В этом примере показан расчет эффективности излучения антенны и антенных решеток в панели инструментов антенны. Эффективность излучения антенны определяется как отношение исходящей излучаемой антенной мощности к входной мощности, подаваемой в порт возбуждения антенны. Потеря мощности из-за несоответствия импеданса порта здесь не рассматривается.
Входная мощность, подаваемая на антенну, может быть записана как
*. (1)
Здесь входное напряжение и входной ток представлены и соответственно. Комплексное сопряжение входного тока - *. Власть Prad, излученный антенной, может быть найдена, объединив радиационную интенсивность ()) по бесконечной радиационной сфере ∞) как
sinü dü dstart. (2)
Азимутальные углы и углы возвышения обозначаются, соответственно. Коэффициент полезного действия при излучении (
PradPin. (3)
Разница между входной мощностью и излучаемой мощностью обусловлена потерей проводимости в антеннах только для металла и как потерей проводимости, так и потерей диэлектрика в антеннах типа металл-диэлектрик. Эффективность излучения также поочередно определяется как коэффициент усиления и направленность антенны. Другими словами,
«»). (4)
Для идеальной антенны без потерь коэффициент полезного действия излучения () равен 1.
В этом примере рассматривается антенна яги-уда с теми же размерами, что и в [1].
Создайте геометрию антенны яги-уда с двумя директорными элементами, имеющими значения длины 131,9 мм и 126,5 мм соответственно. Расстояние между направляющими составляет 65,95 мм и 80,34 мм. Длина Возбудителя 139,1 мм. Длина и расстояние между отражателями составляют 141,5 мм и 88,13 мм. В [1] все элементы представляли собой тонкие провода радиусом 0,6745 мм. Однако эквивалентное моделирование полосы выполняется с использованием 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;
Визуализация идеальной электропроводящей (PEC) антенны по умолчанию, значения проводимости по умолчанию и толщины которой бесконечны и равны нулю соответственно.
figure; show(ant)
Функция show предоставляет имя проводника и расположение подачи, используя различные цвета на приведенном выше рисунке.
Строит графики радиационной эффективности антенны PEC yagi-uda с использованием efficiency функция в диапазоне частот от 0,5 ГГц до 1,5 ГГц с 31 точкой выборки. Поскольку антенна PEC не имеет потерь, она показывает эффективность излучения как 1 в данном диапазоне частот.
f=linspace(0.5e9, 1.5e9, 31); efficiency(ant,f)
Обеспечивает направленность антенны PEC yagi-uda на частоте 1 ГГц. Из-за отсутствия потерь направленность и коэффициент усиления будут одинаковыми в антенне PEC.
figure; pattern(ant, 1e9)
Установите проводник в качестве медного из металлического каталога панели инструментов антенны. Измените проводимость конечной металлической антенны yagi-uda, используя свойства металлического объекта.
ant.Exciter.Conductor=metal('Copper');%chosing the conductor from the metal catalog ant.Exciter.Conductor.Conductivity=1e5;%same value as of the reference paper
ant.Exciter.Conductor=metal('Copper');%chosing the conductor from the metal catalog ant.Exciter.Conductor.Conductivity=1e5;%same value as of the reference paper
ant.Conductor=metal('Copper');%chosing the conductor from the metal catalog ant.Conductor.Conductivity=1e5;%same value as of the reference paper
Он вручную изменяет проводимость и толщину конечной металлической антенны яги-уда.
ant.Exciter.Conductor.Thickness=700*1e-6; ant.Conductor.Thickness=700*1e-6;
Визуализировать металлическую антенну яги-уда с помощью функции show.
figure; show(ant)
Строит график визуализации эффективности излучения металлической антенны яги-уда в диапазоне частот от 0,5 ГГц до 1,5 ГГц.
f=linspace(0.5e9, 1.5e9, 31); figure; efficiency(ant,f)
Строит график усиления металлической антенны яги-уда на частоте 1 ГГц.
figure pattern(ant,1e9)
Из вышеприведенных сравнений можно отметить, что усиление антенны уменьшается на 0,86 дБ из-за конечных потерь проводимости. Значение эффективности близко соответствует аналитическим результатам [1].
