Dielectric Resonator 안테나의 기능 및 디자인

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유전체 공명 안테나의 기초

이 유 전체 공명기 안테나는 전자기 근원에 의해 흥분되는 유전체 물자의 조각으로 이루어져 있습니다 (ε_]r]) - 그것 - 전자기 근원에 의해 흥분합니다. 유전체 물자는 전자기 에너지를 저장하는 구멍으로 작동하고, 차원이 물자 안쪽에 파장에 기하학적으로 결합될 때, 구조 공명합니다. 이 공명은 강한 내부 분야를, 몇몇은에서 열렬하게 개조한 형태에 의해, 다수 형태를 결정할 수 있습니다.

운영의 형태

DRA의 공명 모드는 트랜지스터 전기 (TE), 가로 자석 (TM) 또는 하이브리드 모드로 분류 된 파 가이드 캐비티의 모드에 유사합니다. 예를 들어, 원통형 DRA는 TE[_]01δ, TM_01δ, HE_{]11[[LT:4]]]]]11[[LT:]]]]]]1δ_{]], 의 다양한 형태를 위한 다양한 형태를 생성하는 데 사용됩니다.}}

일 원리 및 공명 Behavior

DRA의 공명 조건은 절연성 블록의 차원이 재료 (λ_d] = λ_]]0]] / √ε_]]r) 내부의 파장에 비교할 때 발생합니다. 원통형 DRA의 경우, 공명 주파수는 반경과 높이에 의해 결정되며, 선형성 영역의 값은 높은 밀도(FLT:7)의 비율로 계산됩니다.

공장 공급 주파수

공명 주파수에 영향을 미치는 주요 매개 변수는 유전체 일정, 물리적 차원 (직경, 높이, 길이, 폭) 및 주변 환경이 포함되어 있습니다. 지상면, 유전체 커버의 존재, 또는 인접한 구성 요소는 공명 주파수를 이동하고 임피던스 일치를 변경할 수 있습니다. 엔지니어는 종종 antenna-theory.com의 DRA 리소스 -이 타겟 주파수에 대한 매개 변수를 최적화합니다.

DRAs를 위한 일반적인 절연성 물자

물자 선택은 긴요한 디자인 결정입니다. 가장 널리 이용되는 물자는 다음을 포함합니다:

Ceramics (예를들면, 바륨 Tetratitanate, 지르코늄 주석 탄산염): 높은 ε_r (20-100), 낮은 손실 tangent (탄 δ < 0.001), 우수한 온도 안정성. 소형 디자인을 위한 이상.
Quartz와 Alumina: Moderate ε_]r] (약 4–10), 매우 낮은 손실, 감소된 크기가 기본 목표가 아닌 고주파 응용 프로그램에 사용.
Polymer Composites: Flexible 기판은 임베디드 세라믹 입자를 사용하여 기계적 유연성과 전기 성능 간의 거래 오프를 제공합니다. 착용 가능 및 IoT 기기에서 사용.

각 재료는 크기, 대역폭, 열 안정성 및 제조 비용 사이의 자체 무역 오프를 제공합니다. 예를 들어, 높은-ε_r 세라믹스는 전자 레인지 주파수에서 몇 밀리미터로 작은 허용 compact 5G 및 위성 모듈]에 적합하도록 만드는.

설계 고려 및 기하학

DRA의 기하학은 직접 공명 주파수, 임피던스 대역폭 및 방사선 패턴을 정의합니다. 원본 기사가 기본 모양을 나열한 동안, 더 깊은 탐험은 고전적인과 소설 지오메트리를 모두 나타냅니다.

공급 방법

유전체 공명기의 효율적인 흥분은 여러 커플 링 기술을 통해 달성된다 :

Probe Feed: 동축 프로브는 유전체, 커플링으로 커지게 또는 전기로 확장됩니다. 구현하기가 간단하지만 asymmetry를 일으킬 수 있습니다.
Aperture 커플링: microstrip 라인에서 공명기에 지상면 커플 에너지에 슬롯. 피드 네트워크에서 더 넓은 대역폭과 고립을 제공합니다.
Microstrip Line: DRA에 인접한 기판에 직접 인쇄. 저프로파일과 쉽게 통합.
Coplanar Waveguide (CPW): 멀티레이어 회로에 유용한 같은 비행기에 지상으로 공급하는 uniplanar를 제공합니다.

모양 비교

각 모양은 명백한 이익을 선물합니다:

Cylindrical: 심도 넓은 패턴, 여러 모드, 널리 공부.
Rectangular: 극화 및 듀얼 밴드 작동에 대한 더 큰 디자인 유연성.
Hemispherical: 넓이 응용 분야에 유용한 매끄러운 임피던스 변형.
Ring / Annular: 배열에서 종종 사용되는 감소 된 무게와 Miniaturized 버전.
Stacked 또는 Multi-Layer:는 매우 광대역 또는 다공성 행동을 달성하기 위하여 다른 유전체를 결합합니다.

고급 디자인은 공기 격차, 기생성 요소, 또는 더 tailor 성능에 유전체 등급을 통합합니다. DRAs의 위키페디아 항목은 이러한 변종의 개요를 제공합니다.

