Моделирование и анализ однослойной многополосной U-образной коммутационной антенны

Открыть сценарий

Стандартный прямоугольный микрополосковый патч представляет собой узкополосную антенну и обеспечивает усиление 6-8 дБи с линейной поляризацией. Этот пример основан на работе, выполненной в [1], [2], моделирует широкополосную патч-антенну с использованием слота в излучателе и разрабатывает двухдиапазонный и трехдиапазонный варианты из него. В этом процессе один широкий отклик был разделен на несколько узкополосных областей, удовлетворяющих определенным диапазонам в стандарте WiMAX. Эти патч-антенны были запитаны зондом.

Построение одиночного сегмента U-Slot

Определение параметров Базовая антенна с коммутацией U-образных слотов состоит из прямоугольного радиатора, в котором вырезан U-образный слот. Как описано в [1], пластырь сам по себе находится на воздушной подложке и имеет толщину, чтобы обеспечить возможность достижения более высоких полос пропускания. Наличие щелевой структуры обеспечивает дополнительную емкость внутри структуры, которая сочетается с индуктивностью длинного зонда для создания двойного резонанса внутри полосы. Параметры геометрии на основе [2] определены и показаны на приведенном ниже чертеже.

L = 26e-3;
W = 35.5e-3;
Uy1 = 19.5e-3;
Ux1 = 12e-3;
Ua1 = 2.1e-3;
Ud1 = 4.8e-3;
d = 13.5e-3;
h = 6e-3;

Определение формы радиатора - одиночный U-образный слот

Используйте примитивы формы прямоугольника в Toolbox™ антенн, чтобы создать форму радиатора сегмента U-слота. Логическая операция вычитания используется среди примитивов формы для этой цели.

N1 = 2; %50;
N2 = 2; %10;
s = antenna.Rectangle('Length',W,'Width',L,'NumPoints',60);
h1 = antenna.Rectangle('Length',Ua1,'Width',Uy1,'NumPoints',[N2 N1 N2 N1],...
    'Center',[-Ux1/2 + Ua1/2, -L/2 + Ud1 + Uy1/2]);
h2 = antenna.Rectangle('Length',Ua1,'Width',Uy1,'NumPoints',[N2 N1 N2 N1],...
    'Center',[Ux1/2 - Ua1/2, -L/2 + Ud1 + Uy1/2]);
h3 = antenna.Rectangle('Length',Ux1,'Width',Ua1,'NumPoints' ,[N1 N2 N1 N2],...
    'Center',[0,-L/2 + Ud1 + Ua1/2]);
Uslot_patch = s-h1-h2-h3;
figure
show(Uslot_patch)

Определение формы основания

Создайте форму нулевой плоскости для антенны. Грунтовая плита в данном случае прямоугольная и размером 71 мм х 52 мм.

Lgp = 71e-3;
Wgp = 52e-3;
p2  = antenna.Rectangle('Length',Lgp,'Width',Wgp,'NumPoints',10);

Определение стека

Используйте pcbStack для определения металлических и диэлектрических слоев, а также источника питания для одиночной U-образной коммутационной антенны. Слои определяются сверху вниз. В этом случае самый верхний слой представляет собой металлический слой, определяемый формой накладки U-образного паза. Второй слой представляет собой диэлектрический материал, в данном случае воздух, а третий слой представляет собой металлическую заземленную плоскость.

d1 = dielectric('Air');
slotPatch = pcbStack;
slotPatch.Name = 'U-Slot Patch';
slotPatch.BoardThickness = h;
slotPatch.BoardShape = p2;
slotPatch.Layers = {Uslot_patch,d1,p2};
slotPatch.FeedLocations = [0 L/2-d 1 3];
slotPatch.FeedDiameter = 0.9e-3;
figure
show(slotPatch)

