Lente no homogénea de banda ancha con patrón de radiación cónico

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 12907 (2023) Citar este artículo

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Este manuscrito presenta una antena de lente con haces cónicos y laterales simultáneos. La lente está diseñada para la banda Ku mediante el método de inserción de rayos. El patrón de radiación cónico propuesto es de banda ancha debido a su buena correspondencia con la fuente y el entorno. La simulación se realiza utilizando el solucionador de estudio de microondas CST. En lugar de las complejas formas de antena utilizadas en otros trabajos, se utiliza un simple anillo de conexión circular y un conector de RF como alimentación de lente para generar patrones cónicos laterales y omnidireccionales, respectivamente. Para validar el rendimiento de la lente diseñada y su antena de alimentación de dos puertos, la estructura de la lente se realiza y fabrica utilizando el método de impresión 3D. En este trabajo se utiliza material plástico de tereftalato de polietileno (PETG) para construir la lente. Las características electromagnéticas del PETG en la banda Ku se miden con precisión. Los resultados de simulaciones y experimentos demuestran el buen rendimiento de la lente diseñada en un amplio ancho de banda de frecuencia. La ventaja de esta estructura diseñada sobre otras obras es su alta ganancia y amplio ancho de banda.

La comunicación de datos inalámbrica de alta velocidad es necesaria para muchas aplicaciones que implican antenas de banda ultraancha y de alta ganancia. En los últimos años, las antenas de patrón de radiación cónico se han utilizado en diversas aplicaciones, como transferencia de datos de alta velocidad, automoción, canceladores de lóbulos laterales en radares, detección médica, recepción de satélites y comunicaciones móviles1,2,3,4,5,6. 7. El patrón de radiación del haz cónico es valioso para aplicaciones independientes de un patrón de radiación omnidireccional horizontal para proporcionar la mejor relación rendimiento-coste, como los sistemas de seguimiento de satélites4,8. Recientemente, algunas investigaciones se han centrado en el rango de frecuencia de la banda Ku para sistemas de comunicación de alta frecuencia9. Se han desarrollado sistemas con dos haces laterales y cónicos en antenas de alimentación simultánea10 o conmutable11. Para aumentar la confiabilidad de un sistema de comunicación, se pueden considerar antenas con diversidad de patrones en el transceptor12,13.

Recientemente, se han propuesto diferentes métodos para diseñar una antena de patrón cónico de banda ancha, como algunas formas del monopolo plano14,15,16, parche circular de microcinta truncado por sustrato17, guía de ondas coaxial de extremos abiertos18, conversión de modo en una guía de ondas circular19 y antena radialmente. antena de ranura dispuesta10,20. Se pueden excitar diferentes modos resonantes de antenas de parche circular para irradiar patrones cónicos y laterales21,22. La adopción de dos puertos separados con diferentes modos de radiación para una sola antena de parche es otro método para tener diversidad de patrones23.

Existen varios métodos para tener una antena con haz de radiación de banda ancha y alta directividad. Los conjuntos de transmisión planos y los conjuntos reflectores diseñados en base a superficies selectivas de frecuencia (FSS)24,25 o dieléctricos homogéneos26 y no homogéneos27 son algunos métodos para lograr patrones de radiación de alta ganancia. La complejidad de la construcción, el ancho de banda limitado y la realización de múltiples capas separadas son algunos de los principales inconvenientes de los métodos basados ​​en metamateriales. En los últimos años, se han introducido varios métodos para mejorar el rendimiento de las estructuras metamateriales. El rendimiento óptimo y la simplicidad de los procesos de fabricación son algunas de las ventajas de las estructuras metamateriales28,29. Introduce perfiles de fase separados en dos canales circulares que preservan la polarización, lo que permite imágenes holográficas separadas en dos campos preservados de la polarización con diferentes distancias de propagación. Está diseñado con cinco capas metálicas separadas por cuatro capas dieléctricas y es pasivo, sin pérdidas y recíproco. Las lentes dieléctricas son otra opción adecuada para colimar el haz de la fuente de alimentación en dirección frontal o dar forma al patrón de radiación deseado30,31,32,33.

