КПД излучения антенны

Скрипт Open Live Script

Этот пример показывает вычисление КПД излучения антенных и антенных решеток в Antenna Toolbox. КПД излучения антенны задан как отношение исходящей излученной степени антенной к входной мощности, питаемой порт возбуждения антенны. Потери мощности из-за несоответствия импеданса порта не рассматриваются здесь.

Входная мощность, питаемая антенну, может быть записана как

Pin=12VinIin*. (1)

Здесь, входное напряжение и текущий вход представлены Vin и Iin, соответственно. Комплексное спряжение текущего входа Iin*. Степень Prad излученный антенной может быть найден путем интеграции интенсивности излучения (U(θ,ϕ)) по бесконечной сфере излучения (S∞) как

Prad=∫S∞U(θ,ϕ)sinθdθdϕ. (2)

Азимут и углы возвышения обозначаются ϕ и θ, соответственно. КПД излучения (ηr) задан как

ηr=PradPin. (3)

Различие между входной мощностью и излученной степенью происходит из-за потери проводимости в антеннах только для металла и и из-за потери проводимости и из-за диэлектрических потерь в металлически-диэлектрических антеннах. КПД излучения также альтернативно задается как усиление и направленность антенны. Другими словами,

G(θ,ϕ)=ηrD(θ,ϕ). (4)

Для идеальной антенны без потерь, КПД излучения (ηr) 1.

Металл только Антенна

Этот пример рассматривает антенну Яги-uda с теми же размерностями, как дали в [1].

Создайте геометрию

Создайте геометрию антенны Яги-uda с двумя элементами директора, имеющими значения длины 131,9 мм и 126,5 мм, соответственно. Размерности интервала для директоров составляют 65,95 мм и 80,34 мм. Длина Возбудителя составляет 139,1 мм. Длина и значения интервала отражателя составляют 141,5 мм и 88,13 мм, соответственно. В [1], всеми элементами были тонкие провода с радиусом 0,6745 мм. Однако эквивалентное моделирование полосы сопровождается с помощью cylinder2strip функция.

d=design(dipole,1e9);
radius=6.7450e-04; %Radius of thin wires
d.Width=cylinder2strip(radius); %Converting into equivalent stripwidth
d.Length=139.1e-03;
d.TiltAxis=[0 1 0];
d.Tilt=-90;
ant=design(yagiUda,1e9);
ant.Exciter=d;
ant.NumDirectors=2;
ant.DirectorLength=[131.9e-03;126.5e-03];
ant.DirectorSpacing=[65.95e-03;80.34e-03];
ant.ReflectorLength=141.5e-03;
ant.ReflectorSpacing=88.13e-03;

Визуализируйте антенну

Визуализируйте антенны совершенного электрически проведения (PEC) по умолчанию, чьи значения проводимости и толщины по умолчанию бесконечны и нуль, соответственно.

figure;
show(ant)

Функция показа обеспечивает имя проводника и местоположения канала с помощью различных цветов в вышеупомянутой фигуре.

Визуализируйте КПД излучения антенны PEC

Строит КПД излучения антенны Яги-uda PEC с помощью efficiency функция в частотном диапазоне от 0,5 ГГц до 1,5 ГГц с 31 точкой выборки. Когда антенна PEC не имеет никакой потери, она показывает КПД излучения 1 по частотному диапазону здесь.

f=linspace(0.5e9, 1.5e9, 31);
efficiency(ant,f)

Визуализируйте Направленность антенны PEC

Это обеспечивает направленность антенны Яги-uda PEC на частоте 1 ГГц. Из-за отсутствия потери, направленность и усиление будут тем же самым в антенне PEC.

figure;
pattern(ant, 1e9)

Используйте медный металл для проекта антенны

Установите проводник как медь из металлического каталога Antenna Toolbox. Измените проводимость конечных металлических свойств использования антенны Яги-uda металлического объекта.

Используйте медный металл для проекта антенны

ant.Exciter.Conductor=metal('Copper');%chosing the conductor from the metal catalog
ant.Exciter.Conductor.Conductivity=1e5;%same value as of the reference paper

Задайте металлические свойства возбудителя

ant.Exciter.Conductor=metal('Copper');%chosing the conductor from the metal catalog
ant.Exciter.Conductor.Conductivity=1e5;%same value as of the reference paper

Задайте металлические свойства проводника

ant.Conductor=metal('Copper');%chosing the conductor from the metal catalog
ant.Conductor.Conductivity=1e5;%same value as of the reference paper

Это вручную изменяет проводимость и толщину конечной металлической антенны Яги-uda.

ant.Exciter.Conductor.Thickness=700*1e-6;
ant.Conductor.Thickness=700*1e-6;

Визуализируйте конечную металлическую антенну

Визуализируйте металлическое использование антенны Яги-uda, показывают функцию.

figure;
show(ant)

Постройте КПД излучения конечной металлической антенны

Строит визуализацию КПД излучения металлической антенны Яги-uda в частотном диапазоне от 0,5 ГГц до 1,5 ГГц.

f=linspace(0.5e9, 1.5e9, 31);
figure;
efficiency(ant,f)

Постройте шаблон усиления конечной металлической антенны

Строит шаблон усиления металлической антенны Яги-uda на частоте 1 ГГц.

figure
pattern(ant,1e9)

Можно отметить от вышеупомянутых сравнений, что усиление антенны уменьшается на 0,86 дБ из-за конечной потери проводимости. Значение КПД тесно соответствует аналитическими результатами [1].

