誘電体共振器アンテナ（DRA）は、低損失で高効率であるため、ミリ波アプリケーションに適した選択である。基本波モード用の共振器の設計は、共振器のサイズが小さく、製造誤差に敏感であるため、複雑な場合があります。この例では、より大きな円筒形誘電体共振器をXFdtdでシミュレーショ ンし、高次モード HEM113 と HEM115 の励振を使用して、広帯域幅と優れた利得性能を実現する方法を示します。このアンテナシミュレーションで参照した設計は、以下に引用する学会論文[1]に由来します。ここで紹介する結果は、この論文のシミュレーショ ン結果および測定結果とよく一致しています。
この設計では、比誘電率7、高さ8.5mm、半径1.5mmの円筒形誘電体が共振器として使用されている。円筒は接地面に取り付けられ、同軸プローブから給電される。このプローブは接地面の表面から1.9 mmの高さまで伸びており、図1の形状のCAD図に示されているように、円筒の側面に接触している。
アンテナのリターンロスは図2にプロットされており、約22～29GHzの動作帯域（S11 > -10dB）を示しています。定常状態の電界分布は25 GHzの図3にプロットされ、HEM113モードを示し、28 GHzの図4は誘電体共振器のHEM115モードを示す。
図1：誘電率7の円筒形誘電体共振器の下に導電性のグランドプレーンを配置した形状を3次元CADで表したもので、共振器は円筒の片側の同軸プローブで励振される。
ー図2 DRAの銅管リターンロスは、、、ー22GHzからー29ー29GHz.
図3：25GHzにおけるDRAとその周辺の定常状態の電界分布は、アンテナの下部HEM113モードを示す。
図4：28GHzにおける、HEM115モードを含む定常状態の電界分布。
図5に示す円筒の真上における遠視野利得は、22GHzの約5.2dBiから29GHzの8.8dBiのピークまで変化し、中間周波数ではかなり滑らかに推移している。図6に示すように、アンテナの効率は良好で、放射効率はほぼ100％、システム効率（ミスマッチ損失を含む）は動作帯域幅にわたって90～99％です。
図5：ピーク利得方向でもあるDRA直上の利得はかなり滑らかで、22GHz帯の低い方の端の5.2dBiから29GHz帯の高い方の端の8.8dBiまでの範囲である。
図6：DRAは全周波数帯域で90％を超える優れた効率を持つ。
25GHz（図7）と28GHz（図8）の3次元アンテナパターンは、ロービングを最小限に抑えたブロードなパターンを示し、Z方向のシリンダー上方に向けて7dBi以上の最強利得を示した。25GHzの垂直XZ方向では、図9に示すように、利得は主にファイ成分によるものである。25GHzのYZ方向では、図10に示すように、シータ成分が支配的で、交差偏波利得は同偏波利得から50dB低下する。図11と図12に示すように、28GHzでは、パターンの両カットで非常によく似た結果が得られている。これらの利得パターンの結果はすべて、[1]の著者によって測定された結果とほぼ一致しています。
図7：25GHzにおけるアンテナの3次元遠距離利得パターンは、ロービングを最小限に抑えたブロードなもので、3dBのビーム幅は約68度。
図8：28GHzにおける3次元遠方界利得パターンは、ピーク利得がわずかに高いだけで、25GHzにおけるパターンとほぼ同じである。
図9：25GHzのアンテナの垂直XZ面では、ファイ指向利得が支配的だが、交差偏波のシータ利得は約10dBiしか低下していない。
図11：28GHzでは、XZ面の利得は、25GHzのパターンと同様に、交差偏波のθ指向パターンを持つ強いφ指向パターンを持つ。
図10：YZ平面では、シータ利得が支配的で、交差偏波利得は50dB以上低下している。
図12：YZ面内の28GHzではシータ偏向利得が支配的で、交差偏向利得は最小。
誘電体共振器アンテナはミリ波アプリケーションに適した選択肢であるが、小型部品の製造には実用上の問題がある。ここでは、より大きな誘電体共振器をシミュレートし、高次のモードを励起することで寸法誤差の影響を軽減している。このアンテナは、22～29GHzの広い帯域幅で良好な性能を発揮する。
参考までに：
[ー "ミリ波広帯域誘電体共振器アンテナ",2015 40th International Conference on Infrared, Millimeterー, and Terahertz waves (IRMMW-THz), Hong Kong, China, 2015, pp.1-2, doi: 10.1109/IRMMW-THz.2015.7327734.