Las lentes no homogéneas se dividen en isotrópicas y anisotrópicas. Habitualmente, las lentes anisotrópicas se diseñan basándose en el método de óptica de transformación (TO)34,35,36,37. Se trata de una nueva técnica para realizar estructuras y aplicaciones novedosas manteniendo al mismo tiempo las prestaciones electromagnéticas originales, que antes eran inalcanzables. Estos tipos de lentes tienen una complejidad de construcción y limitaciones de ancho de banda. Se han propuesto diversas técnicas para eliminar estos problemas38,39. La referencia 39 analiza el equilibrio entre los parámetros del material requeridos y el rendimiento deseado del dispositivo. La lente de este estudio se construye utilizando células no resonantes, con orificios de aire perforados en un medio huésped dieléctrico.

El método de inserción de rayos (RIM) es un enfoque para la manipulación de ondas de flexión40. Es un método analítico preciso basado en óptica geométrica que proporciona una relación paramétrica de la trayectoria del rayo para diseñar diversas estructuras no homogéneas, como lentes41,42, curvaturas40, divisores de haz43 y concentradores44. Las estructuras electromagnéticas diseñadas con este método tienen dos características principales: realizabilidad y amplio ancho de banda.

La teoría del medio efectivo se puede utilizar incorporando orificios de aire en celdas unitarias dieléctricas cúbicas o en forma de abanico para lograr una distribución de permitividad no homogénea. Las técnicas de impresión 3D (fabricación aditiva)34,45,46, las metasuperficies impresas47,48, el corte por láser49, el fresado de PCB y la perforación de sustratos dieléctricos50,51 son métodos para fabricar este medio.

En este artículo se propone una lente no homogénea basada en el método de inserción de rayos. Se utilizan un simple anillo de parche circular y un conector de RF como alimentación de la lente para generar patrones cónicos laterales y omnidireccionales, respectivamente. La lente no homogénea presentada no sólo aumenta la ganancia de la antena monopolo del conector de RF y crea un patrón de radiación de forma cónica, sino que también puede desarrollar una adaptación adecuada en el ancho de banda de frecuencia adecuado. La simulación Fullwave CST se utiliza para validar la antena de lente de diseño. Los aislamientos entre los dos puertos de la antena son superiores a 20 dB, lo que es considerable para aplicaciones de diversidad de patrones. Se fabrica y prueba un prototipo. Se observa una buena concordancia entre los patrones de radiación simulados y medidos.

Se han introducido muchos métodos para diseñar antenas de lentes para irradiar patrones de radiación de costado directivos, y el método de diseño propuesto basado en el método de inserción de rayos (RIM) se utiliza para diseñar una lente no homogénea con un patrón de radiación cónico. La ventaja de la estructura diseñada presentada sobre otros trabajos es su alta ganancia obtenida y su amplio ancho de banda. Además, el método de diseño propuesto es simple y utiliza un anillo de conexión circular y un conector de RF como alimentación de la lente para generar patrones cónicos laterales y omnidireccionales, respectivamente, en lugar de formas de antena complejas en otros trabajos.

El manuscrito está estructurado de la siguiente manera. El procedimiento de diseño de lentes basado en el método de inserción de rayos se analiza en la sección “Diseño de lentes de patrón cónico usando ecuaciones RIM”. Además, en esta sección se diseña la antena de alimentación. En el apartado “Realización y fabricación del perfil de la lente”, se realiza y fabrica la lente diseñada. El rendimiento de la lente diseñada se analiza en la sección "Resultados de simulación y medición". Finalmente, se ofrece una conclusión en la sección “Conclusión”.

