Создание патч-антенны на тонкой подложке Low-Epsilon

Создайте прямоугольную пятачную антенну длиной 40 мм и шириной 30 мм на нулевой плоскости 80 мм x 60 мм. Подложка без потерь имеет диэлектрическую постоянную 2,33 и толщину 1,57 мм. Подача смещена на 5,5 мм от начала координат вдоль оси X.

p1 = patchMicrostrip;
p1.Length = 40e-3;
p1.Width = 30e-3;
p1.Height = 1.57e-3;
p1.GroundPlaneLength = 80e-3;
p1.GroundPlaneWidth = 60e-3;
p1.FeedOffset = [5.5e-3 0];

Антенна Toolbox™ имеет список подложек, поддерживаемых как часть ее диэлектрического каталога. Чтобы открыть каталог, используйте следующую команду.

openDielectricCatalog

Подложка, указанная для этого сегмента, не входит в диэлектрический каталог. При необходимости его можно добавить в каталог, чтобы материал можно было использовать в следующий раз без указания его электрических свойств. Можно также непосредственно указать свойство подложки, как показано ниже.

p1.Substrate = dielectric('Name','material1','EpsilonR',2.33);

Как показано в ссылке [1], подача моделируется в виде квадратного столба стороны 1 мм. Эта модель подачи доступна в pcbStack. Преобразуйте модель исправления в представление стека и смоделируйте канал.

pb1 = pcbStack(p1);
pb1.FeedDiameter = sqrt(2)*1e-3;
pb1.FeedViaModel = 'square'

pb1 = 
  pcbStack with properties:

              Name: 'Probe-fed rectangular microstrip patch'
          Revision: 'v1.0'
        BoardShape: [1×1 antenna.Rectangle]
    BoardThickness: 0.0016
            Layers: {[1×1 antenna.Rectangle]  [1×1 dielectric]  [1×1 antenna.Rectangle]}
     FeedLocations: [0.0055 0 1 3]
      FeedDiameter: 0.0014
      ViaLocations: []
       ViaDiameter: []
      FeedViaModel: 'square'
       FeedVoltage: 1
         FeedPhase: 0
              Tilt: 0
          TiltAxis: [1 0 0]
              Load: [1×1 lumpedElement]

figure
show(pb1)

Визуализация производительности антенны с «тонким» патчем

Создание сетки структуры путем задания максимальной и минимальной длин кромок. Ниже приведена сетка, используемая для моделирования антенны. Треугольники используются для дискретизации металлических областей пластыря, а тетраэдры используются для дискретизации объема диэлектрической подложки в пластыре. Они обозначаются желтым и зеленым цветами соответственно. Общее число неизвестных - это сумма неизвестных для металла плюс неизвестные, используемые для диэлектрика. В результате время вычисления раствора значительно увеличивается по сравнению с антеннами из чистого металла.

figure
mesh(pb1,'MaxEdgeLength',.01,'MinEdgeLength',.003)

Импеданс антенны показывает резонанс при 2,37 ГГц. Это значение очень близко к результатам, опубликованным в статье.

figure
impedance(pb1,linspace(2.2e9,2.5e9,21))

Диаграмма направленности антенны при резонансе также показывает равномерное освещение над плоскостью земли с минимальной утечкой под ней.

figure
pattern(pb1, 2.37e9)

Моделирование тонких и толстых диэлектрических подложек

Толщину диэлектрической подложки измеряют относительно длины волны. В случае выше длина волны в свободном пространстве составляет около 126 мм. Длина волны в диэлектрике аппроксимируется делением вышеуказанного числа на квадратный корень диэлектрической постоянной. Это значение составляет около 85 мм. Таким образом, толщина подложки составляет около 1/50 длины волны в диэлектрике. Это тонкая подложка.

В следующем случае рассматривается патч-антенна на подложке, толщина которой составляет 1/10 длины волны в диэлектрике. Это толстая подложка. Метод решения моментов требует по меньшей мере 10 элементов на длину волны для получения точного решения. Таким образом, если толщина диэлектрика становится больше этой, то это влияет на точность решения. В панели инструментов антенны, если толщина подложки превышает 1/10 длины волны диэлектрика, для решения проблемы с антенной рекомендуется ручное наложение сетки. Поскольку критерий 10 элементов на длину волны не удовлетворяется, ожидается определенная степень ошибки в решении.

Создание патч-антенны на толстой подложке высокого уровня Epsilon

Создайте прямоугольную пятачную антенну длиной 36 мм и шириной 48 мм на нулевой плоскости 55 мм x 80 мм. Подложка без потерь имеет диэлектрическую постоянную 9,29 и толщину 3,82 мм. Подача смещена на 4 мм от начала координат вдоль оси X. Как и в предыдущем случае, преобразуйте модель в представление стека и измените модель подачи, как указано в [1].

p2 = patchMicrostrip;
p2.Length = 36e-3;
p2.Width = 48e-3;
p2.Height = 3.82e-3;
p2.GroundPlaneLength = 55e-3;
p2.GroundPlaneWidth = 80e-3;
p2.FeedOffset = [4.0e-3 0];
p2.Substrate = dielectric('Name','material2','EpsilonR',9.29);
pb2 = pcbStack(p2);
pb2.Layers{1}.NumPoints = 40;
pb2.Layers{3}.NumPoints = 40;
pb2.FeedDiameter = sqrt(2)*1e-3;
pb2.FeedViaModel = 'square';
figure
show(pb2)

Визуализация производительности антенны с толстым патчем

Это, пожалуй, самый сложный случай с численной точки зрения - толстый высокоэпсилонный диэлектрик со значительными окантованными полями вблизи краев пластыря [1]. На рисунке ниже показан график импеданса антенны с резонансом, близким к 1,22 ГГц. Статья показывает резонанс, близкий к 1,27 ГГц.

figure
impedance(pb2,linspace(1.2e9,1.35e9,7))

Ниже приведена сетка, используемая для вычисления характеристик антенны.

figure
mesh(pb2)

Чтобы улучшить результат, уточните сетку. Сетка может быть уточнена с использованием критериев максимальной длины кромки. В случае ниже максимальная длина кромки устанавливается равной 1,65 мм. Как можно видеть ниже, образуется более 13000 тетраэдров. Поскольку сетка очень тонкая, для вычисления результатов требуется больше времени и, следовательно, они сохраняются в файле .mat.

figure
mesh(pb2,'MaxEdgeLength',.00165)

График полного сопротивления показывает резонанс, близкий к 1,27 ГГц, как и ожидалось.

load thickpatch
figure
plot(freq*1e-9, real(Z), 'b', freq*1e-9, imag(Z), 'r', 'LineWidth',2);
legend('resistance', 'reactance');
title('Impedance');
ylabel('Impedance (ohms)');
xlabel('Frequency (GHz)');
grid on;

Информация о направленности для этого исправления также предварительно вычисляется и сохраняется. Его можно напечатать с помощью функции patternCustom, как показано ниже. Значительный задний лепесток наблюдается для толстой патч-антенны.

figure
patternCustom(D.', 90-el, az);
h = title('Directivity (dBi)');
h.Position = [-0.4179, -0.4179, 1.05];

Ссылка

[1] С. Н. Макаров, С. Д. Kulkarni, A. G. Marut и L.C. Kempel 'Метод решения моментов для печатного патча/щелевой антенны на тонкой конечной диэлектрической подложке с использованием интегрального уравнения объема', IEEE Trans. на антенне и распространении, том 54, № 4, апрель 2006 г., стр. 1174.