Polarizado circular 3D

Dec 23, 2023

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 11838 (2023) Citar este artículo

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Este artículo presenta una antena de resonador dieléctrico cilíndrico impresa en 3D que funciona a 5,8 GHz y que logra una polarización circular integrando una hélice parásita totalmente dieléctrica con una permitividad mayor que el resonador cilíndrico. La polarización de la antena puede ser derecha o izquierda dependiendo del sentido de giro de la hélice. Se realizó un extenso estudio paramétrico para el diseño de la hélice para evaluar los efectos de las dimensiones y la constante dieléctrica de la hélice sobre la relación axial y de adaptación de la antena. La fabricación se realiza mediante filamentos dieléctricos de bajas pérdidas y una impresora 3D de bajo coste. Los resultados de simulación y medición muestran que ambas antenas están bien adaptadas y operan con la polarización circular correspondiente, con un ancho de banda de relación axial compatible con aplicaciones UAV.

La polarización circular (CP) se ha utilizado en una amplia variedad de aplicaciones de comunicación inalámbrica, como comunicaciones por satélite y vehículos no tripulados1, debido a sus numerosas ventajas. Por ejemplo, cuando se utiliza CP, se puede reducir la dispersión del retardo, asegurando niveles más altos de potencia recibida2, y esta polarización tiene una mayor resistencia a la interferencia multitrayectoria3,4. En la literatura se pueden encontrar diferentes métodos para la obtención de antenas polarizadas circulares, que se basan principalmente en modificar la estructura radiante o la red de alimentación de la antena5,6.

En la perspectiva de implementación de antenas CP, también se pueden encontrar antenas de resonador dieléctrico polarizado circular (DRA), que pueden ser candidatas interesantes para las aplicaciones mencionadas, debido a su versatilidad en cuanto a formas, patrones de radiación y posibilidades de implementación. Sin embargo, los DRA pueden verse limitados al diseñar formas complejas si se utilizan técnicas tradicionales de fabricación dieléctrica, lo que genera mayores costos7. Una tecnología que puede superar este problema es su implementación mediante fabricación aditiva.

La fabricación aditiva o impresión 3D es adecuada para muchas aplicaciones en ingeniería8, incluidas las topologías de alta frecuencia9, debido a la disponibilidad de filamentos dieléctricos de bajo costo y bajas pérdidas e impresoras 3D de alta precisión. Esto permitió implementar topologías con formas que eran demasiado costosas o imposibles de implementar sin esta tecnología10. En la literatura se pueden encontrar algunos ejemplos de implementación de DRA mediante impresión 3D, como estructuras de alta ganancia11, estructuras de anillos múltiples12 y el documento de la conferencia que contiene el trabajo preliminar sobre el diseño presentado aquí13.

La antena presentada en este artículo consiste en el diseño, estudio paramétrico, análisis modal, implementación y medición de una antena resonadora dieléctrica cilíndrica (DRA) que opera a 5.8 GHz, la cual utiliza una hélice dieléctrica parásita con alta permitividad para lograr polarización circular. El sentido de giro de la hélice determina que el sentido de la polarización sea hacia la derecha (RHCP) o hacia la izquierda (LHCP).

CDRA propuesta con estructura de hélice y alimentación. (a) Vista lateral (b) Vista superior (c) Estructura de hélice dieléctrica para LHCP y RHCP.

La antena propuesta se muestra en la Fig. 1. Consta de dos estructuras dieléctricas: una antena de resonador dieléctrico cilíndrico (CDRA) y una hélice dieléctrica parásita colocada alrededor de la CDRA. Primero, las dimensiones del CDRA están diseñadas para una frecuencia de resonancia \(f_0\) a 5,8 GHz que excita el modo HEM\(_{11\Delta }\)14,15, utilizando una alimentación de acoplamiento de ranura7 definida por la ecuación. (1):

donde c es la velocidad de la luz, \(r_{DRA}\) es el radio de DRA (\(d_{DRA}/2\)) y \(h_{DRA}\) la altura de DRA. El factor de forma seleccionado para este DRA da una dimensión para el radio de \(r_{DRA}=9\) mm y una altura \(h_{DRA}=16\) mm, utilizando un material con permitividad relativa \(\varepsilon {r2}=9\). En la Fig. 2, se muestran el \(|S_{11}|\) simulado del CDRA diseñado y el patrón de radiación simulado para ambos planos a 5,8 GHz. Podemos ver que el CDRA tiene una ganancia máxima de alrededor de 6 dBi, mientras que coincide bien con la frecuencia de diseño.