Металлически-диэлектрическая антенна

Этот пример рассматривает антенну микрополосковой закрашенной фигуры от [2]. В [2], числовой анализ был сделан с помощью метода Временного интервала конечной разности (FDTD). Однако антенна анализируется здесь с помощью основанного на методе момента (MoM) решателя Antenna Toolbox.

Создайте геометрию

Создает геометрию антенны микрополосковой закрашенной фигуры с проводниковой и подложкой с потерями PEC 1,57-миллиметровой толщины.

f=1.59e9; %solution frequency
lambda=3e8/f;
d = dielectric('FR4'); %Selecting the substrate from the  dielectric catalog
d.EpsilonR=4.36;
d.LossTangent=2/100;%Indicates the lossy substrate
ant = patchMicrostrip('Substrate',d);
ant.Height=1.57e-3;
ant.Substrate.Thickness=1.57e-3;
ant.Length=45e-3;
ant.Width=45e-3;
ant.GroundPlaneLength=20e-2;
ant.GroundPlaneWidth=13.5e-2;
ant.FeedOffset= [20e-3 0];
ant.FeedWidth=lambda/200;

Руководство, запутывающее из микрополосковой антенны закрашенной фигуры

Поймайте в сети антенну вручную при помощи максимума edgelength основных функций RWG как lambda/20, где длина волны свободного пространства на частоте решения 1,5 ГГц является lambda. 

figure;
mesh(ant,'MaxEdgeLength',lambda/20)

Визуализируйте антенну закрашенной фигуры микрополосковой линии

Визуализируйте схематический показ антенны с PEC как металлическая и подложка с потерями.

figure;
show(ant)

Вычислите КПД излучения микрополосковой антенны с металлической и подложкой с потерями PEC

Вычисляет КПД в абсолютных и логарифмических значениях КПД излучения антенны с PEC как металлическая и подложка с потерями. Когда металл является PEC, только потеря происходит из-за подложки с потерями.

E1=efficiency(ant,f)
E1 = 0.2963

E1_log=10*log10(E1)
E1_log = -5.2828

Постройте направленность микрополосковой антенны с металлической и подложкой с потерями PEC

Строит направленность микрополосковой антенны с металлической и подложкой с потерями PEC с помощью функции шаблона. Направленность не зависит от проводимости и диэлектрических потерь.

figure
pattern(ant,f,'Type', 'Directivity')

Постройте усиление микрополосковой антенны с металлической и подложкой с потерями PEC

Строит усиление микрополосковой антенны с металлической и подложкой с потерями PEC. Здесь, значение усиления меньше значения направленности из-за диэлектрических потерь. Различие усиления и значений направленности соответствует тесно с логарифмическим значением КПД излучения, i.e., E1log. 

figure;
pattern(ant,f,'Type', 'Gain')

Импеданс микрополосковой антенны с металлической и подложкой с потерями PEC

Строит изменение импеданса микрополосковой антенны с металлической и подложкой с потерями PEC в частотном диапазоне от 1 ГГц до 4 ГГц.

f1=linspace(1e9,4e9,31);
figure
impedance(ant,f1)

Возвратите потерю микрополосковой антенны с металлической и подложкой с потерями PEC

Строит изменение возврата потерь микрополосковой антенны с металлической и подложкой с потерями PEC.

figure;
s1=sparameters(ant,f1,50);
rfplot(s1);

Измените проводниковые свойства микрополосковой антенны

Установите проводник антенны как металл с потерями. Используйте металлический объект, чтобы изменить проводник, чтобы покрыть медью металл.

ant.Conductor=metal('Copper');

Визуализируйте микрополосковую антенну с металлической и подложкой с потерями с потерями

Визуализируйте микрополосковой антенны с Медным металлом и подложкой FR4.

figure;
show(ant)

Вычислите КПД излучения микрополосковой антенны с металлической и подложкой с потерями с потерями

Вычисляет КПД излучения в абсолютных и логарифмических значениях микрополосковой антенны с Медью как металлический и FR4 с потерями как подложка. Из-за

потеря проводимости в дополнение к диэлектрическим потерям, КПД излучения уменьшается.

E2=efficiency(ant,f)
E2 = 0.2341

E2_log=10*log10(E2)
E2_log = -6.3055

Постройте усиление микрополосковой антенны с металлической и подложкой с потерями с потерями

Постройте усиление микрополосковой антенны с Медным металлом и подложкой FR4. 

figure;
pattern(ant,f,'Type', 'Gain')

Здесь, значение усиления меньше значения направленности и из-за проводимости и из-за диэлектрических потерь. Различие усиления и направленности соответствует тесно с логарифмическим значением КПД излучения, i.e., E2log.

Заключение

Таким образом вычисленное использование КПД излучения Antenna Toolbox и для металлических и для металлически-диэлектрических антенн, как находят, соответствует тесно, как сообщается в ссылках, которые использовали отличающийся аналитичный [1] или числовые методы [2].

Ссылки

[1] Shahpari, Мортеза и Дэвид В. Тил. "Основные ограничения для КПД излучения антенны", Транзакции IEEE на Антеннах и Распространении, Издании 66, № 8, 2018.

[2] Ph Leveque, А. Рейнейкс и Б. Йеко, “Моделирование диэлектрических потерь в микрополосковых антеннах закрашенной фигуры: применение метода FDTD”, электроника обозначает буквами, издание 28, № 6, март 1992.

Документация Antenna Toolbox

Поддержка

Для просмотра документации необходимо авторизоваться на сайте