Se han introducido muchos métodos para diseñar antenas de lentes para irradiar patrones de radiación laterales directivos. Esta sección tiene como objetivo concentrarse en el diseño de una lente no homogénea de patrón de radiación cónico. Las curvas de Lissajous son una familia de curvas similares a una elipse, descritas mediante ecuaciones paramétricas52. La ecuación RIM es el modelo desarrollado de la ecuación de Lissajous, en el que se tienen en cuenta las restricciones de la ecuación de Eikonal53. La ecuación de Eikonal describe una relación entre el índice de refracción de un medio y la trayectoria del rayo basándose en la óptica geométrica. La ecuación eikonal en el medio no homogéneo, isotrópico y sin pérdidas es la forma

donde \(n = \sqrt{{\varepsilon _r}}\) es el índice de refracción del medio. Según las ecuaciones de Eikonal, los cambios longitudinales y transversales en una estructura de índice de refracción de gradiente provocan una flexión de onda. La longitud óptica efectiva de cada rayo es independiente de la frecuencia, \(\omega\), y se define como \({l_e} = \frac{{c\Delta \phi }}{\omega } = \int _0^{ {t_f}} {n\,.dl} = \int _0^{{t_f}} {{n^2}(t)\,dt}\), donde la variable t varía de 0 a \(t_f\) para superficies de entrada y salida, respectivamente. El parámetro \(t_f\) es el valor final del parámetro t y puede ser diferente de un rayo a otro.

La ecuación 2 es la forma genérica de la ecuación RIM, que tiene constantes desconocidas determinadas utilizando parámetros conocidos en los puntos inicial y final de los rayos. La ecuación RIM no lineal describe la trayectoria del rayo y su índice de refracción particular.

donde \({a_\rho },\mathrm{{ }}{\mathrm{{a}}_z},\mathrm{{ }}{\mathrm{{b}}_\rho },\mathrm{{ } }{\mathrm{{b}}_z},\mathrm{{ }}{\mathrm{{c}}_\rho },\mathrm{{ }}{\mathrm{{c}}_z},\mathrm {{ }}{\mathrm{{k}}_\mathrm{{\rho }}},\,{k_z}\) y \({t_f}\) son constantes desconocidas. La variable t varía de 0 a \(t_f\) para los puntos de entrada y salida de cada rayo, respectivamente. La Figura 1 muestra una configuración típica de una antena de lente no homogénea con patrón de radiación cónico. Una muestra de rayo insertado emite desde el punto (0, 0) con un ángulo \(\alpha _s\) y con un índice de refracción de Uno, y luego de viajar dentro de la lente, llega al punto (\(\rho _f\), W ) en un ángulo de 0 grados con un índice de refracción de uno. \({\alpha _s}\) varía de \(-90^{\circ}\) a \(90^{\circ}\). Los rayos terminan en la dirección normal de una apertura con un diámetro de D. Para crear un patrón cónico de alta ganancia, la longitud óptica de todos los rayos debe igualarse al valor constante (\(l_{e}\)). La permitividad máxima depende directamente del valor de \(l_{e}\). Estos parámetros conducen a la determinación de valores desconocidos en la ecuación paramétrica RIM. Después de algunas manipulaciones matemáticas, los parámetros \(k_\rho\) y \(k_z\) se pueden encontrar a partir de las siguientes relaciones no lineales:

Una configuración típica de una antena de lente no homogénea con patrón de radiación cónico.

La trayectoria de los rayos versus una variable independiente t se puede simplificar de la siguiente manera:

Una antena monopolo con conector coaxial RF de montaje en superficie simple, es decir, SMA (versión subminiatura A), con radiación omnidireccional, se considera la alimentación de la lente para irradiar un patrón de forma cónica. La Figura 2 muestra la orientación de una lente, la alimentación monopolo y un patrón de radiación típico de la antena monopolo. La radiación de la alimentación monopolo en \(\theta =0^{\circ}\) es cercana a cero. La densidad del campo eléctrico radiado aumenta significativamente para ángulos mayores que cero grados. Como se ve en la Fig. 1, la lente está dividida en tres secciones A, B y C. Para tener un patrón de radiación de forma cónica más directivo, se debe optimizar el tamaño de la sección B. En otras palabras, se debe prestar más atención al punto final de los rayos (\(\rho _f\)) con ángulos radiados intermedios. Por lo tanto, la lente debería poder conducir el campo de radiación a ángulos mayores que \(\theta =0^{\circ}\). El patrón de radiación omnidireccional de la antena de alimentación monopolo facilita este fenómeno.