Resultados CDRA simulados. (a) \(S_{11}\) en función de la frecuencia (b) Patrón de radiación a 5,8 GHz.

Una vez hemos diseñado correctamente el CDRA, procedemos a la implementación de la hélice dieléctrica que dará polarización circular al DRA original. Primero, las ecuaciones de la curva de hélice se definen como una función de los parámetros mostrados en la Fig. 1. Las ecuaciones se definen teniendo un plano de referencia cartesiano (x, y, z)16 y se presentan para cada eje en las Ecs. (2), (3) y (4):

donde \(w_{helix}/2\) es el radio de la hélice, g define la separación total o espacio entre cada vuelta, mientras que la longitud total de la hélice está definida por t, que comienza desde \(t_0 = 0\ ) a \(t_f =2\pi h_{dra}/{g}\), que depende de la altura del DRA \(h_{dra}\) y de la separación entre vueltas. Para el diseño de la hélice se realiza un estudio paramétrico con el fin de obtener una antena con polarización circular a 5,8 GHz. Este estudio involucra tres posibles parámetros de diseño para la hélice: el ancho de la hélice \(w_{helix}\), la permitividad relativa de la hélice \(\varepsilon _{r1}\) y el espacio entre vueltas g, que se puede obtener mediante el paso de la hélice. Respecto a la permitividad de la hélice, se definen dos posibles casos para el estudio: una permitividad superior a la CDRA (\(\varepsilon _{r_1}\) = 13) y utilizando el mismo valor que la CDRA (\(\varepsilon _ {r_1}\) = 9).

En la Fig. 3 se muestran los resultados del estudio paramétrico utilizando diferentes valores para el ancho de la hélice y su impacto sobre el coeficiente de reflexión y la relación axial. Este estudio se realiza considerando las dos permitividades relativas descritas anteriormente, 13 y 9, y una separación de hélice de 18 mm. Se puede ver que para todos los casos, la antena permanece adaptada a la frecuencia de interés, sin embargo, se produce un cambio de frecuencia y una degradación de la relación axial al reducir la permitividad relativa y el ancho de la hélice. Un segundo estudio de la variación del espacio entre espiras g se realiza fijando el ancho de la hélice en 3 mm. De los resultados mostrados en la Fig. 4, podemos ver que al fijar la permitividad, una mayor separación entre vueltas conduce a un mayor ancho de banda AR. De estos estudios, en conclusión, necesitamos utilizar un valor de permitividad mayor, para la hélice, y una separación mayor entre espiras, teniendo en cuenta el ancho de la hélice.

Estudio paramétrico considerando diferentes anchos de hélice. (a) Relación axial. (b) \(S_{11}\).

Estudio paramétrico considerando diferentes pasos de hélice. (a) AR, (b) \(S_{11}\).

La antena propuesta siguiendo el modelo presentado en la Fig. 1 tiene las siguientes dimensiones: \(d_{DRA}=18\) mm, \(h_{DRA}=16\) mm, \(\varepsilon _{r2}=9\ ), \(d_{helix}=18\) mm, \(w_{helix}=6.0\) mm \(g=18\) mm y \(\varepsilon _{r1}=13\). Para la alimentación se utiliza un sustrato Rogers RO3003 (\(\varepsilon _r=3\) y tan\(\delta =0.0013\)). Las dimensiones laterales y el ancho del sustrato, como se muestra en la Fig. 1, son \(w_{sub}=80\) mm y \(h_{sub}=1,52\) mm, mientras que las dimensiones de la abertura en la ranura alimentación son \(w_{slot}= 9.0\) mm, \(l_{slot}= 1.8\) mm, \(l_{stub}= 8\) mm y el ancho de la línea de microstrip es \(w_m=3.82 \) mm. Se simulan dos implementaciones, las estructuras RHCP y LHCP, utilizando ANSYS HFSS.

Resultados simulados de la antena. (a) \(S_{11}\) en función de la frecuencia del CDRA con hélices. (b) Relación axial para los casos RHCP y LHCP.

