导言
本示例演示了XFdtd如何模拟 60 GHz 圆柱形介质谐振器天线，该天线在硅底座上构建，以模拟片上设计。该天线可用于无线个人区域网络 (WPAN)，在用户工作区附近提供通信。该天线的峰值增益约为 2.5 dBi，带宽超过 2.5 GHz，正增益约为 +/- 55 度。本文讨论的天线设计和仿真来自一篇会议论文[1]。
设备设计与仿真
由于该天线是在芯片上安装的，因此模拟时将其固定在一个 1500 μm x 1500 μm x 250 μm 的有损耗硅块（相对介电常数为 11.9，电导率为 10 S/m）上。硅块顶部覆盖一层 6.22 μm 的二氧化硅（相对介电常数 4），然后再覆盖一层 2 μm 的导电地平面。谐振器由 50 欧姆共面波导 (CPW) 供电，半径为 0.33 毫米，高度为 0.3 毫米，相对介电常数高达 48。在 CPW 槽周围的接地平面和硅块之间安装了通孔。天线的几何形状在图 1 的三维 CAD 视图和图 2 的俯视图中可见。
图 1：芯片上介质谐振器天线的三维视图，如 CAD 图所示。 图中圆柱形谐振器位于共平面波导馈电的上方。 底部为硅基底层。
图 2：天线的俯视图，可以看到共面波导线以及周围的通孔，这些通孔将导电层接地到硅块上。
模拟后发现，回波损耗在 60 千兆赫附近有一个很深的空点（图 3），-10dB 带宽超过 2.5 千兆赫。输入阻抗与频率的函数关系如图 4 所示，在 60 GHz 频率下，输入阻抗与 50 欧姆匹配良好。
图 3：该天线在 60 千兆赫附近的回波损耗中显示出一个很深的空点，同时仍保持超过 2.5 千兆赫的 -10 dB 带宽。
图 4：天线的输入阻抗在 60 千兆赫时与 50 欧姆完全匹配，并在 4 千兆赫范围内平稳过渡。
天线正上方一点的增益与频率的函数关系（图 5）显示，在 60 千兆赫时，增益峰值约为 2.5 dBi，在超过 4 千兆赫带宽时，增益平滑下降为正。天线的辐射效率和系统效率（含失配损耗和不含失配损耗）在 60 千兆赫时达到约 60% 的峰值（图 6），辐射模式接近球形，在约 110 度的范围内具有正增益（图 7）。在 YZ 和 XZ 平面（垂直切面）上，天线具有近乎均匀的同极化增益（图 8 和图 9）和低得多的跨极化增益。水平 XY 平面上的辐射模式如图 10 所示。
图 5：天线正上方一点的增益在 60 千兆赫时达到约 2.5 dBi 的峰值，并在整个 4 千兆赫范围内以正增益平滑渐减。
图 6：与金属天线相比，由于损耗减少，该天线的辐射效率和系统效率相当高，在 60 千兆赫时约为 60%。
图 7：60 千兆赫的三维辐射图显示出近似球形的分布。 天线在 110 度波束宽度上具有正增益。
图 8：在天线图案的 YZ 平面（垂直切面）上，可以看到共极化增益远大于交叉极化增益，从而提供了极佳的隔离效果。
图 9：在天线图案的 XZ 平面（垂直切面）上，共极化增益比交叉极化增益高出近 30 dB，从而提供了极佳的隔离效果。
图 10：水平 XY 平面上的增益模式有所减小，增益峰值为 -3dBi，显示出极化的混合。
结论
天线的高介电常数电介质谐振器能够以比金属天线低得多的损耗工作，从而提高效率，同时还能提供良好的增益和阻抗宽带性能。
参考资料
[1] P. V. Bijumon、A. P. Freundorfer、M. Sayer 和 Y. M. M. Antar，"用于毫米波应用的片上硅集成圆柱介质谐振器天线"，2007 年国际信号、系统和电子研讨会，蒙特利尔，QC，2007 年，第 489-492 页，doi：10.1109/ISSSSE.2007.4294520。