Una orientación de una lente y una alimentación monopolo y un patrón de radiación típico de la antena monopolo.

En primer lugar, se consideran las dimensiones de la lente para funcionamiento en la banda Ku, es decir, \(F=50\) mm y \(D=100\) mm. En cada sección se considera la distribución uniforme de los criterios de valoración. Para tener la directividad máxima del patrón cónico, se deben optimizar \(D_1\), \(\alpha _1\), \(D_2\) y \(\alpha _2\). Utilizamos CST Studio Suite para MATLAB Interface para optimizar la geometría de la estructura de la lente. El objetivo principal era gestionar el proyecto CST, recuperar y analizar los resultados de la simulación, exportar la geometría y obtener información diversa del proyecto. La capacidad programable de la geometría de la lente ha facilitado la contribución al Matlab File Exchange. La ganancia máxima del patrón cónico se consideró como función objetivo. Después de la optimización, el valor de \(D_1=10\) mm, \(\alpha _1=10^{\circ}\), \(D_2=65\) mm y \(\alpha _2=65^{\ circ}\) se obtienen. La longitud eléctrica se optimiza para tener una permitividad máxima de 2,8, es decir, \(l_{e}=2,6\). La trayectoria de los rayos y las distribuciones de permitividad relativa se muestran en la Fig. 3. El índice de refracción termina en uno en el plano de salida, por lo que la lente se adapta al espacio circundante. Los gráficos de parámetros desconocidos se muestran en la Fig. 4 para la lente optimizada.

(a) La trayectoria de los rayos y (b) distribuciones de permitividad relativa de la lente diseñada.

Los valores de parámetros desconocidos para la lente optimizada diseñada.

Además, se diseña un simple anillo de parche circular para alimentar la lente en la frecuencia central. Esta alimentación provoca un patrón de radiación lateral directivo. La lente debe optimizarse para obtener un mejor patrón de radiación cónico. Se puede obtener un patrón de radiación lateral directivo a partir de esta lente diseñada.

La geometría de la antena de alimentación propuesta se muestra en la Fig. 5. Las dimensiones físicas optimizadas de la estructura de alimentación se incluyen en la Tabla 1. La antena está fabricada sobre un sustrato de Rogers R04003C con un espesor de 20 mil y \(\epsilon _r \) = 3,38 (ver Fig. 6). Ambos puertos coinciden con los conectores SMA \(50 \,\Omega\).

La geometría de la antena de alimentación propuesta.

La antena fabricada.

Para garantizar el rendimiento de la lente diseñada y su antena de alimentación de dos puertos, la estructura de la lente se realiza y fabrica utilizando el método de impresión 3D. La fabricación por depósito fundido (FDM) es uno de los métodos de impresión 3D más utilizados. La extrusión de un material fundido a través de una boquilla se realiza mediante el método FDM para construir una estructura arbitraria. Los materiales más utilizados para la impresión 3D son el acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), el ácido poliláctico (PLA) y el tereftalato de polietileno (PETG). PETG tiene suficiente resistencia máxima y rigidez. Las ventajas del PETG son la durabilidad y la buena adherencia de la capa54. La temperatura de la boquilla durante la impresión del filamento PETG es de 240 °C, que es superior al valor recomendado para PLA. La alta resistencia al impacto, la resistencia al calor, el costo relativamente bajo, totalmente reciclable y la resistencia al agua hacen del PETG la mejor opción para las opciones de filamentos de impresión 3D55. Por lo tanto, en este trabajo se utiliza material plástico PETG para construir la lente.

