ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. ISSN 1684-1719. 2020. № 11
Оглавление выпускаТекст статьи (pdf)
DOI https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.11.1
УДК 621.372.826
Моделирование возбуждения диэлектрического резонатора полем плоской электромагнитной волны
Л. В. Алексейчик, А. А. Курушин
Национальный исследовательский университет МЭИ, 111250, г Москва, Красноказарменная, 14
Статья поступила в редакцию 27 мая 2020 г., после доработки – 26 октября 2020 г.
Аннотация. Проведено моделирование цилиндрического (дискового) диэлектрического резонатора (ДР), возбуждаемого электромагнитным полем падающей плоской волны в свободном пространстве. ДР изготовлен из высокопроницаемого диэлектрика с малыми потерями. Целью работы явилось получение характеристик процесса дифракции плоской электромагнитной волны при возбуждение вынужденных колебаний ДР на низшем магнитном типе колебания, а также уточнение структуры электромагнитного поля внутри и в окрестности ДР и его характеристик как излучающего антенного элемента для использованием полученных данных при проектировании антенной решетки. Задача исследования характеристик ДР решается для использования полученных данных при проектирования антенной решетки, в которой ДР используются как излучающий элемент. В результате численного моделирования данной задачи с помощью программы CST Microwave Studio впервые получены картины распределения векторов результирующего поля при дифракции плоской электромагнитной волны на цилиндрическом ДР и его частотные характеристики в L- диапазоне длин волн. Выявлены особенности электрической и магнитной составляющих поля внутри и в окрестности образца ДР. По кривой АЧХ ДР и временным данным скорости затухания процесса возбуждения ДР получены значения его эффективной (нагруженной) добротности, собственной добротности и добротности связи ДР со свободным пространством. Приведены диаграммы направленности в виде эффективных площадей рассеяния (RCS), демонстрирующие свойства ДР как антенных элементов СВЧ диапазона.
Ключевые слова: Диэлектрические резонаторы, моделирование процесса дифракции, плоская электромагнитная волна, CST MWS.
Abstract. The simulation of the problem of excitation of cylindrical (disk) dielectric resonator (DR) by the electromagnetic field of an incident plane wave in free space is carried out. DR is made from highly permeable dielectric with low losses. The aim of the work was to obtain the characteristics of the diffraction process of a plane electromagnetic wave upon excitation of forced oscillations of the DR on the lowest magnetic type of oscillation, as well as to clarify the structure of the electromagnetic field inside and in the vicinity of the DR and its characteristics as a radiating antenna element for using the obtained data when designing an antenna array. The studying the DR characteristics is solved in order to use in the design of the antenna array, in which the DR is used as a radiating element. As a result of numerical modeling of the task using the CST Microwave Studio, we obtained patterns of the distribution of the vectors of the resulting field upon diffraction of a plane electromagnetic wave by cylindrical DR and its frequency characteristics (AFC) in the L-range. Peculiarities of the electric and magnetic components of the field inside and in the vicinity of the DR sample were revealed. Using the AFC curve of the DR and the temporal data of the attenuation rate of the DR excitation process, the values of its effective (loaded) Q factor, intrinsic Q factor, and Q factor of coupling the DR with free space were obtained. The radiation patterns in the form of radar cross section (RCS) are presented, which demonstrate the properties of DR as antenna elements in the microwave range.
Key words: dielectric resonators; simulation of the diffraction; plane electromagnetic wave; CST Microwave Studio.
Литература
1. Richtmyer R.D. Dielectric resonators. // J. App. Phys. 1939. Vol.10. P.391-398.
2. Ильиченко М.Е., ред. Диэлектрические резонаторы. М.: Радио и связь. 1989.
3. Боровиков В.А, ред. Численные методы теории дифракции. М.: МИР. 1982, 200 с.
4. Загер О., Тиси Ф. О собственных и вынужденных модах диэлектрической сферы. // ТИИЭР. 1968. Т.66. №9. С.203.
5. Алексейчик Л.В., Бродуленко И.И., Гаврилюк Н.Г. и др. Параметры и методы расчета диэлектрических резонаторов и генераторов и фильтров на их основе. M.: Центральный исследовательский институт «Электроника», Изд-во ЭТ. Серия 1. Электроника СВЧ, 1990. 64 с.
6. Алексейчик Л.В., Геворкян В.М, Калугин Е.И. Исследование миниатюрных диэлектрических СВЧ резонаторов в качестве антенных СВЧ элементов. // Труды МЭИ, 1981, выпуск 528, с. 31-40.
7. Long S.A., McAllister M.W., Shen L.C. The Resonant Cylindrical Dielectric Cavity Antenna. // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1983. Vol.31. No.3. P.406-412.
8. Безбородов Ю.М., Массалитин С.Ф. Антенные устройства на диэлектрических резонаторах // Радиотехника. 1986. № 8. C.85-88.
9. Luk K.M., Leung K.W., editors. Dielectric Resonant Antenna. Research Studies Press, 2003.
10. Coulibaly Y., Denidni T.A., Boutayeb H. Broadband microstrip-fed dielectric resonator antenna for X-band applications. // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2008. Vol.7. P.341-345.
11. Soren D., Ghatak R., Mishra R.K., Poddar D.R. Dielectric Resonator Antennas: Designs and Advances // Progress in Electromagnetics Research B. 2014. Vol.60. P.195-213.
12. Leung K.W. State Key Laboratory of Millimeter Waves & Department of Electronic Engineering, City University of Hong Kong Presented to the IEEE LI Section Antenna and Propagation Society on Monday October 8th 2012.
13. Caratelli K.D. Dielectric Resonator Antennas: Basic Concepts, Design Guidelines, and Recent Developments at Millimeter-Wave Frequencies. // Shindawi Publishing Corporation International Journal of Antennas and Propagation. 2016. Article ID 6075680. 20 pages. https://doi.org/10.1155/2016/6075680
14. Petosa A., Thirakoune S. Rectangular Dielectric ResonatorAntennas with enhanced Gain. // IEEE Trans. Antennas Propag. 2011. Vol.59. No.4. P.1385–1389.
15. Maity S., Gupta B. Closed form expressions to find radiation patterns of rectangular dielectric resonator antennas for various modes. // IEEE Trans. Antennas Propag. 2014. Vol.62. No.12. P.6524–6527.
16. Malheiros-Silveira G.N., Hernandez-Figueroa H.E. Dielectric resonator nanoantenna coupled to metallic coplanar waveguide. // IEEE Photonics Journal. 2015. Vol.7. No.1. P.1–7.
17. Курушин А.А., Пластиков А.Н. Проектирование СВЧ устройств в среде CST Microwave Studio. М.: Издательство МЭИ. 2012. 152 с.
Для цитирования:
Алексейчик Л.В., Курушин А.А. Моделирование возбуждения диэлектрического резонатора полем плоской электромагнитной волны. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2020. №11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.11.1