5G アプリケーション向けの誘電体共振器アンテナ (DRA) の熱解析

使用ツール:

序章

世界は、特にワイヤレス通信システム内で、電気通信技術の高度な進歩を経験しています。これは、コミュニケーションとビジネス ネットワークの改善という点で、人々のライフスタイルの根本的な変化をサポートする、最も新しくダイナミックな分野の 1 つです。

セルラー無線技術の開発は、より良い長距離通信のために帯域幅を改善するための努力を通じて、第 5 世代に関与しています。すべての無線技術の目的は、アンテナ デバイスなしでは不可能なデータを収集することです。それは基本的な役割を果たしており、帯域幅、ゲイン、効率などの点でシステム全体の機能に影響を与える可能性があります.

5G アプリケーションには、非常に効果的なアンテナ設計 (高ゲイン性能、熱安定性の向上、および高レベルの放射効率を備えた) が必要です。ただし、従来のマイクロストリップ パッチと Vivaldi アンテナの性能は、狭い帯域幅と高い導体損失レベルによって制限され、ゲインと効率が低下する可能性があります。これらの問題を克服するために、高ゲインの誘電体共振器アンテナ (DRA) 技術が採用されました。これには、軽量、低コスト、広いインピーダンス帯域幅、高電力および温度処理、低伝導損失など、数多くの利点と魅力的な機能が備わっているためです。

この論文では、5G アプリケーション向けの長方形の誘電体共振器アンテナ DRA の電磁的および熱的挙動を実行するための FEM ベースのツールとしての HFWorks の機能を示しています。共振器の寸法に基づいて、基本モードと高次モードの 2 つの放射モードの解析が提示されます。

参考文献 [1] で使用されている実験用プロトタイプを以下に示します。

Figure1 -参考文献 [1] によって使用された、製造された DRA プロトタイプ

問題の説明

DRA の基本構造は、主にセラミック ラジエータ、誘電体基板、導電性グランド、および金属 50のフィードラインで構成されます。検討した DRA トポロジは [13 GHz ～ 17 GHz] の周波数範囲で動作し、各モードの詳細な寸法を表 1 にまとめます。

電磁境界条件

ウェーブ ポート:ウェーブ ポート境界は、給電線の始点に隣接する基板入力面に適用されます。

完全な電気伝導体: PEC 境界条件が接地面と給電線面に適用されます。

輻射:輻射境界条件がエア ボックスの外側の面に適用されます。

スタディ1: 基本モードの励振

最初の解析では、[13 GHz ～ 17 GHz] の動作周波数範囲の基本励起モードの最初の DRA トポロジーを検討しています。アンテナ シミュレーションでは、次の結果が明らかになりました。

最初の図は、励起電力を 1 ワットに設定した場合の、誘電体ボックス内の電界対位相のアニメーション プロットを示しています。

リターン ロスの 2D プロットを参考文献 [1] で言及されている測定結果に重ね合わせて、それらの間の良好な一致を示します。測定された帯域幅 1.7GHzを実現。

新しいDRAトポロジーは主に誘電体共振器の使用によって特徴付けられるため、検討されたDRAの損失解析により、動作周波数15GHzの体積損失マッピングを示すことができます。以下に示すように、電力レベルが低い場合、誘電損失は重要です。

アンテナ検討と組み合わせた定常状態の熱解析により、調査対象の DRA の例の温度プロファイルを予測することができました。対流境界条件は、10 W/m²K に設定された対流係数を使用して、周囲温度の外側の周囲空気に適用されます。得られた結果は、動作周波数 15 GHz の温度分布を示しています。長方形の共振器ボックス全体で 31°C の最大値を達成します。

スタディ２：高次モード励起

2 番目の解析では、2 番目の DRA トポロジーの高次放射モードを調べます。スタディ 1 で言及されているすべての電磁境界条件を維持しながら、同じ周波数範囲が使用されます。

次の断面ベクトル プロットの結果は、共振器ボックス全体の電場と磁場の分布を示しています。

高次 DRA のリターン ロスの 2D プロットを、測定値と比較して以下に示します。この 2 番目の設計の帯域幅は、長方形の誘電体共振器の高さが増加するにつれて、基本モードの設計と比較して改善されます。

実験結果と参照シミュレーション結果の両方と比較したシミュレートされたゲイン結果を、次の表にまとめます。これは、HFWorks と実験的に測定された結果との間の適切な妥協点を示しています。

最後に、最初のスタディで使用したものと同じ熱境界条件で熱連成解析を実行します。 1 ワットに設定された励起電力の場合、研究モデルの定常状態温度は 35°C に達します。これは、使用された材料によって引き起こされる誘電損失によるものです。

結論

誘電体共振器アンテナは、従来のマイクロストリップ アンテナと比較して、帯域幅が広く、放射効率が高く、ゲインが高く、温度処理能力が優れているため、新しい 5G 通信アプリケーションに広く採用されています。

HFWorks では、共振器の寸法によって区別される 2 つの放射モードについて、DRA の電磁および熱挙動解析を実行できました。今後の作業のために、HFWorks を使用して他の DR 形状とそのようなデバイスの熱応力解析を含めることで、さらなる調査を行うことができます。

参考文献

[1]- Shahadan, Nor Hidayu, et al. "Higher-order mode rectangular dielectric resonator antenna for 5G applications." Indonesian Journal of Electrical Engineering and Computer Science 5.3 (2017): 584-592.