La característica electromagnética del PETG debe determinarse con precisión para lograr el rendimiento óptimo de la lente en la banda de frecuencia de microondas. Los diferentes colores del filamento del material pueden ser determinantes en el valor de su coeficiente dieléctrico56. Tanto la permitividad como la permeabilidad pueden calcularse directamente mediante el método de Nicholson-Ross-Weir (NRW)57 a partir de los parámetros s. Para medir el complejo se utilizan una guía de ondas rectangular con una longitud de pared larga de 15,8 mm y un ancho de 7,9 mm, muestras de una longitud de 15,8 mm, un ancho de 7,9 mm y un espesor de 1 mm, y el analizador de redes Rohde and Schwarz (serie ZVA). valor de permitividad de PETG. La Figura 7 muestra la muestra de PETG. Para garantizar la máxima homogeneidad y densidad posible de la estructura interna de la muestra, se imprimió con una resolución de 50 μm y una densidad de relleno de \(100\%\). La Figura 8 muestra el resultado de la medición de una muestra de material PETG en el dispositivo de prueba de guía de ondas de banda Ku. La \(\epsilon _r'\) medida y la tangente de pérdida son 2,83 y 0,026 a 15 GHz, respectivamente. Los resultados de la medición del coeficiente dieléctrico de PETG informados en diferentes artículos se presentan en la Tabla 2.

La muestra PETG.

Resultados medidos de permitividad relativa (línea discontinua) y \(tg\delta (\%)\) (línea punteada) de PETG.

Se considera que la teoría del medio efectivo da cuenta de la permitividad no homogénea de la lente propuesta. La permitividad cambia suavemente de Uno en las secciones laterales exteriores a un valor máximo de 2,8 en la sección central de la lente (ver Fig. 3).

La Figura 9 muestra un modelo de celdas unitarias en forma de abanico que completan una estructura de anillo al colocarse una al lado de la otra. El material PETG de fondo está perforado con agujeros circulares. El número de celdas en forma de abanico debe ser un número entero en un anillo con un radio de \(R_c\) y se calcula de la siguiente manera.

donde \(R_o\) y \(R_i\) son iguales al radio exterior y al radio interior de la celda unitaria, respectivamente. La permitividad efectiva de una celda unitaria perforada es

donde \(\eta\) es el factor de llenado del área de celda unitaria. El factor de llenado se define como la relación entre el tamaño del agujero y el área de la celda unitaria.

donde \(S_{circular\,hole}\) es el área del orificio de aire y \(S_{unit\,cell}\) es el área de la celda unitaria de la red.

Sustituyendo el área del agujero circular y el área obtenida de la ecuación. (8) en la ecuación. (6), se puede obtener el radio del agujero (r). La diferencia entre el radio exterior e interior de los anillos (\(R_o-R_i\)) se considera 2,5 mm (\(=0,125\lambda _c\)), y su altura se limita a 1,5 mm (\(=0,075\lambda _c\)), donde \(\lambda _c\) es la longitud de onda de la frecuencia central (15 GHz). La variación de la permitividad efectiva de un elemento de celda unitaria con diferentes tamaños de orificios para materiales plásticos PETG se muestra en la Fig. 10. Para fabricar la lente diseñada utilizando tecnología FDM, la restricción del espesor mínimo de 0,5 mm para las paredes de la celda unitaria debe sentirse satisfecho. Por lo tanto, la permitividad relativa efectiva más baja que se puede lograr utilizando orificios de aire circulares es 1,8. La Figura 11 muestra el corte bidimensional de la distribución de permitividad de la lente diseñada en el rango de 1,8 a 2,8. Según la trayectoria de los rayos en la Fig. 3, la sección C en la Fig. 1, y el patrón omnidireccional de la antena de alimentación SMA en la Fig. 2, se puede observar que la parte de la lente cuya permitividad es menor que 1,8 (sección C) tiene un efecto menor en el resultado final y puede despreciarse.

Un modelo de celdas unitarias en forma de abanico.

La variación de la permitividad efectiva de una celda unitaria en forma de abanico con diferentes diámetros de orificio.

El corte bidimensional de la distribución de permitividad de la lente diseñada en el rango de 1,8 a 2,8.