В этом примере рассматривается антенна с микрополосками из [2]. В [2] численный анализ проводился с использованием метода конечной разностной временной области (FDTD). Однако антенна анализируется здесь с использованием метода решателя на основе момента (MoM) панели инструментов антенны.
Создание геометрии микрополосковой коммутационной антенны с проводником PEC и подложкой с потерями толщиной 1,57 мм.
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;
Сетка антенны вручную с использованием максимальной длины кромки основы RWG функционирует как лямбда/20, где длина волны свободного пространства при частоте раствора 1,5 ГГц равна лямбда.
figure;
mesh(ant,'MaxEdgeLength',lambda/20)
Визуализируйте схематический показ антенны с PEC в качестве металлической и с потерями подложки.
figure; show(ant)
Вычисляет эффективность в абсолютных и логарифмических значениях эффективности излучения антенны с PEC в качестве металлической и с потерями подложки. Поскольку металлом является PEC, только потери обусловлены потерями подложки.
E1=efficiency(ant,f)
E1 = 0.2963
E1_log=10*log10(E1)
E1_log = -5.2828
Строит график направленности микрополосковой антенны с PEC-металлом и подложкой с потерями, используя функцию диаграммы направленности. Направленность не зависит от проводимости и диэлектрических потерь.
figure pattern(ant,f,'Type', 'Directivity')
Строит график усиления микрополосковой антенны с PEC-металлом и подложкой с потерями. Здесь значение усиления меньше, чем значение направленности из-за диэлектрических потерь. Разность значений усиления и направленности близко совпадает с логарифмическим значением эффективности излучения, т.е. .
figure; pattern(ant,f,'Type', 'Gain')
Строит график изменения импеданса микрополосковой антенны с металлом PEC и подложкой с потерями в диапазоне частот от 1 ГГц до 4 ГГц.
f1=linspace(1e9,4e9,31); figure impedance(ant,f1)
Строит график изменения обратных потерь микрополосковой антенны с PEC-металлом и подложкой с потерями.
figure; s1=sparameters(ant,f1,50); rfplot(s1);
Установить проводник антенны в виде металла с потерями. Используйте металлический объект для замены проводника на медный металл.
ant.Conductor=metal('Copper');Визуализация микрополосковой антенны с использованием металла меди и FR4 подложки.
figure; show(ant)
Вычисляет эффективность излучения в абсолютных и логарифмических значениях микрополосковой антенны с медью в качестве металла и FR4 с потерями в качестве подложки. Из-за
потеря проводимости в дополнение к диэлектрическим потерям снижается эффективность излучения.
E2=efficiency(ant,f)
E2 = 0.2341
E2_log=10*log10(E2)
E2_log = -6.3055
Постройте график усиления микрополосковой антенны медным металлом и FR4 подложкой.
figure; pattern(ant,f,'Type', 'Gain')
Здесь значение усиления меньше, чем значение направленности из-за как проводимости, так и диэлектрических потерь. Разность усиления и направленности близко совпадает с логарифмическим значением эффективности излучения, т.е. .
Таким образом, эффективность излучения, вычисленная с использованием Antenna Toolbox как для металлических, так и для металлических диэлектрических антенн, как показано в ссылках, в которых использовались различные аналитические [1] или численные методы [2].
[1] Шахпари, Мортеза и Давид В. Тиль. «Фундаментальные ограничения эффективности излучения антенны», IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 66, No. 8, 2018.
[2] Ph. Leveque, A. Reineix и B. Jecko, «Моделирование диэлектрических потерь в антеннах с микрополосками: применение метода FDTD», Electronics Letters, Vol. 28, No. 6, March 1992.