성과 이점 및 한계

DRAs는 금속 안테나와 비교할 때 이점의 compelling 세트를 제안합니다:

높은 방사선 효율: 표면파손 손실 및 지휘자 손실의 애용은 밀리미터파 주파수에서 90%까지 효율성에 지도합니다.
Wide Impedance Bandwidth:] 적절한 디자인과 함께, 50%를 초과하는 대역폭은, 특히 모드를 결합하거나 낮은 ε_r] 물자를 사용하여 달성될 수 있습니다.
Flexible Polarization: 피드 또는 모양, 원형 또는 선형 편광을 조정함으로써 복잡한 baluns 없이 쉽게 얻을 수 있습니다.
낮은 프로필과 통합의 용이성: DRA는 PCB에 표면 마운트 또는 하우징에 내장되어 시스템 볼륨을 감소시킵니다.

그러나 제한이 존재합니다. 고-ε_r] 세라믹은 단단할 수 있으며, 유전체의 온도 계수는 빈도 편류를 일으킬 수 있습니다. 또한 DRA는 컴팩트하면서, 일반적으로 소형화에 필요한 더 높은 유전체 일정으로 인해 패치 안테나보다 더 큰 있습니다. 특수 세라믹의 비용은 높 부피 소비자 제품에 대한 요인이 될 수 있습니다.

전통적인 안테나 유형과 비교

DRA가 공통 대안에 맞을 때 디자이너가 올바른 솔루션을 선택하는 데에 대해 이해하십시오.

Microstrip Patch Antenna: 패치는 제조가 더 얇고 저렴하지만 표면 파 손실과 좁은 대역폭에서 고통. DRAs 일반적으로 10 GHz 이상 효율과 대역폭에서 의외 패치.
Waveguide Horn: Horns는 고이득 및 넓은 대역폭을 제공하지만 크게. DRAs는 비교할 수 있는 방사선 성능과 판사 또는 쿼드리버 대안을 제공합니다.
Monopole 또는 Dipole:] 와이어 안테나는 간단하지만 전방향 패턴과 제한적 이득이 있습니다. DRA는 방향 광선을 더 높은 지향성으로 생산할 수 있습니다.

많은 현대 시스템에서 DRA는 이러한 설치 유형, 특히 크기, 무게, 성능이 5G 기지국에 대한 위상 배열 안테나로 coexist해야합니다.

현대 무선 시스템의 응용

DRA의 독특한 속성은 전통적인 무선을 넘어 다양한 응용 프로그램을 통해 사용되었습니다.

5G 및 밀리미터 - 넓은 통신:] 28 GHz, 39 GHz, 더 높은 DRAs는 대규모 MIMO 배열에 필요한 효율성과 대역폭을 제공합니다. 표준 PCB 프로세스와의 호환성은 높은 가인 배열 요소의 낮은 비용의 제작을 가능하게 합니다.
위성 및 레이더 시스템: DRA는 높은 열 안정성과 공간에서 안정적으로 작동한다. 그들은 자동차 충돌 방지 및 Ku/Ka-band 링크 위성 터미널에서 자동차 충돌 방지를위한 단계별 레이더에 사용됩니다.
]IoT:] Low-cost, Compact DRAs는 센서 노드와 스마트 디바이스에 통합될 수 있으며, 멀티 밴드 작동(예: 2.4 GHz + 5 GHz)가 필요합니다.
바이오메디컬 이식:] 이 전체 공명기는 이식에서 전해온 안테나로 금속 안테나와 비교하여 조직에서 감소된 탈각을 활용해 연구되었습니다.
무선전력전송(WPT):DRA의 높은 Q는 중거리 WPT 시스템의 공명 유도형 커플링에 적용할 수 있습니다.

미래 동향 및 연구 방향

DRA의 개발은 경계를 밀어 계속. 주요 신흥 추세 포함:

Reconfigurable DRAs: varactor 다이오드 또는 다재다능한 절연성 물자 (예를들면, 액체 결정, 유성)를 통합해서, 공명한 빈도 및 편광은 전자적으로 조정될 수 있습니다.
Metamaterial-Enhanced DRAs: sub-wavelength 구조로 공명기 로딩(예: 보완 분할링 공명기)는 크기가 더 이상 감소하거나 특정 방사선 특성을 도입할 수 있습니다.
3D-Printed Dielectrics: 첨가제 제조는 전통적인 가공과 불가능한 인화성 수증기 프로파일과 같은 복잡한 형상을 가능하게하며, 문을 사용자 정의 방사선 패턴으로 여는.
5G용 Antenna-in-Package(AiP): DRA는 IC 패키지에 내장된 요소로 탐구되고, 상호 연결 손실을 줄이고 더 높은 통합을 가능하게 합니다.
AI-Assisted Design: 머신러닝 알고리즘은 DRA 기하학을 빠르게 최적화하고 특정 멀티-오브젝티브 대상(gain, 대역폭, 크기)에 대한 피드를 활용하고 있습니다.

이 혁신은 이미 DRA의 인상적인 다양성을 확장하기 위해 약속, 차세대 무선 시스템의 요소.