La lente con una simple antena de alimentación de dos puertos ha sido diseñada, fabricada y probada basándose en las ecuaciones derivadas. El esquema de la lente graduada realizada se muestra en la Fig. 12. La Figura 13 muestra el modelo de lente fabricado, que contiene 5100 celdas. El diámetro y la altura de la lente impresa en 3D son \(D=50\) mm y \(W=37,5\) mm, respectivamente. Se ve que el diámetro del agujero aumenta desde el centro hacia los lados de la lente. El peso de la lente impresa es de 41,5 g.

El esquema de la lente graduada realizada.

El modelo de lente fabricado contiene 5100 celdas.

El conjunto de antena y lente fabricados se muestra en la Fig. 14. En esta sección, el puerto del parche en anillo, que irradia un patrón lateral, se considera el puerto uno, y se selecciona el puerto de SMA, que irradia un patrón cónico. como segundo puerto. Los coeficientes de reflexión y el aislamiento de los puertos de antena monopolo y de parche en anillo se muestran en la Fig. 15, respectivamente. Un solo SMA actúa como una antena monopolo con un ancho de banda de frecuencia limitado y un patrón de radiación omnidireccional. La altura del pin SMA (parámetro L en la Fig. 5) se optimizó para cubrir el máximo ancho de banda posible. Como puede verse, el coeficiente de reflexión de \(S_{22}<-10\) dB cubre el rango de frecuencia de la banda Ku debido a la combinación adecuada entre la lente y la sonda de alimentación coaxial.

El parche en anillo tiene un ancho de banda limitado debido a su comportamiento resonante. Se podrían elegir varias antenas convencionales diseñadas en diferentes artículos (mencionadas en la introducción) para alimentar la lente no homogénea propuesta. Pero el objetivo principal de este manuscrito es innovar en una lente de patrón de radiación de forma cónica de banda ancha, y tener un patrón de radiación lateral es un beneficio secundario de esta lente. El aislamiento puerto a puerto es esencial en la aplicación de diversidad de patrones. La Figura 15 muestra que el aislamiento entre dos puertos es superior a 20 dB, lo que es considerable para antenas con diversidad de patrones.

El conjunto de antena y lente fabricados.

Los coeficientes de reflexión y el aislamiento de los puertos de antena monopolo y de parche en anillo. El puerto del parche de anillo se considera el puerto uno y el puerto de SMA se selecciona como el segundo puerto.

La Figura 16 muestra la distribución del campo eléctrico normalizado simulada a \(15\) GHz para la lente propuesta. Los patrones de radiación 3D simulados de la antena de lente se representan en la Fig. 17 a \(15\) GHz. La ganancia simulada realizada de los diagramas de radiación lateral y cónico es de 17,1 y 14,2 dBi, respectivamente. La copolarización del patrón cónico es la misma que la polarización del conector SMA monopolo, es decir, polarización lineal (\(E_\theta\)). La polarización de la polarización cruzada del patrón cónico es \(E_\phi\). Las características de rendimiento de los diagramas de radiación 2D de la antena de lente se muestran en las Figs. 18, 19 y 20. Las Figuras 18a,b ilustran los patrones de radiación normalizados simulados y medidos para el puerto de parche en anillo en el plano \(\phi =0^{\circ}\) y \(\phi =90^{ \circ}\)-plano a 15 GHz, respectivamente. El nivel del lóbulo lateral (SLL) es inferior a \(-22\) dB para ambos planos. Los anchos de haz de potencia media (HPBW) del plano E (\(\phi =0^{\circ}\)-plano) y del plano H (\(\phi =90^{\circ}\)-plano) son 22 grados y 24 grados, respectivamente. Las Figuras 19 y 20 ilustran los patrones de radiación cónica normalizados simulados y medidos para el puerto SMA en el plano \(\phi =0^{\circ}\) y \(\phi =90^{\circ}\) en algunas frecuencias, respectivamente. Además, se observan patrones de radiación cónicos simétricos con un nulo en el cenit (\(\theta = 0^{\circ}\)) para los cortes de los planos XZ e YZ. La Figura 21 ilustra los patrones de radiación cónica normalizados simulados y medidos para el puerto SMA en un plano constante (\(\theta =15^{\circ}\)) a 15 GHz. Los resultados del patrón de radiación cónico indican que la cobertura del haz de elevación es de \(7,5^{\circ}\) a \(23,5^{\circ}\), y la ganancia máxima obtenida es de 14,2 dBi en \(15,4^{\circ} \) elevación a 15 GHz. Además, en la Fig. 22 se muestra la ganancia realizada medida y simulada para ambos puertos. Se observa una buena concordancia entre los patrones de radiación simulados y medidos. El rendimiento de algunas antenas de patrón cónico reportadas se resume en la Tabla 3 para compararlo con el del trabajo propuesto. La ventaja de la estructura diseñada presentada sobre otros trabajos es su alta ganancia obtenida y su amplio ancho de banda. Además, en este artículo se utiliza un conector SMA simple como alimentación de la lente para generar patrones cónicos omnidireccionales en lugar de formas de antena complejas en otros trabajos.

