur mithilfe der 3D-Druckmethode realisiert und hergestellt. Für die Herstellung der Linse wird in dieser Arbeit das Kunststoffmaterial Polyethylenterephthalatglykol (PETG) verwendet. Die elektromagnetischen Eigenschaften von PETG im Ku-Band werden genau gemessen. Die Ergebnisse von Simulationen und Experimenten belegen die gute Leistung des entwickelten Objektivs über eine große Frequenzbandbreite. Der Vorteil dieser entworfenen Struktur gegenüber anderen Werken ist ihr hoher Gewinn und ihre große Bandbreite.

Für viele Anwendungen, die Ultrabreitband- und Hochleistungsantennen erfordern, ist eine drahtlose Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikation erforderlich. In den letzten Jahren wurden konische Strahlungsmusterantennen in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in der Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung, im Automobilbereich, zur Nebenkeulenunterdrückung in Radargeräten, in der medizinischen Sensorik, beim Satellitenempfang und in der Mobilkommunikation1,2,3,4,5,6. 7. Das konische Strahlungsmuster ist für Anwendungen wertvoll, die unabhängig von einem horizontalen omnidirektionalen Strahlungsmuster sind und das beste Leistungs-Kosten-Verhältnis bieten, beispielsweise Satelliten-Tracking-Systeme4,8. In letzter Zeit konzentrierten sich einige Forschungsarbeiten auf den Ku-Band-Frequenzbereich für Hochfrequenz-Kommunikationssysteme9. Es wurden Systeme mit zwei breitseitigen und konischen Strahlen für gleichzeitige10 oder umschaltbare Antenneneinspeisung11 entwickelt. Um die Zuverlässigkeit eines Kommunikationssystems zu erhöhen, können Pattern-Diversity-Antennen am Transceiver12,13 in Betracht gezogen werden.

Kürzlich wurden verschiedene Methoden zum Entwurf einer Breitbandantenne mit konischem Muster vorgeschlagen, wie z. B. einige Formen des planaren Monopols14,15,16, des kreisförmigen Patches mit substratabgeschnittenen Mikrostreifen17, des koaxialen Wellenleiters mit offenen Enden18, der Modenumwandlung in einem kreisförmigen Wellenleiter19 und radial Array-Schlitzantenne10,20. Verschiedene Resonanzmodi kreisförmiger Patchantennen können angeregt werden, breitseitige und konische Muster auszustrahlen21,22. Die Verwendung zweier separater Ports mit unterschiedlichen Strahlungsmodi für eine einzelne Patchantenne ist eine weitere Methode zur Mustervielfalt23.

Es gibt verschiedene Methoden, um eine Antenne mit breitbandigem und hochgerichtetem Strahlungsstrahl zu erhalten. Planare Sende- und Reflektorarrays, die auf der Grundlage frequenzselektiver Oberflächen (FSS)24,25 oder homogener26 und inhomogener27 Dielektrika entwickelt wurden, sind einige Methoden, um Strahlungsmuster mit hoher Verstärkung zu erzielen. Die Komplexität der Konstruktion, die begrenzte Bandbreite und die Realisierung mehrerer separater Schichten sind einige der Hauptnachteile metamaterialbasierter Methoden. In den letzten Jahren wurden mehrere Methoden eingeführt, um die Leistung von Metamaterialstrukturen zu verbessern. Die optimale Leistung und Einfachheit der Herstellungsprozesse sind einige der Vorteile von Metamaterialstrukturen28,29. Führt separate Phasenprofile in zwei zirkular polarisationserhaltenden Kanälen ein und ermöglicht so separate holographische Bilder in zwei polarisationserhaltenden Feldern mit unterschiedlichen Ausbreitungsabständen. Es besteht aus fünf metallischen Schichten, die durch vier dielektrische Schichten getrennt sind, und ist passiv, verlustfrei und reziprok. Dielektrische Linsen sind eine weitere geeignete Option, um den Strahl der Speisequelle in der Frontrichtung zu kollimieren oder das gewünschte Strahlungsmuster zu formen30,31,32,33.