Расчет и график коэффициента отражения

Сетка структуры с использованием максимальной длины кромки, которая составляет одну десятую длины волны при самой высокой частоте работы, которая составляет 6 ГГц для этого примера. Вычислите и постройте график коэффициента отражения для этой антенны по полосе. Коэффициент отражения строится с опорным импедансом 50 Ом.

figure
mesh(slotPatch,'MaxEdgeLength',.01,'MinEdgeLength',.001,'GrowthRate',0.7)

freq = linspace(3e9,6e9,200);
s1 = sparameters(slotPatch,freq);
s11Fig = figure;
rfplot(s1,1,1)
s11Ax = gca(s11Fig);
hold(s11Ax,'on');

Расчет и печать образца

Постройте график диаграммы направленности для этой антенны на частотах наилучшего совпадения в полосе.

figure
pattern(slotPatch,3.9e9)

figure
pattern(slotPatch,4.74e9)

Двухдиапазонная антенна с коммутацией U-слотов

Определение параметров

Для достижения двухдиапазонного поведения, как показано в [1], [2], двойной резонанс модифицируется таким образом, что два способствующих резонанса, то есть из патча и из слота, не сливаются. Для этого регулируют существующие параметры слота и вводят второй слот в структуру. Ниже перечислены параметры двойного U-образного слота согласно [2] и показан рисунок, аннотированный используемыми переменными.

Ux1 = 13e-3;
Ux2 = 22e-3;
Uy1 = 18.5e-3;
Uy2 = 7e-3;
Ua2 = 1e-3;
Ud1 = 5.8e-3;
Ud2 = 1.5e-3;

Создание двойного U-образного радиатора

Как и прежде, используйте примитивы формы для создания геометрии с помощью булевых операций.

h1 = antenna.Rectangle('Length',Ua1,'Width',Uy1,'NumPoints',[N2 N1 N2 N1],'Center',[-Ux1/2 + Ua1/2, -L/2 + Ud1 + Uy1/2]);
h2 = antenna.Rectangle('Length',Ua1,'Width',Uy1,'NumPoints',[N2 N1 N2 N1],'Center',[Ux1/2 - Ua1/2, -L/2 + Ud1 + Uy1/2]);
h3 = antenna.Rectangle('Length',Ux1,'Width',Ua1,'NumPoints',[N1 N2 N1 N2],'Center',[0,-L/2 + Ud1 + Ua1/2]);
Uslot_patch = s-h1-h2-h3;
h4 = antenna.Rectangle('Length',Ua2,'Width',Uy2,'NumPoints',[N2 N1 N2 N1],'Center',[-Ux2/2 + Ua2/2, -L/2 + Ud2 + Uy2/2]);
h5 = antenna.Rectangle('Length',Ua2,'Width',Uy2,'NumPoints',[N2 N1 N2 N1],'Center',[Ux2/2 - Ua2/2, -L/2 + Ud2 + Uy2/2]);
h6 = antenna.Rectangle('Length',Ux2,'Width',Ua2,'NumPoints',[N1 N2 N1 N2],'Center',[0,-L/2 + Ud2 + Ua2/2]);
DoubleUslot_patch = Uslot_patch-h4-h5-h6;
figure
show(DoubleUslot_patch)

Изменение слоев в стеке

Измените существующий стек, введя новый радиатор в свойство «Слои».

slotPatch.Layers = {DoubleUslot_patch,d1,p2};
figure
show(slotPatch)

Коэффициент отражения сетки и графика

Выполните сетку структуры на самой высокой частоте работы и вычислите коэффициент отражения.

figure
mesh(slotPatch,'MaxEdgeLength',.01,'MinEdgeLength',.001,'GrowthRate',0.5)

s2 = sparameters(slotPatch,freq);
figure(s11Fig);
rfplot(s2,1,1);

Параметры коммутационной антенны трехдиапазонного U-слота

Для трехполосной работы вводится третий U-образный слот и корректируются существующие параметры слота. Параметры показаны ниже на основе [2].