En la Fig. 5 se muestran los coeficientes de reflexión simulados \(S_{11}\) del CDRA con la hélice parásita y las relaciones axiales correspondientes. Podemos ver que cuando la hélice está presente, podemos ver claramente dos resonancias, correspondientes a los dos modos ortogonales excitados17,18, resonando a 5,7 GHz y 6,1 GHz. Para las relaciones axiales, como era de esperar, ambas antenas tienen la misma relación axial, independientemente de la polarización, alcanzando valores inferiores a 3 dB en la frecuencia operativa.

Patrón de radiación de ganancia simulada a 5,8 GHz en los dos planos principales y para ambos casos de polarización. (a) Antena RHCP. (b) Antena LHCP.

En la Fig. 6 se muestran los patrones de radiación de ganancia simulados a 5,8 GHz para ambas polarizaciones. Podemos ver que la radiación de la antena se modifica ligeramente dependiendo de la polarización, teniendo una ganancia máxima de 5 dBi en la frecuencia de diseño en \(0^\circ\). Finalmente, la Fig. 7 muestra la ganancia máxima simulada y la eficiencia de la antena en el ancho de banda de relación axial de la antena. Podemos ver que la eficiencia de la antena es de alrededor del 80% sobre el ancho de banda evaluado, mientras que la ganancia máxima está entre 6 y 7 dBi en la misma banda.

Ganancia máxima simulada y eficiencia en función de la frecuencia.

Distribución vectorial de campo E simulada. (a) CDRA. (b) CDRA con hélice dieléctrica parásita RHCP.

Distribución vectorial de campo E simulada en las frecuencias resonantes del modo respectivo. (a) Vista lateral a 5,76 GHz, (b) Vista lateral a 6,0 GHz, (c) Vista superior a 5,76 GHz, (d) Vista superior a 6,0 GHz.

Es importante identificar los modos generados en el CDRA con la hélice dieléctrica y comprobar su ortogonalidad. La distribución del vector del campo E obtenida con simulación de onda completa se muestra en la Fig. 8. En el CDRA sin hélice se ve claramente el modo HEM\(_{11}\) esperado, mientras que cuando la hélice está presente, el modo eléctrico El campo sigue el comportamiento de RHCP. Para ver e identificar estos dos modos degenerados ortogonales, se simula el DRA en la solución Eigenmode Ansys HFSS para obtener los campos en cada modo resonante. El primer modo se excita a 5,76 GHz como se muestra en la Fig. 9, donde podemos identificarlo como HEM\(_{12\delta }\). El segundo modo se excita a 6,02 GHz, correspondiente al modo TM\(_{01\delta }\), siendo ambos modos ortogonales19. Con base en este análisis, esperamos obtener una relación axial baja a la frecuencia de diseño de \(f_0=5.8\) GHz, similar a la lograda al diseñar antenas de parche con polarización circular (CP) mediante la excitación de modos ortogonales.

Una vez fijado el diseño, procedemos a fabricar la antena mediante impresión 3D por fabricación de filamentos fundidos (FFF). Los materiales utilizados para la impresión son los filamentos dieléctricos premezclados de bajas pérdidas de AVIENT20. Para la hélice, usamos el filamento ABS1500, que tiene una \(\varepsilon _{r_1}=15\), y para el CDRA usamos el filamento ABS1200 que tiene una permitividad relativa nominal de \(\varepsilon _{r_2} =12\). En cuanto a la impresora 3D, utilizamos una impresora 3D de bajo coste de Ocular3D21 cuyas características se resumen en la Tabla 1.

Los parámetros de impresión 3D utilizados para la deposición de los filamentos se establecieron utilizando una temperatura de la boquilla de 260\(^{\circ }\)C, una temperatura del lecho de 110\(^{\circ }\)C, un flujo de 100% y un porcentaje de relleno del 100%. Una vez definidos los parámetros se procede a imprimir muestras y caracterizar su permitividad relativa mediante el método de Nicolson-Ross-Weir22,23 en la banda de interés. Se sabe que puede haber diferencias entre el valor nominal de la permitividad relativa del filamento y el valor impreso real dependiendo de los parámetros de impresión24 y, por lo tanto, la caracterización de muestras es relevante para estas implementaciones. Las muestras se caracterizaron en la banda de 4,9 GHz a 7,0 GHz, utilizando una guía de ondas estándar WR159. Las permitividades medidas resultantes fueron \(\varepsilon _{r_1}=13\) para el filamento ABS1500 y \(\varepsilon _{r_2}=9\) para el filamento ABS1200. Finalmente, la antena impresa se muestra en la Fig. 10.