Die inhomogenen Linsen werden in isotrope und anisotrope Linsen unterteilt. Normalerweise werden anisotrope Linsen auf der Grundlage der Transformationsoptik-Methode (TO)34,35,36,37 entwickelt. Hierbei handelt es sich um eine neue Technik zur Realisierung neuartiger Strukturen und Anwendungen unter Beibehaltung der ursprünglichen elektromagnetischen Leistungen, die zuvor unerreichbar waren. Diese Arten von Objektiven weisen eine komplexe Konstruktion und Bandbreitenbeschränkungen auf. Zur Beseitigung dieser Probleme wurden verschiedene Techniken vorgeschlagen38,39. Referenz39 diskutiert den Kompromiss zwischen den erforderlichen Materialparametern und der gewünschten Leistung des Geräts. Die Linse in dieser Studie besteht aus nichtresonanten Zellen mit in ein dielektrisches Wirtsmedium gebohrten Luftlöchern.

Die Ray-Insertion-Methode (RIM) ist ein Ansatz zur Biegewellenmanipulation40. Es handelt sich um eine genaue Analysemethode, die auf geometrischer Optik basiert und eine parametrische Strahlengangbeziehung zum Entwurf verschiedener inhomogener Strukturen wie Linsen41,42, Biegungen40, Strahlteiler43 und Konzentratoren44 bereitstellt. Mit dieser Methode entworfene elektromagnetische Strukturen zeichnen sich durch zwei Hauptmerkmale aus: Realisierbarkeit und große Bandbreite.

Die Theorie des effektiven Mediums kann verwendet werden, indem Luftlöcher in kubische oder fächerförmige dielektrische Elementarzellen eingebettet werden, um eine inhomogene Permittivitätsverteilung zu realisieren. 3D-gedruckte Techniken (additive Fertigung)34,45,46, gedruckte Metaoberflächen47,48, Laserschneiden49, PCB-Fräsen und dielektrisches Substratbohren50,51 sind Methoden zur Herstellung dieses Mediums.

In diesem Artikel wird eine inhomogene Linse vorgeschlagen, die auf der Strahleinfügungsmethode basiert. Ein einfacher kreisförmiger Patchring und ein HF-Anschluss werden als Speisung der Linse verwendet, um breitseitige bzw. omnidirektionale konische Muster zu erzeugen. Die vorgestellte inhomogene Linse erhöht nicht nur den Gewinn der Monopolantenne mit HF-Anschluss und erzeugt ein konisches Strahlungsmuster, sondern kann auch eine geeignete Anpassung in der richtigen Frequenzbandbreite entwickeln. Die Fullwave-CST-Simulation wird zur Validierung des Designs der Linsenantenne verwendet. Die Isolation zwischen den beiden Anschlüssen der Antenne beträgt mehr als 20 dB, was für Pattern-Diversity-Anwendungen beträchtlich ist. Ein Prototyp wird hergestellt und getestet. Es wird eine gute Übereinstimmung zwischen den simulierten und den gemessenen Strahlungsmustern beobachtet.

Es wurden viele Methoden eingeführt, um Linsenantennen so zu entwerfen, dass sie gerichtete breitseitige Strahlungsmuster abstrahlen, und die vorgeschlagene Entwurfsmethode, die auf der Strahleinfügungsmethode (RIM) basiert, wird verwendet, um eine inhomogene Linse mit konischem Strahlungsmuster zu entwerfen. Der Vorteil der vorgestellten entworfenen Struktur gegenüber anderen Arbeiten ist ihr hoher realisierter Gewinn und ihre große Bandbreite. Außerdem ist die vorgeschlagene Entwurfsmethode einfach und verwendet einen kreisförmigen Patchring und einen HF-Anschluss als Speisung der Linse, um Breitseiten- bzw. omnidirektionale konische Muster zu erzeugen, anstelle komplexer Antennenformen in anderen Arbeiten.

