Создание перевернутой F-антенны

Создайте геометрию по умолчанию для антенны PIFA. (Малая) красная точка на антенной структуре является местом точки питания, на которое подается генератор входного напряжения. Это порт антенны. В антенне Toolbox™ все антенны возбуждаются сигналом гармонического напряжения времени с амплитудой 1 В на порте. Порт должен соединять два отдельных проводника; он имеет бесконечно малую ширину.

ant = invertedF;
show(ant);

Импеданс

Для построения графика полного сопротивления антенны укажите диапазон частот, по которому данные должны быть нанесены на график с помощью impedance функция. Импеданс антенны рассчитывается как отношение фазорного напряжения (которое просто равно 1) и фазорного тока в порту.

freq = linspace(1.5e9, 2.0e9, 51);
figure;
impedance(ant, freq);

График отображает действительную часть импеданса, т.е. сопротивление, а также его мнимую часть, т.е. реактивное сопротивление, по всей полосе частот. Резонансная частота антенны определяется как частота, при которой реактивное сопротивление антенны точно равно нулю. Глядя на график импеданса, мы видим, что перевернутая F-антенна резонирует при 1,74 ГГц. Значение сопротивления на этой частоте составляет около 20 $$\mathrm{Ом}$$. Значения реактивного сопротивления для антенны являются отрицательными (емкостными) до резонанса и становятся положительными (индуктивными) после резонанса, указывая, что это последовательный резонанс антенны (смоделированный последовательным RLC-контуром). Если кривая импеданса переходит от положительного реактивного сопротивления к отрицательному, то это параллельный резонанс [1] (смоделированный параллельной схемой RLC).

Убыток от возврата

Для построения графика потерь при возврате антенны укажите диапазон частот, по которому данные должны быть нанесены на график. Обратные потери - это показатель эффективности подачи мощности от линии передачи к антенне. Количественно обратные потери представляют собой отношение, в дБ, мощности, посланной к антенне, и мощности, отраженной назад. Это положительная величина для пассивных устройств. Отрицательная потеря возврата возможна с активными устройствами [2].

figure;
returnLoss(ant, freq);

Коэффициент отражения

Возвращаемые потери, введенные выше, редко используются для анализа антенны. Вместо этого $${}_{\mathrm{}\mathrm{}}$$используется коэффициент отражения или S11 в дБ, который также часто ошибочно называют «потерей возврата» [2]. Фактически, коэффициент отражения в дБ является отрицательным коэффициентом потерь возврата, как видно на следующем рисунке. Коэффициент отражения описывает относительную долю падающей ВЧ мощности, которая отражается обратно из-за несоответствия импеданса. Это несоответствие представляет собой разность между входным импедансом антенны и характеристическим импедансом линии передачи (или импедансом генератора, когда линия передачи отсутствует). Характеристический импеданс является опорным импедансом. sparameters функция, используемая ниже, принимает опорный импеданс в качестве третьего аргумента. То же самое действительно для returnLoss функция. По умолчанию предполагается, что опорный импеданс равен 50 $$\mathrm{Ом}$$.

S = sparameters(ant, freq);
figure; 
rfplot(S);

Коэффициент стоячей волны напряжения (VSWR)

VSWR антенны можно построить с помощью функции vswr используется ниже. Значение VSWR 1,5: 1 означает, что максимальная амплитуда стоячей волны в 1,5 раз больше минимальной амплитуды стоячей волны. Стоячие волны генерируются из-за несоответствия импеданса в порту. VSWR выражается через коэффициент отражения как $$\mathrm{(}1{+}_{\mathrm{}\mathrm{|}}S11\mathrm{}|{}_{\mathrm{}\mathrm{)/(}}1$$- | S11 |).

figure; 
vswr(ant, freq);

Полоса пропускания антенны

Полоса пропускания является основным параметром антенны. Полоса пропускания антенны - это полоса частот, через которую антенна может надлежащим образом излучать или принимать мощность. Часто требуемая полоса пропускания является одним из критических параметров, используемых для выбора типа антенны. Полоса пропускания антенны обычно представляет собой полосу частот, в которой величина коэффициента отражения ниже -10 дБ, или величина обратной потери больше 10 дБ, или VSWR меньше приблизительно 2. Все эти критерии эквивалентны. Из предыдущих чертежей видно, что PIFA не имеет рабочей полосы пропускания в интересующей полосе частот. Полоса пропускания управляется соответствующей конструкцией антенны. Иногда опорный импеданс также может быть изменен. На графике импеданса видно, что сопротивление данной антенны близко к 20 $$\mathrm{Ом}$$ в резонансе. Выберите опорный импеданс 20 $$\mathrm{Ом}$$ вместо 50 $$\mathrm{Ом}$$ и постройте график коэффициента отражения.

S = sparameters(ant, freq, 20);
figure; 
rfplot(S);

Теперь мы наблюдаем коэффициент отражения менее -10 дБ в диапазоне частот от 1,71 до 1,77 ГГц. Это полоса пропускания антенны. Тот же вывод делается при использовании VSWR или расчетов потерь возврата.

Ссылки

[1] К. А. Баланис, теория антенны. Анализ и дизайн, стр. 514, Уайли, Нью-Йорк, 3-е издание, 2005.

[2] T.S. Bird, «Определение и злоупотребление потерей возврата», Antennas and Propagation Magazine, апрель 2009.