RHCP DRA impreso en 3D con hélice.

El coeficiente de reflexión de la antena se midió utilizando un analizador vectorial de redes Anritsu MS46122B, mientras que el patrón de radiación de ganancia y la relación axial se midieron en una cámara anecoica. Cabe señalar que como las implementaciones de RHCP y LHCP son idénticas en estructura, solo hemos implementado la versión de RHCP para su validación. La Fig. 11 contiene el coeficiente de reflexión \(|S_{11}|\) simulado y medido y la relación axial en función de la frecuencia del DRA. Podemos observar que la antena está adaptada a la frecuencia operativa, mientras que la relación axial alcanza un valor en torno a 1 dB a 5,8 GHz y un ancho de banda AR en torno al 1,9%, obteniendo una buena concordancia entre mediciones y simulaciones, pero presentando una ligera variación general. cambio en las frecuencias resonantes. El ligero cambio de frecuencia puede atribuirse principalmente a las tolerancias en la permitividad relativa del filamento dieléctrico que se utiliza.

Resultados de las mediciones de la antena diseñada por RHCP. (a) \(S_{11}\) en función de la frecuencia. (b) Relación axial.

El patrón de radiación de ganancia simulado y medido en dos planos de corte del DRA con las nuevas dimensiones se muestra en la Fig. 12. Podemos ver una muy buena concordancia con las simulaciones, teniendo una ganancia máxima de 5,3 dBi. Finalmente, en la Tabla 2 se presenta una comparación con otras implementaciones de DRA de alimentación única de CP. Podemos ver que la implementación de hélice tiene un ARBW ligeramente mayor, y la ventaja es que se imprime en 3D utilizando una impresora 3D de bajo costo.

Patrón de radiación de ganancia de comparación medido y simulado a 5,8 GHz. (a) Plano ZY (b) Plano ZX.

El artículo presenta una antena resonadora dieléctrica cilíndrica polarizada circular impresa en 3D obtenida añadiendo una hélice dieléctrica parásita a la estructura. El diseño de esta antena se basa en una CDRA simple, con una hélice que da la polarización circular deseada en función de su sentido de giro, mientras que las principales características de la antena, como la ganancia máxima en la frecuencia de resonancia original y el emparejamiento en esta misma Las frecuencias permanecen cercanas a las del CDRA sin la hélice. Además, el ancho de banda de relación axial obtenido es compatible con aplicaciones UAV. Por otro lado, la posibilidad de implementar completamente la estructura mediante impresión 3D de bajo costo la hace interesante para aplicaciones donde el costo, el volumen y el peso pueden ser un problema, como en el caso de vehículos no tripulados. Además, se demuestra lo fundamental que es caracterizar los filamentos impresos, ya que sus propiedades dieléctricas finales pueden variar en función de los parámetros de impresión y las características de la impresora. Finalmente, la versatilidad de este diseño lo convierte en una buena topología candidata para probarla utilizando otros tipos de DRA.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Los autores desean agradecer a AVIENT por su apoyo con los filamentos. Gracias a la Universidad Técnico Federico Santa María, por permitir el uso de su cámara anecoica. Los autores agradecen a ANID FOVI210008, FONDECYT REGULAR 1221090 y la beca PID2019-107688RB-C21 financiada por MCIN/AEI/10.13039/501100011033.

Escuela de Ingeniería Eléctrica, Pontificia Universidad Católica de Valparaíso, 2362804, Valparaiso, Chile

Sebastian Diaz & Francisco Pizarro

Laboratorio de Exploración Espacial y Planetaria (SPEL), Departamento de Ingeniería Eléctrica, Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, Universidad de Chile, 8370448, Santiago, Chile

Marcos Diaz

Departamento de Teoría de la Señal y Comunicación, Universidad Carlos III de Madrid, 28911, Madrid, España

Eva Rajo-Iglesias

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SD, MD, ERI y FP llevaron a cabo el diseño y la implementación de la antena propuesta y también contribuyeron a la redacción del artículo. Todos los autores han revisado el artículo.

Correspondencia a Francisco Pizarro.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Díaz, S., Díaz, M., Rajo-Iglesias, E. et al. DRA cilíndrico impreso en 3D con polarización circular utilizando hélice dieléctrica parásita. Representante científico 13, 11838 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39098-2

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Recibido: 16 de mayo de 2023

Aceptado: 20 de julio de 2023

Publicado: 22 de julio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39098-2

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