Das Manuskript ist wie folgt aufgebaut. Das auf der Strahleinfügungsmethode basierende Linsendesignverfahren wird im Abschnitt „Linsendesign mit konischem Muster unter Verwendung von RIM-Gleichungen“ erläutert. Auch die Speiseantenne wird in diesem Abschnitt entworfen. Im Abschnitt „Realisierung und Herstellung des Linsenprofils“ wird die entworfene Linse realisiert und hergestellt. Die Leistungen des entworfenen Objektivs werden im Abschnitt „Simulations- und Messergebnisse“ erläutert. Abschließend wird im Abschnitt „Schlussfolgerung“ eine Schlussfolgerung angeboten.

Es wurden viele Methoden eingeführt, um Linsenantennen so zu entwerfen, dass sie gerichtete breitseitige Strahlungsmuster abstrahlen. In diesem Abschnitt soll der Schwerpunkt auf dem Entwurf einer inhomogenen Linse mit konischem Strahlungsmuster liegen. Lissajous-Kurven sind eine Familie von Kurven, die einer Ellipse ähneln und durch parametrische Gleichungen beschrieben werden52. Die RIM-Gleichung ist das entwickelte Modell der Lissajous-Gleichung, in dem die Einschränkungen der Eikonal-Gleichung53 berücksichtigt werden. Die Eikonal-Gleichung beschreibt eine Beziehung zwischen dem Brechungsindex eines Mediums und der Flugbahn des Strahls basierend auf der geometrischen Optik. Die Eikonalgleichung im inhomogenen, isotropen und verlustfreien Medium ist die Form

wobei \(n = \sqrt{{\varepsilon _r}}\) der Brechungsindex des Mediums ist. Basierend auf Eikonal-Gleichungen verursachen longitudinale und transversale Änderungen in einer Gradienten-Brechungsindexstruktur eine Wellenbiegung. Die effektive optische Länge jedes Strahls ist unabhängig von der Frequenz \(\omega\) und ist definiert als \({l_e} = \frac{{c\Delta \phi }}{\omega } = \int _0^{ {t_f}} {n\,.dl} = \int _0^{{t_f}} {{n^2}(t)\,dt}\), wobei die Variable t von 0 bis \(t_f\) variiert für Eingabe- bzw. Ausgabeflächen. Der Parameter \(t_f\) ist der Endwert des Parameters t und kann von Strahl zu Strahl unterschiedlich sein.

Gleichung 2 ist die generische Form der RIM-Gleichung, die unbekannte Konstanten enthält, die anhand bekannter Parameter am Anfangs- und Endpunkt der Strahlen bestimmt werden. Die nichtlineare RIM-Gleichung beschreibt den Strahlengang und seinen jeweiligen Brechungsindex.

wobei \({a_\rho },\mathrm{{ }}{\mathrm{{a}}_z},\mathrm{{ }}{\mathrm{{b}}_\rho },\mathrm{{ } }{\mathrm{{b}}_z},\mathrm{{ }}{\mathrm{{c}}_\rho },\mathrm{{ }}{\mathrm{{c}}_z},\mathrm {{ }}{\mathrm{{k}}_\mathrm{{\rho }}},\,{k_z}\) und \({t_f}\) sind unbekannte Konstanten. Die Variable t variiert von 0 bis \(t_f\) für die Eingangs- und Ausgangspunkte jedes Strahls. Abbildung 1 zeigt eine typische Konfiguration einer inhomogenen Linsenantenne mit konischem Strahlungsmuster. Ein in die Probe eingefügter Strahl strahlt von Punkt (0, 0) mit einem \(\alpha _s\)-Winkel und einem Brechungsindex von Eins aus und erreicht, nachdem er sich innerhalb der Linse bewegt hat, den Punkt (\(\rho _f\), W ) in einem Winkel von 0 Grad mit einem Brechungsindex von Eins. \({\alpha _s}\) variiert von \(-90^{\circ}\) bis \(90^{\circ}\). Die Strahlen enden in der Normalenrichtung einer Apertur mit einem Durchmesser von D. Um ein konisches Muster mit hoher Verstärkung zu erzeugen, sollte die optische Länge aller Strahlen auf den konstanten Wert (\(l_{e}\)) angeglichen werden. Die maximale Permittivität hängt direkt vom Wert von \(l_{e}\) ab. Diese Parameter führen zur Bestimmung unbekannter Werte in der parametrischen RIM-Gleichung. Nach einigen mathematischen Manipulationen konnten die Parameter \(k_\rho\) und \(k_z\) aus den folgenden nichtlinearen Beziehungen ermittelt werden:

Eine typische Konfiguration einer inhomogenen Linsenantenne mit konischem Strahlungsmuster.

