Параметры архимедовой спиральной антенны

Архимедовская спиральная антенна может быть классифицирована как не зависящая от частоты антенна в том смысле, что ее входной импеданс и коэффициент усиления остаются почти постоянными по всей полосе пропускания. На низких частотах зона излучения находится вблизи самой внешней части спирали, между тем на высоких частотах она находится вблизи центра. Следовательно, наименьшая частота отсечки спиральной антенны связана с ее внешним радиусом, а наибольшая частота отсечки связана с ее внутренним радиусом. Это означает, что полоса пропускания антенны может быть очень большой, только в зависимости от размера и точности печати. Ниже приведены размеры спирали, приведенные в [1] в метрах.

Ro    = 50e-3;
Ri    = 5.5e-3;
turns = 4;

Создание и просмотр архимедовой спиральной антенны

Создайте архимедовую спиральную антенну, используя определенные параметры.

sp = spiralArchimedean('Turns',turns,'InnerRadius',Ri,'OuterRadius',Ro);
figure;
show(sp);

Поведение импеданса архимедовой спиральной антенны

Поведение полного сопротивления спиральной антенны показывает множество резонансов в полосе низких частот до достижения относительно постоянного сопротивления и поведения реактивного сопротивления. Чтобы зафиксировать эти резонансы, мы разделим всю полосу частот на два поддиапазона. В полосе нижних частот мы выполняем выборку с более мелким интервалом, в то время как на более высоких частотах мы выбираем более грубый интервал.

Nf1    = 20;
Nf2    = 6;
fband1 = linspace(0.8e9,1.4e9,Nf1);
fband2 = linspace(1.4e9,2.5e9,Nf2);
freq   = unique([fband1,fband2]);
figure;
impedance(sp, freq);

Коэффициент отражения

Входной импеданс этой спиральной антенны можно получить, используя букеровское расширение принципа Бабинета для комплементарных структур [2]. Для антенны в свободном пространстве её входной импеданс равен $$\mathrm{60\delta }$$ = 188,5 $$\mathrm{Ом}$$. Это значение очень близко к значению импеданса, наблюдаемого на более высоких частотах на графике, показанном выше. Коэффициент отражения вычисляется с использованием опорного импеданса 188 $$\mathrm{Ом}$$. Из графика ниже видно, что настоящая антенна хорошо согласована для частот выше 1,1 ГГц.

S = sparameters(sp, freq, 188);
figure; rfplot(S);
title('Reflection Coefficient');

Эта согласованная частота выше, чем приблизительный теоретический результат 0,96 ГГц [1], поскольку ток все еще достигает спиральных вершин, как видно на следующем вычислительном рисунке.

Текущее распределение

Распределение поверхностного тока на низких частотах:

figure;
current(sp, 0.85e9);
view(0,90);

На более высоких частотах поверхностные токи затухают задолго до достижения концов спирали. Это приводит к лучшему соответствию.

figure;
current(sp, 1.9e9);
view(0,90);

Осевое отношение

Распределение тока представляет собой 180-градусную вращательную симметрию, которая создает циркулярно поляризованную излучаемую волну. На графике ниже показано осевое отношение на широкой стороне спиральной антенны. Обратите внимание, что спиральная антенна обеспечивает хорошую круговую поляризацию для частот выше 1,4 ГГц.

freq = 0.8e9:100e6:2.5e9;
AR = zeros(size(freq));
for m=1:numel(freq)
    AR(m) = axialRatio(sp, freq(m), 0, 90);
end
figure;
plot(freq, AR);
grid on;
axis([0.8e9 2.5e9 0 10]);
xlabel('Frequency (Hz)');
ylabel('Axial ratio (dB)');
title('Axial Ratio of Archimedean Spiral Antenna at Boresight');

Обсуждение результатов

Thesis [1] конструирует спиральную антенну Archimedean и сравнивает ее производительность с теоретическими результатами, а также с коммерчески доступными решателями EM. Результаты, полученные с помощью Toolbox™ Antenna, очень хорошо совпадают с результатами, представленными в [1].

Ссылка

[1] Israel Hinostroza, «Conception de reseaux large band d 'antennes spirales», Other, Supelec, 2013, pp. 58-62. Онлайн по адресу: https://tel.archives-ouvertes.fr/file/index/docid/830469/filename/Hinostroza_Israel_final_final_thesis_2013.pdf

[2] К. А. Баланис, теория антенны. Анализ и дизайн, Уайли, Нью-Йорк, 3-е издание, 2005.