Circularly polarized dielectric resonator antenna with periodic loading for GNSS applications

Abstract

A novel dual-sense circularly polarized (CP) dielectric resonator antenna (DRA) concept for the Global Navigation Satellite Systems (GNSS) is presented. The concept introduces a loaded annular dielectric resonator (DR) excited using 4-ports fed in a quadrature. The excitation is based on vertical conformal strips where strips are incorporated into the design and contribute to the overall antenna performance. The most unique feature of this antenna is the resonator load, which modifies the boundary conditions of the resonator core. The load consists of a one-dimensional array of periodic elements that behave like an electromagnetic band-gap structure (EBG). The impact on the antenna performance is multifold, including improved bandwidth, radiation efficiency and reduced mutual coupling between the excitation ports. The antenna also exhibits a radiation stop-band.

The experimental results show that this antenna effectively covers both the lower (1165-1300 MHz) and upper (1560-1610 MHz) GNSS bands. The 0 dBic gain and 3 dB axial ratio (AR) bandwidth significantly exceed the 10 dB return loss bandwidth. The 0 dBic gain and 3 dB AR beamwidth range from 105° to 120° and from 135° to 165°, respectively. The radiation stop-band is at 1355 MHz covering a 10 dB radiation suppression band of about 15 MHz.

The antenna is about 24.5 mm high and uses a 90 mm diameter ground plane. It improves upon the current state of the art by resolving its two main limitations; the height of the antenna (38% reduced) and lack of a real-estate for the antenna front-end electronics. At the same time, the antenna maintains radiation performances comparable to the state of the art. The main disadvantages of this antenna are the cost and fabrication complexity.

Un nouveau concept d’antenne à résonateur diélectrique à polarisation circulaire (CP) à double sens pour les systèmes mondiaux de navigation par satellite (GNSS) est présenté. Le concept introduit un résonateur diélectrique annulaire (DR) chargé et excité à l’aide de 4 ports alimentés en quadrature. L’excitation est basée de lignes microrubans conformes verticales èt est incorporée dans la conception et contribuent à la performance globale de l’antenne. La caractéristique la plus unique de cette antenne est la charge du résonateur, qui modifie les conditions aux limites du résonateur. La charge consiste en un réseau unidimensionnel d’éléments périodiques se comportant comme une structure à bande interdite électromagnétique (EBG). L’impact sur les performances de l’antenne est multiple, notamment l’amélio-ration de la bande passante, de l’efficacité du rayonnement et de la réduction du couplage mutuel entre les ports d’excitation. L’antenne présente également une bande de rejection de rayonnement. Les résultats expérimentaux montrent que cette antenne couvre efficacement les bandes GNSS inférieure (1165-1300 MHz) et supérieure (1560-1610 MHz). Le gain à 0 dBic et la largeur de bande du taux d’ellipticité (AR) de 3 dB dépassent de manière significative la largeur de bande d’adaptation de 10 dB. Le gain à 0 dBic et la largeur de faisceau à 3 dB AR vont de 105° à 120° et de 135° à 165°, respectivement. La bande de rejection du rayonnement est à 1355 MHz et couvre une bande de suppression de rayonnement de 10 dB d’environ 15 MHz. L’antenne a une hauteur d’environ 24,5 mm et utilise un plan de masse de 90 mm de diamètre. Cette antenne améliore l’état de l’art en résolvant deux principales limitations: la hauteur de l’antenne (réduction de 38%) et l’absence de surface sous le plan de masse pour l’électronique radio-frequence de l’antenne. Parallèlement, l’antenne maintient des performances de rayonnement comparables à celles de l’état de l’art. Les principaux inconvénients de cette antenne sont le coût et la complexité de la fabrication.