Die Flugbahn der Strahlen gegenüber einer unabhängigen Variablen t kann wie folgt vereinfacht werden:

Ein einfacher oberflächenmontierbarer HF-Koaxialstecker, z. B. eine SMA-Monopolantenne (Subminiaturversion A) mit omnidirektionaler Strahlung, wird als Speisung der Linse betrachtet, um ein konisch geformtes Muster abzustrahlen. Abbildung 2 zeigt die Ausrichtung einer Linse, der Monopol-Einspeisung und ein typisches Strahlungsmuster der Monopol-Antenne. Die Strahlung der Monopolspeisung bei \(\theta =0^{\circ}\) ist nahe Null. Die Dichte des abgestrahlten elektrischen Feldes nimmt bei Winkeln größer als null Grad deutlich zu. Wie in Abb. 1 zu sehen ist, ist die Linse in drei Abschnitte A, B und C unterteilt. Um ein gerichteteres konisches Strahlungsmuster zu erhalten, sollte die Größe von Abschnitt B optimiert werden. Mit anderen Worten, dem Endpunkt von Strahlen (\(\rho _f\)) mit mittleren Abstrahlwinkeln sollte mehr Aufmerksamkeit geschenkt werden. Daher sollte die Linse in der Lage sein, das Strahlungsfeld in größere Winkel als \(\theta =0^{\circ}\) zu lenken. Das omnidirektionale Strahlungsmuster der Monopol-Speiseantenne begünstigt dieses Phänomen.

Eine Ausrichtung einer Linse und einer Monopol-Einspeisung sowie ein typisches Strahlungsmuster der Monopol-Antenne.

Zunächst werden die Linsenabmessungen für den Betrieb im Ku-Band betrachtet, also \(F=50\) mm und \(D=100\) mm. In jedem Abschnitt wird eine einheitliche Endpunktverteilung berücksichtigt. Um eine maximale Richtwirkung des konischen Musters zu erreichen, sollten \(D_1\), \(\alpha _1\), \(D_2\) und \(\alpha _2\) optimiert werden. Wir nutzten die CST Studio Suite to MATLAB Interface, um die Geometrie der Linsenstruktur zu optimieren. Das Hauptziel bestand darin, das CST-Projekt zu verwalten, die Simulationsergebnisse abzurufen und zu analysieren, die Geometrie zu exportieren und verschiedene Informationen aus dem Projekt zu erhalten. Die Programmierbarkeit der Linsengeometrie hat den Beitrag zum Matlab File Exchange erleichtert. Als Zielfunktion wurde der maximale Gewinn des konischen Musters angesehen. Nach der Optimierung beträgt der Wert von \(D_1=10\) mm, \(\alpha _1=10^{\circ}\), \(D_2=65\) mm und \(\alpha _2=65^{\ circ}\) erhalten. Die elektrische Länge ist so optimiert, dass sie eine maximale Permittivität von 2,8 aufweist, d. h. \(l_{e}=2,6\). Der Strahlengang und die relative Permittivitätsverteilung sind in Abb. 3 dargestellt. Der Brechungsindex ist auf der Ausgangsebene auf eins begrenzt, sodass die Linse an den umgebenden Raum angepasst ist. Die Diagramme unbekannter Parameter sind in Abb. 4 für das optimierte Objektiv dargestellt.

(a) Der Strahlengang und (b) relative Permittivitätsverteilungen der entworfenen Linse.

Die Werte unbekannter Parameter für das entworfene optimierte Objektiv.

Außerdem ist ein einfacher kreisförmiger Patchring so konzipiert, dass er die Linse mit der Mittenfrequenz speist. Diese Speisung verursacht ein gerichtetes breitseitiges Strahlungsmuster. Die Linse sollte für ein besseres konisches Strahlungsmuster optimiert werden. Mit dieser entworfenen Linse kann ein gerichtetes breitseitiges Strahlungsmuster erhalten werden.

