Schnelle Analyse und Optimierung von Substratintegrierten Wellenleitern (SIW) Antennen mit der Konturintegralmethode (CIM)

Mit den schnellen Simulationswerkzeugen vom TET Institut wollen wir eine schnelle Simulationsmethode zur Berechnung des inneren, des Nah- und des Fernfeldes einer normalen SIW-Hornantenne entwickeln. Zuerst wird das innere Feld der Anregung und das Aperturfeld der SIW-Hornantenne mit der CIM berechnet. Mit dem Huygen‘schen Äquivalenzprinzip wird das abgestrahlte Feld berechnet. Dadurch wird dieser Ansatz zu einer Kombination der CIM und des Huygens-Prinzips, wie in Abbildung 1 gezeigt.

Fig. 1. Visualisierung der vorgeschlagenen Methode zur Berechnung von SIW-Hornantennen.

Im ersten Schritt muss diese kombinierte Methode auf Basis des bereits vorhandenen Codes implementiert werden. Danach wird die Genauigkeit des Strahlungsdiagramms, des Antennengewinns, die Level der Nebenkeulen und der Rückstrahlung mit kommerzieller Vollwellensoftware und Messergebnissen verglichen. Falls die Ergebnisse nicht gut übereinstimmen, werden die Bedingungen an den Toren der Horn-Apertur für die CIM angepasst, um vorher vernachlässigte Effekte zu berücksichtigen. Eine erste Studie zum CIM-Ansatz der Berechnung der Anregung und der inneren Felder der SIW-Hornantenne wurde bereits durchgeführt, um die Machbarkeit des vorgeschlagenen hybriden CIM-MoM Ansatzes zu überprüfen. Die Ergebnisse für das elektrische Feld sind in Abbildung 2 gezeigt und sie stimmen gut mit Ergebnissen der Vollwellensimulation mit kommerzieller Software überein. Der CIM-Ansatz ist effizienter und führt zu einer Beschleunigung von einer bis drei Größenordnungen.

Fig. 2. Beispielhafte Feldberechnung für SIW-Hornantennen mit dem CIM-Ansatz (gezeigt sind die elektrischen Felder).

Neben der Anwendung der CIM werden wir auch die Polynomial Chaos Expansion (PCE) in die CIM integrieren, um beispielweise Variationen im Model effizient zu analysieren. Es wird sehr interessant zu untersuchen, wie robust die Abstrahldiagramme im Bezug zu Unsicherheiten des Dielektrikums sind. Alternativ wird es auch benutzt um die richtigen „Stellschrauben“ eines Designs zu identifizieren, da PCE es möglich macht, die Variablen, die einen hohen Einfluss auf die Performance haben, zu identifizieren.

Finanzierung: Alexander-von-Humbodt Stiftung
Kontakt: Dr. Lei Wang