d   = 14.5e-3;
Ux1 = 14e-3;
Ux2 = 18e-3;
Ux3 = 22e-3;
Uy1 = 18.7e-3;
Uy2 = 9e-3;
Uy3 = 4e-3;
Ud2 = 3.5e-3;
Ud3 = 1.5e-3;
Ua1 = 2e-3;
Ua3 = 1e-3;

Создание трехместного U-образного радиатора

N1 = 20; %50;
N2 = 10; %10;
h1 = antenna.Rectangle('Length',Ua1,'Width',Uy1,'NumPoints',[N2 N1 N2 N1],'Center',[-Ux1/2 + Ua1/2, -L/2 + Ud1 + Uy1/2]);
h2 = antenna.Rectangle('Length',Ua1,'Width',Uy1,'NumPoints',[N2 N1 N2 N1],'Center',[Ux1/2 - Ua1/2, -L/2 + Ud1 + Uy1/2]);
h3 = antenna.Rectangle('Length',Ux1,'Width',Ua1,'NumPoints',[N1 N2 N1 N2],'Center',[0,-L/2 + Ud1 + Ua1/2]);
Uslot_patch = s-h1-h2-h3;
h4 = antenna.Rectangle('Length',Ua2,'Width',Uy2,'NumPoints',[N2 N1 N2 N1],'Center',[-Ux2/2 + Ua2/2, -L/2 + Ud2 + Uy2/2]);
h5 = antenna.Rectangle('Length',Ua2,'Width',Uy2,'NumPoints',[N2 N1 N2 N1],'Center',[Ux2/2 - Ua2/2, -L/2 + Ud2 + Uy2/2]);
h6 = antenna.Rectangle('Length',Ux2,'Width',Ua2,'NumPoints',[N1 N2 N1 N2],'Center',[0,-L/2 + Ud2 + Ua2/2]);
DoubleUslot_patch = Uslot_patch-h4-h5-h6;
h7 = antenna.Rectangle('Length',Ua3,'Width',Uy3,'NumPoints',[N2 N1 N2 N1],'Center',[-Ux3/2 + Ua3/2, -L/2 + Ud3 + Uy3/2]);
h8 = antenna.Rectangle('Length',Ua3,'Width',Uy3,'NumPoints',[N2 N1 N2 N1],'Center',[Ux3/2 - Ua3/2, -L/2 + Ud3 + Uy3/2]);
h9 = antenna.Rectangle('Length',Ux3,'Width',Ua3,'NumPoints',[N1 N2 N1 N2],'Center',[0,-L/2 + Ud3 + Ua3/2]);
TripleUslot_patch = DoubleUslot_patch-h7-h8-h9;
figure
show(TripleUslot_patch)

Изменение слоев в стеке

slotPatch.Layers = {TripleUslot_patch,d1,p2};
slotPatch.FeedLocations = [0 L/2-d 1 3];
figure
show(slotPatch)

Коэффициент отражения сетки и графика

figure
mesh(slotPatch,'MaxEdgeLength',.005,'MinEdgeLength',.001,'GrowthRate',0.7)

s3 = sparameters(slotPatch,freq);
figure(s11Fig)
rfplot(s3,1,1)
legend('Single','Double','Triple')
title('S_1_1')

Заключение

Модели многополосной одноуровневой U-слотовой коммутационной антенны, описанные в [1] и [2], были построены и проанализированы и хорошо согласуются с сообщенными результатами.

Ссылка

[1] К. Ф. Ли, С. Л. С. Ян и А. Кишк, «Универсальная U-образная патч-антенна», 2009 3-я Европейская конференция по антеннам и распространению, Берлин, 2009, стр. 3312-3314.

[2] В. К. Мок, С. Х. Вонг, К. М. Люк и К. Ф. Ли, «Однослойные двухдиапазонные и трехдиапазонные патч-антенны», в транзакциях IEEE на антеннах и распространении, том 61, № 8, стр. 4341-4344,

См. также

Моделирование и анализ двухполяризованной микрополюсной антенны

Документация