Die Geometrie der vorgeschlagenen Speiseantenne ist in Abb. 5 dargestellt. Die optimierten physikalischen Abmessungen der Speisestruktur sind in Tabelle 1 enthalten. Die Antenne wird auf einem Substrat aus Rogers R04003C mit einer Dicke von 20 mil und \(\epsilon _r) hergestellt \) = 3,38 (siehe Abb. 6). Beide Ports sind auf die \(50 \,\Omega\) SMA-Anschlüsse abgestimmt.

Die Geometrie der vorgeschlagenen Speiseantenne.

Die gefertigte Antenne.

Um die Leistung der entworfenen Linse und ihrer Zwei-Port-Speiseantenne sicherzustellen, wird die Struktur der Linse mithilfe der 3D-Druckmethode realisiert und hergestellt. Fused Deposit Manufacturing (FDM) ist eine der am weitesten verbreiteten 3D-Druckmethoden. Beim FDM-Verfahren wird ein geschmolzenes Material durch eine Düse extrudiert, um eine beliebige Struktur aufzubauen. Die am häufigsten verwendeten Materialien für den 3D-Druck sind Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polymilchsäure (PLA) und Polyethylenterephthalat-Glykol (PETG). PETG verfügt über eine ausreichende Endfestigkeit und Steifigkeit. Die Vorteile von PETG sind Haltbarkeit und gute Schichthaftung54. Die Düsentemperatur beim Drucken von PETG-Filament beträgt 240 °C und liegt damit über dem empfohlenen Wert für PLA. Hohe Schlagfestigkeit, Hitzebeständigkeit, relativ niedrige Kosten, vollständige Recyclingfähigkeit und Wasserbeständigkeit machen PETG zur besten Wahl für 3D-Druck-Filamentoptionen55. Daher wird in dieser Arbeit PETG-Kunststoffmaterial zur Herstellung der Linse verwendet.

Für die optimale Leistung der Linse im Mikrowellenfrequenzband müssen die elektromagnetischen Eigenschaften von PETG genau bestimmt werden. Unterschiedliche Farben des Materialfadens können den Wert seines Dielektrizitätskoeffizienten bestimmen56. Sowohl die Permittivität als auch die Permeabilität können direkt mit der Nicholson-Ross-Weir-Methode (NRW)57 aus den s-Parametern berechnet werden. Zur Messung des Komplexes werden rechteckige Wellenleiter mit einer langen Wandlänge von 15,8 mm und einer Breite von 7,9 mm, Proben mit einer Länge von 15,8 mm, einer Breite von 7,9 mm und einer Dicke von 1 mm sowie der Netzwerkanalysator Rohde und Schwarz (ZVA-Serie) verwendet Permittivitätswert von PETG. Abbildung 7 zeigt die PETG-Probe. Um eine größtmögliche Homogenität und Dichte der inneren Struktur der Probe zu gewährleisten, wurde diese mit einer Auflösung von 50 μm und einer Fülldichte von \(100\%\) gedruckt. Abbildung 8 zeigt das Messergebnis einer PETG-Materialprobe in der Ku-Band-Wellenleiter-Testvorrichtung. Der gemessene \(\epsilon _r'\) und der Verlustfaktor betragen 2,83 bzw. 0,026 bei 15 GHz. Die in verschiedenen Artikeln berichteten Messergebnisse des PETG-Dielektrizitätskoeffizienten sind in Tabelle 2 dargestellt.

Die PETG-Probe.

Gemessene Ergebnisse der relativen Permittivität (gestrichelte Linie) und \(tg\delta (\%)\) (gepunktete Linie) von PETG.

Es wird angenommen, dass die Theorie des effektiven Mediums die inhomogene Permittivität der vorgeschlagenen Linse verwirklicht. Die Permittivität ändert sich sanft von Eins an den äußeren Seitenabschnitten bis zu einem Maximalwert von 2,8 im Mittelabschnitt der Linse (siehe Abb. 3).