la distribución normalizada del campo eléctrico a 15 GHz, (a) puerto de conexión de anillo y (b) puerto SMA.

Los patrones de radiación 3D simulados de la antena de la lente a 15 GHz, (a) puerto de parche en anillo y (b) puerto SMA.

Patrones de radiación normalizados simulados y medidos para el puerto de parche en anillo en (a) plano \(\phi =0^{\circ}\) y (b) \(\phi =90^{\circ}\) en 15 GHz.

Patrones de radiación cónica normalizados simulados y medidos para el puerto SMA en el plano \(\phi =0^{\circ}\).

Patrones de radiación cónica normalizados simulados y medidos para el puerto SMA en el plano \(\phi =90^{\circ}\).

Patrones de radiación cónica normalizados simulados y medidos para el puerto SMA en un plano constante (\(\theta =15^{\circ}\)) a 15 GHz.

Ganancia realizada medida y simulada para ambos puertos.

En este manuscrito, se presentó una lente no homogénea basada en el método de inserción de rayos. Se utilizó un simple anillo de parche circular y un conector de RF como alimentación de la lente para generar patrones cónicos laterales y omnidireccionales, respectivamente. La lente no homogénea presentada no sólo aumenta la ganancia de la antena monopolo del conector de RF y crea un patrón de radiación de forma cónica, sino que también puede desarrollar una adaptación adecuada en el amplio ancho de banda de frecuencia. La estructura de la lente se realiza y fabrica mediante el método de impresión 3D. La ganancia lateral realizada es de 17,1 dBi, y su plano E (\(\phi =0^{\circ}\)-plano) y plano H (\(\phi =90^{\circ}\)-plano ) los anchos de haz de media potencia (HPBW) son 22 grados y 24 grados a 15 GHz, respectivamente. Los resultados del patrón de radiación cónico indican que la cobertura del haz de elevación es de \(7,5^{\circ}\) a \(23,5^{\circ}\), y la ganancia máxima obtenida es de 14,2 dBi en \(15,4^{\circ} \) elevación a \(15\,\,GHz\). Los resultados de simulaciones y experimentos indican buenos rendimientos de la lente diseñada en el amplio ancho de banda de frecuencia.

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

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Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, Universidad Tecnológica de Qom, Khodakaram Blvd, Old Qom-Tehran, Road, Qom, 1519-37195, Irán

Mohammad Mahdi Taskhiri y Saeed Fakhte

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MMT llevó a cabo el diseño y la implementación de la lente propuesta. Los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Mohammad Mahdi Taskhiri.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Taskhiri, MM, Fakhte, S. Lente no homogénea de banda ancha con patrón de radiación cónico. Informe científico 13, 12907 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40024-9

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Recibido: 03 de junio de 2023

Aceptado: 03 de agosto de 2023

Publicado: 09 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-40024-9

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