Circulaire polarisée 3D

Dec 23, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 11838 (2023) Citer cet article

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Cet article présente une antenne à résonateur diélectrique cylindrique imprimée en 3D fonctionnant à 5,8 GHz qui réalise une polarisation circulaire en intégrant une hélice parasite entièrement diélectrique avec une permittivité plus élevée que le résonateur cylindrique. La polarisation de l'antenne peut être à droite ou à gauche selon le sens de rotation de l'hélice. Une étude paramétrique approfondie a été réalisée pour la conception de l'hélice afin d'évaluer les effets des dimensions et de la constante diélectrique de l'hélice sur l'adaptation et le rapport axial de l'antenne. La fabrication est réalisée à l'aide de filaments diélectriques à faibles pertes et d'une imprimante 3D à faible coût. Les résultats de simulation et de mesure montrent que les deux antennes sont bien adaptées et fonctionnent avec la polarisation circulaire correspondante, avec une bande passante à rapport axial compatible avec les applications de drones.

La polarisation circulaire (CP) a été utilisée dans une grande variété d'applications de communication sans fil, telles que les communications par satellite et les véhicules sans pilote1, en raison de ses nombreux avantages. Par exemple, lors de l'utilisation du CP, l'étalement des retards peut être réduit, garantissant des niveaux plus élevés de puissance reçue2, et cette polarisation a une plus grande résistance aux interférences par trajets multiples3,4. Différentes méthodes peuvent être trouvées dans la littérature pour obtenir des antennes à polarisation circulaire, qui reposent principalement sur la modification de la structure rayonnante ou du réseau d'alimentation de l'antenne5,6.

Dans la perspective de mise en œuvre d'antennes CP, on peut également trouver des antennes à résonateur diélectrique (DRA) à polarisation circulaire, qui peuvent être des candidates intéressantes pour les applications mentionnées, de par leur polyvalence en termes de formes, de diagrammes de rayonnement et de possibilités de mise en œuvre. Néanmoins, les DRA peuvent être limités lors de la conception de formes complexes si des techniques de fabrication diélectrique traditionnelles sont utilisées, ce qui entraîne des coûts plus élevés7. Une technologie qui peut résoudre ce problème est leur mise en œuvre via la fabrication additive.

La fabrication additive ou impression 3D convient à de nombreuses applications en ingénierie8, y compris les topologies haute fréquence9 en raison de la disponibilité de filaments diélectriques à faible coût et à faibles pertes et d'imprimantes 3D de haute précision. Cela a permis de mettre en œuvre des topologies avec des formes soit trop coûteuses, soit impossibles à mettre en œuvre sans cette technologie10. Quelques exemples de mise en œuvre de DRA utilisant l'impression 3D peuvent être trouvés dans la littérature, tels que les structures à gain élevé11, les structures multi-anneaux12 et le document de conférence contenant les travaux préliminaires sur la conception présentés ici13.

L'antenne présentée dans cet article comprend la conception, l'étude paramétrique, l'analyse modale, la mise en œuvre et la mesure d'une antenne à résonateur diélectrique cylindrique (DRA) fonctionnant à 5,8 GHz, qui utilise une hélice diélectrique parasite à haute permittivité pour obtenir une polarisation circulaire. Le sens de rotation de l'hélice détermine le sens de la polarisation comme étant une polarisation circulaire à droite (RHCP) ou à gauche (LHCP).

CDRA proposé avec hélice et structure d'alimentation. (a) Vue latérale (b) Vue de dessus (c) Structure en hélice diélectrique pour LHCP et RHCP.

L'antenne proposée est représentée sur la figure 1. Elle se compose de deux structures diélectriques : une antenne à résonateur diélectrique cylindrique (CDRA) et une hélice diélectrique parasite placée autour du CDRA. Premièrement, les dimensions du CDRA sont conçues pour une fréquence de résonance \(f_0\) à 5,8 GHz excitant le mode HEM\(_{11\Delta }\)14,15, en utilisant une alimentation de couplage à fente7 définie par l'équation. (1):

où c est la vitesse de la lumière, \(r_{DRA}\) est le rayon DRA (\(d_{DRA}/2\)) et \(h_{DRA}\) la hauteur DRA. Le facteur de forme sélectionné pour ce DRA donne une dimension pour la radio de \(r_{DRA}=9\) mm et une hauteur \(h_{DRA}=16\) mm, en utilisant un matériau de permittivité relative \(\varepsilon _{r2}=9\). Sur la figure 2, le \(|S_{11}|\) simulé du CDRA conçu et le diagramme de rayonnement simulé pour les deux plans à 5,8 GHz sont représentés. Nous pouvons voir que le CDRA a un gain maximum d’environ 6 dBi, alors qu’il est bien adapté à la fréquence de conception.