Abbildung 9 zeigt ein Modell fächerförmiger Elementarzellen, die durch Aneinanderreihung eine Ringstruktur vervollständigen. Das PETG-Hintergrundmaterial ist mit kreisförmigen Löchern perforiert. Die Anzahl der fächerförmigen Zellen sollte eine ganze Zahl in einem Ring mit einem Radius von \(R_c\) sein und wird wie folgt berechnet.

wobei \(R_o\) und \(R_i\) gleich dem Außenradius bzw. dem Innenradius der Elementarzelle sind. Die effektive Permittivität einer perforierten Elementarzelle beträgt

Dabei ist \(\eta\) der Füllfaktor der Elementarzellenfläche. Der Füllfaktor ist definiert als das Verhältnis der Lochgröße zur Elementarzellenfläche.

Dabei ist \(S_{circular\,hole}\) die Fläche des Luftlochs und \(S_{unit\,cell}\) die Fläche der Gitterelementarzelle.

Durch Ersetzen der Fläche des kreisförmigen Lochs und der aus Gl. (8) in Gl. (6) kann der Lochradius (r) ermittelt werden. Der Unterschied zwischen dem Außen- und Innenradius der Ringe (\(R_o-R_i\)) wird mit 2,5 mm (\(=0,125\lambda _c\)) angenommen und seine Höhe ist auf 1,5 mm (\(=0,075\lambda) begrenzt _c\)), wobei \(\lambda _c\) die Wellenlänge der Mittenfrequenz (15 GHz) ist. Die Variation der effektiven Permittivität eines Elementarzellenelements mit unterschiedlichen Lochgrößen für PETG-Kunststoffmaterialien ist in Abb. 10 dargestellt. Um die entworfene Linse mithilfe der FDM-Technologie herzustellen, sollte die Mindestdicke der Elementarzellenwände 0,5 mm betragen erfüllt werden. Daher beträgt die niedrigste erreichbare effektive relative Permittivität bei Verwendung kreisförmiger Luftlöcher 1,8. Abbildung 11 zeigt den zweidimensionalen Schnitt der Permittivitätsverteilung der entworfenen Linse im Bereich von 1,8–2,8. Anhand des Strahlengangs in Abb. 3, Abschnitt C in Abb. 1 und der Rundstrahlcharakteristik der SMA-Speiseantenne in Abb. 2 ist zu erkennen, dass der Teil der Linse, dessen Permittivität kleiner als 1,8 ist (Abschnitt C) hat einen geringen Einfluss auf das Endergebnis und kann vernachlässigt werden.

Ein Modell fächerförmiger Elementarzellen.

Die Variation der effektiven Permittivität einer fächerförmigen Elementarzelle mit unterschiedlichen Lochdurchmessern.

Der zweidimensionale Schnitt der Permittivitätsverteilung der entworfenen Linse im Bereich von 1,8–2,8.

Die Linse mit einer einfachen Speiseantenne mit zwei Anschlüssen wurde auf der Grundlage der abgeleiteten Gleichungen entworfen, hergestellt und getestet. Das Schema der realisierten abgestuften Linse ist in Abb. 12 dargestellt. Abbildung 13 zeigt das hergestellte Linsenmodell, das 5100 Zellen enthält. Der Durchmesser und die Höhe der 3D-gedruckten Linse betragen \(D=50\) mm bzw. \(W=37,5\) mm. Es ist zu erkennen, dass der Durchmesser des Lochs von der Mitte zu den Seiten der Linse hin zunimmt. Das Gewicht der gedruckten Linse beträgt 41,5 g.

Das Schema der realisierten abgestuften Linse.

Das hergestellte Linsenmodell enthält 5100 Zellen.

