3D polarizzato circolare

Dec 23, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 11838 (2023) Citare questo articolo

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Questo articolo presenta un'antenna risonatore dielettrico cilindrico stampata in 3D operante a 5,8 GHz che raggiunge la polarizzazione circolare integrando un'elica parassita completamente dielettrica con una permettività maggiore rispetto al risonatore cilindrico. La polarizzazione dell'antenna può essere destrorsa o sinistrorsa a seconda del senso di rotazione dell'elica. È stato condotto un ampio studio parametrico per il progetto dell'elica per valutare gli effetti delle dimensioni e della costante dielettrica dell'elica sull'adattamento e sul rapporto assiale dell'antenna. La produzione è realizzata utilizzando filamenti dielettrici a bassa perdita e una stampante 3D a basso costo. I risultati della simulazione e delle misurazioni mostrano che entrambe le antenne sono ben abbinate e funzionano con la corrispondente polarizzazione circolare, con una larghezza di banda del rapporto assiale compatibile con le applicazioni UAV.

La polarizzazione circolare (CP) è stata utilizzata in un'ampia varietà di applicazioni di comunicazione wireless, come le comunicazioni satellitari e i veicoli senza pilota1, grazie ai suoi numerosi vantaggi. Ad esempio, quando si utilizza CP è possibile ridurre la diffusione del ritardo, garantendo livelli più elevati di potenza ricevuta2, e questa polarizzazione ha una maggiore resistenza alle interferenze multipercorso3,4. In letteratura si possono trovare diversi metodi per ottenere antenne polarizzate circolari, che si basano principalmente sulla modifica della struttura radiante o della rete di alimentazione dell'antenna5,6.

Nella prospettiva dell'implementazione delle antenne CP, si possono trovare anche antenne a risonatore dielettrico polarizzato circolare (DRA), che possono essere candidati interessanti per le applicazioni menzionate, grazie alla loro versatilità in termini di forme, schemi di radiazione e possibilità di implementazione. Tuttavia, i DRA possono essere limitati quando si progettano forme complesse se si utilizzano tecniche di produzione dielettriche tradizionali, con conseguenti costi più elevati7. Una tecnologia che può superare questo problema è la loro implementazione utilizzando la produzione additiva.

La produzione additiva o la stampa 3D è adatta per molte applicazioni in ingegneria8, comprese le topologie ad alta frequenza9 grazie alla disponibilità di filamenti dielettrici a basso costo e a bassa perdita e stampanti 3D ad alta precisione. Ciò ha reso possibile realizzare topologie con forme troppo costose o impossibili da realizzare senza questa tecnologia10. Alcuni esempi di implementazione dei DRA utilizzando la stampa 3D possono essere trovati in letteratura, come strutture ad alto guadagno11, strutture multi-anello12 e il documento della conferenza contenente il lavoro preliminare sul progetto qui presentato13.

L'antenna presentata in questo articolo consiste nella progettazione, studio parametrico, analisi modale, implementazione e misurazione di un'antenna risonante dielettrica cilindrica (DRA) operante a 5,8 GHz, che utilizza un'elica dielettrica parassita con elevata permettività per ottenere la polarizzazione circolare. Il senso di rotazione dell'elica determina il senso della polarizzazione: polarizzazione circolare destrorsa (RHCP) o polarizzazione circolare sinistrorsa (LHCP).

CDRA proposto con elica e struttura di alimentazione. (a) Vista laterale (b) Vista dall'alto (c) Struttura dell'elica dielettrica per LHCP e RHCP.

L'antenna proposta è mostrata in Fig. 1. È costituita da due strutture dielettriche: un'antenna risonante dielettrica cilindrica (CDRA) e un'elica dielettrica parassita posizionata attorno al CDRA. Innanzitutto, le dimensioni del CDRA sono progettate per una frequenza di risonanza \(f_0\) a 5,8 GHz che eccita la modalità HEM\(_{11\Delta }\)14,15, utilizzando un feed di accoppiamento slot7 definito dall'Eq. (1):

dove c è la velocità della luce, \(r_{DRA}\) è il raggio DRA (\(d_{DRA}/2\)) e \(h_{DRA}\) l'altezza DRA. Il fattore di forma selezionato per questo DRA fornisce una dimensione per la radio di \(r_{DRA}=9\) mm e un'altezza \(h_{DRA}=16\) mm, utilizzando un materiale con permettività relativa \(\varepsilon _{r2}=9\). Nella Fig. 2 sono mostrati il ​​\(|S_{11}|\) simulato del CDRA progettato e il diagramma di radiazione simulato per entrambi i piani a 5,8 GHz. Possiamo vedere che il CDRA ha un guadagno massimo di circa 6 dBi, mentre è ben adattato alla frequenza di progetto.