はじめに
テラヘルツ周波数のデュアルバンドアンテナは、通信やレーダー用途に有用であるが、従来の技術では製作が困難な場合が多い。ここでは、[1] で議論された設計をXFdtd EM シミュレーションソフトウェアで評価し、94 GHz の低周波数帯域を放射する円錐ホーンと、340 GHz の高周波数帯域を放射するテーパー誘電体ストリップを使用しています。このアンテナは、E平面とH平面で等しいビーム幅パターンを生成し、このアンテナシミュレーションでは、両方の周波数で約18 dBiの利得を得ました。
デバイス設計とシミュレーション
アンテナの給電端は2つの矩形導波管ポートで構成され、低周波ポートは構造体の側面に、高周波ポートはホーンの中心軸に直交するように配置されている。石英のテーパー付き誘電体ストリップがデバイスの長さを貫き、340GHzの導波管フィードを部分的に満たしている。94GHzの低周波ポートは、矩形から円形への導波管遷移領域に供給され、その後円錐ホーンに供給される。図1には、テーパーの付いた石英ストリップを赤色で示し、94GHzのポートをホーンの＋X側に見えるように3次元で示した。ホーンを上面（+Y）方向と前面（+Z）方向から見た図を図2と図3に示すが、X方向ではテーパーの付いたストリップが導波管を部分的に埋めているのがわかる。
図1：アンテナの3次元CAD図では、右側に2つの入力ポートがあり、ホーン構造の中央をテーパー状の石英ストリップが走っている。
図2：2つの入力ポートの向き、遷移領域とホーンの全体形状を示すアンテナの上面図。
図3：ホーン開口部から下を見ると、高周波導波管の中心を部分的に満たすテーパー状の誘電体ストリップが見える。
2つのポートを広帯域モード導波管ソースで励起し、Sパラメータの結果を生成した。図4では、低帯域ポートのリターンロスが示されており、94 GHzで-15 dB以下であることがわかる。図5は、高帯域ポートのリターンロスを示しており、340GHzでほぼ-20dBである。ポート間の結合は極めて低く、一般に-70dB以下である。
図4：94GHzポートのリターンロスは、-15dB以下で良好な一致を示している。
図5：340GHzでは、ハイバンドポートのリターンロスはほぼ-20dB。
時間の関数として 94GHz の電界の伝搬を図 6 に示すが、矩形導波管から円形導波管への遷移に続いてホーンからの放射が見られる。図 7 の定常状態の電界分布は、ホーンを横切るスムーズな電界遷移を示している。直交接続された第 2 のポートを通したより高い周波数の励振は、図 8 に示すように、誘電体ストリップが時間的に変化する波をどのようにアンテナの外に導くかを示しています。340GHzにおける定常状態の電界分布は、図9に見られるように、ストリップの周囲に電界がしっかりと封じ込められていることを示しています。
図6：94GHzポートからの時間領域電界は、遷移領域を通過し、アンテナのホーンから出ていく伝搬を示す。
図7：94GHzにおける定常状態の電界は、ホーンの断面全体に電界分布を示している。
図8：340GHzでは、時間領域電界はホーン中央のテーパー付き誘電体ストリップにより強く結合している。
図9: 340 GHzにおける銅誘電体の線における界面におけるー定常線図。
ー図10とー図11。図12では、94 GHz放射のE面およびH面の利得パターンが示されており、メインビームが対称である一方、交差偏波レベルは非常に低い。340GHzでは、図13に示すように、E面およびH面のパターンは交差偏波が高いものの、メインビームはほぼ対称でサイドローブは低い。ー図13にー 両ー 両ー周波数帯域のー周波数帯域ー周波数帯域ー周波数帯域ー周波数帯域ー周波数帯域ー周波数帯域ー周波数帯域ー周波数帯域ー周波数帯域ー周波数帯域ー
図10：94GHzにおけるホーンの利得パターンは、18dBiのピーク利得と低いサイドローブを持つ対称ビームを持つ。
図11：340GHzでは、利得パターンはほぼ対称なビームを持ち、ピーク利得は19dBi近くとわずかに高い。 サイドローブはピークから40dB近く減少している。
図12：94GHzにおける2つの主平面の利得は、強力で対称的なビームと非常に低い交差偏波フィールドを示している。
図13：340GHzでは、主平面の利得は対称で、サイドローブは低い。 クロスポラライズド・フィールドは片方の平面で高いが、それでも15dB以上低下している。
結論
ーシミュレーションのー結果よりー低周波帯域はーホーン構造によりー高周波帯域ーテーパー誘電体ストリップ構造。ー デュアルバンドホーン設計はー高い利得、生ビームとー低いサイドローブ。このアンテナは両周波数において高効率で良好なリターンロス特性を持つ。
参考までに：
[1] X. Wang, C. Deng, W. Hu, Y. Liu and X. Lv, "Design of 94/340GHz horn antenna loaded with dielectric for dual-band operation,"2017 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting, San Diego, CA, USA, 2017, pp.561-562, doi: 10.1109/APUSNCURSINRSM.2017.8072323.