Der Satz aus gefertigter Antenne und Linse ist in Abb. 14 dargestellt. In diesem Abschnitt wird der Anschluss des Ringpatches, der ein Breitseitenmuster abstrahlt, als Anschluss eins betrachtet, und der Anschluss des SMA, der ein konisches Muster abstrahlt, wird ausgewählt als zweiter Hafen. Die Reflexionskoeffizienten und die Isolierung der Ring-Patch- und Monopol-Antennenanschlüsse sind in Abb. 15 dargestellt. Ein einzelner SMA verhält sich wie eine Monopolantenne mit begrenzter Frequenzbandbreite und omnidirektionalem Strahlungsmuster. Die SMA-Pinhöhe (Parameter L in Abb. 5) wurde optimiert, um die maximal mögliche Bandbreite abzudecken. Wie man sehen kann, deckt der Reflexionskoeffizient von \(S_{22}<-10\) dB aufgrund der richtigen Anpassung zwischen der Linse und der koaxialen Speisesonde den Frequenzbereich des Ku-Bands ab.

Aufgrund seines Resonanzverhaltens hat der Ringpatch eine begrenzte Bandbreite. Zur Speisung der vorgeschlagenen inhomogenen Linse könnten verschiedene herkömmliche Antennen ausgewählt werden, die in verschiedenen Veröffentlichungen entwickelt wurden (in der Einleitung erwähnt). Das Hauptziel dieses Manuskripts besteht jedoch darin, eine breitbandige, konisch geformte Strahlungsmusterlinse zu entwickeln, und ein breitseitiges Strahlungsmuster ist ein Nebenvorteil dieser Linse. Die Port-zu-Port-Isolierung ist bei Musterdiversitätsanwendungen von wesentlicher Bedeutung. Abbildung 15 zeigt, dass die Isolation zwischen zwei Ports mehr als 20 dB beträgt, was für Pattern-Diversity-Antennen beträchtlich ist.

Der Satz aus gefertigter Antenne und Linse.

Die Reflexionskoeffizienten und die Isolierung der Ring-Patch- und Monopol-Antennenanschlüsse. Der Port des Ring-Patches wird als Port eins betrachtet und der Port von SMA wird als zweiter Port ausgewählt.

Abbildung 16 zeigt die simulierte normalisierte elektrische Feldverteilung bei \(15\) GHz für die vorgeschlagene Linse. Die simulierten 3D-Strahlungsmuster der Linsenantenne sind in Abb. 17 bei \(15\) GHz dargestellt. Der simulierte realisierte Gewinn der breitseitigen und konischen Strahlungsmuster beträgt 17,1 bzw. 14,2 dBi. Die Copolarisation des konischen Musters ist die gleiche wie die Polarisation des Monopol-SMA-Steckers, also lineare Polarisation (\(E_\theta\)). Die Polarisation der Kreuzpolarisation des konischen Musters ist \(E_\phi\). Die Leistungsmerkmale der 2D-Strahlungsmuster der Linsenantenne sind in den Abbildungen dargestellt. 18, 19 und 20. Abbildung 18a,b veranschaulichen die simulierten und gemessenen normalisierten Strahlungsmuster für den Ring-Patch-Port auf der \(\phi =0^{\circ}\)-Ebene und \(\phi =90^{ \circ}\)-Ebene bei 15 GHz. Der Nebenkeulenpegel (SLL) ist für beide Ebenen niedriger als \(-22\) dB. Die Halbwertsstrahlbreiten (HPBW) der E-Ebene (\(\phi =0^{\circ}\)-Ebene) und der H-Ebene (\(\phi =90^{\circ}\)-Ebene) betragen 22 Grad bzw. 24 Grad. Die Abbildungen 19 und 20 veranschaulichen die simulierten und gemessenen normalisierten konischen Strahlungsmuster für den SMA-Port auf der \(\phi =0^{\circ}\)-Ebene und der \(\phi =90^{\circ}\)-Ebene einige Frequenzen. Außerdem werden für die XZ- und YZ-Ebenenschnitte symmetrische konische Strahlungsmuster mit einer Null im Zenit (\(\theta = 0^{\circ}\)) beobachtet. Abbildung 21 zeigt die simulierten und gemessenen normalisierten konischen Strahlungsmuster für den SMA-Port auf einer konstanten (\(\theta =15^{\circ}\))-Ebene bei 15 GHz. Die Ergebnisse des konischen Strahlungsmusters deuten darauf hin, dass die Elevationsstrahlabdeckung zwischen \(7,5^{\circ}\) und \(23,5^{\circ}\) liegt und der maximal realisierte Gewinn 14,2 dBi bei \(15,4^{\circ}\ beträgt. \) Erhöhung bei 15 GHz. Außerdem sind in Abb. 22 die gemessenen und simulierten realisierten Verstärkungen für beide Anschlüsse dargestellt. Es besteht eine gute Übereinstimmung zwischen den simulierten und gemessenen Strahlungsmustern. Die Leistung einiger gemeldeter Antennen mit konischem Muster ist in Tabelle 3 zusammengefasst, um sie mit der der vorgeschlagenen Arbeit zu vergleichen. Der Vorteil der vorgestellten entworfenen Struktur gegenüber anderen Arbeiten ist ihr hoher realisierter Gewinn und ihre große Bandbreite. Außerdem wird in dieser Arbeit ein einfacher SMA-Stecker als Speisung der Linse verwendet, um omnidirektionale konische Muster anstelle komplexer Antennenformen in anderen Arbeiten zu erzeugen.

die normalisierte elektrische Feldverteilung bei 15 GHz, (a) Ring-Patch-Port und (b) SMA-Port.

Die simulierten 3D-Strahlungsmuster der Linsenantenne bei 15 GHz, (a) Ring-Patch-Port und (b) SMA-Port.

Simulierte und gemessene normalisierte Strahlungsmuster für den Ring-Patch-Port auf (a) \(\phi =0^{\circ}\)-Ebene und (b) \(\phi =90^{\circ}\)-Ebene bei 15 GHz.

Simulierte und gemessene normalisierte konische Strahlungsmuster für den SMA-Port auf der \(\phi =0^{\circ}\)-Ebene.

Simulierte und gemessene normalisierte konische Strahlungsmuster für den SMA-Port auf der \(\phi =90^{\circ}\)-Ebene.

Simulierte und gemessene normalisierte konische Strahlungsmuster für den SMA-Port auf einer konstanten (\(\theta =15^{\circ}\))-Ebene bei 15 GHz.

Gemessener und simulierter realisierter Gewinn für beide Ports.

In diesem Manuskript wurde eine inhomogene Linse basierend auf der Strahleinfügungsmethode vorgestellt. Ein einfacher kreisförmiger Patchring und ein HF-Anschluss dienten als Speisung der Linse, um breitseitige bzw. omnidirektionale konische Muster zu erzeugen. Die vorgestellte inhomogene Linse erhöht nicht nur den Gewinn der Monopolantenne mit HF-Anschluss und erzeugt ein konisches Strahlungsmuster, sondern kann auch eine geeignete Anpassung in der breiten Frequenzbandbreite entwickeln. Die Linsenstruktur wird im 3D-Druckverfahren realisiert und gefertigt. Der realisierte Breitseitengewinn beträgt 17,1 dBi und seine E-Ebene (\(\phi =0^{\circ}\)-Ebene) und H-Ebene (\(\phi =90^{\circ}\)-Ebene ) Die Halbwertsstrahlbreite (HPBW) beträgt 22 Grad bzw. 24 Grad bei 15 GHz. Die Ergebnisse des konischen Strahlungsmusters deuten darauf hin, dass die Elevationsstrahlabdeckung zwischen \(7,5^{\circ}\) und \(23,5^{\circ}\) liegt und der maximal realisierte Gewinn 14,2 dBi bei \(15,4^{\circ}\ beträgt. \) Höhe bei \(15\,\,GHz\). Die Ergebnisse von Simulationen und Experimenten deuten auf eine gute Leistung des entwickelten Objektivs im breiten Frequenzband hin.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Mohammad Mahdi Taskhiri und Saeed Fakhte

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MMT war für das Design und die Implementierung des vorgeschlagenen Objektivs verantwortlich. Die Autoren überprüften das Manuskript.

Korrespondenz mit Mohammad Mahdi Taskhiri.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Taskhiri, MM, Fakhte, S. Breitbandige inhomogene Linse mit konischem Strahlungsmuster. Sci Rep 13, 12907 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40024-9

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Eingegangen: 3. Juni 2023

Angenommen: 03. August 2023

Veröffentlicht: 09. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-40024-9

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