Параметры спирали и отражателя

Параметры спиральной антенны и размеры отражателя приведены в [1]. Расчетный диапазон частот - 4-9 ГГц, а диапазон частот анализа - 3-10 ГГц.

a = 0.35;
rho = 1.5e-3;
phi_start = -0.25*pi;
phi_end = 2.806*pi;
R_in = rho*exp(a*(phi_start + pi/2));
R_out = rho*exp(a*(phi_end + pi/2));
gndL = 167e-3;
gndW = 167e-3;
spacing = 7e-3;

Создание равноугольной спиральной антенны

Создайте равноугольную спиральную антенну с использованием заданных параметров.

sp = spiralEquiangular;
sp.GrowthRate = a;
sp.InnerRadius = R_in;
sp.OuterRadius = R_out;
figure;
show(sp)
title('Equiangular Spiral Antenna Element');

Создайте отражатель и назначьте спиральную антенну в качестве возбудителя. Отрегулируйте расстояние между отражателем и спиралью равным 7 мм. Анализ первого прохода будет с бесконечно большой опорной плоскостью. Для этого назначьте inf длину и/или ширину опорной плоскости.

rf = reflector;
rf.GroundPlaneLength = inf;
rf.GroundPlaneWidth = inf;
rf.Exciter = sp;
rf.Spacing = spacing;
figure
show(rf)
title('Equiangular Spiral Antenna Element Over an Infinite Reflector');

Импедансный анализ спирали с бесконечным отражателем и без него

Определите диапазон частот для анализа импеданса. Чтобы получить общее представление о поведении, следите за грубостью выборки частотного диапазона. Затем будет проведен подробный анализ. Проанализируйте импеданс обеих антенн: спиральной антенны в свободном пространстве и антенны с бесконечным отражателем.

freq = linspace(3e9,10e9,31);
figure;
impedance(sp,freq)

figure;
impedance(rf,freq);

Импеданс спирали без отражателя является гладким как по сопротивлению, так и по реактивности. Сопротивление остается стабильным вокруг значения 184, в то время как реактивное сопротивление, хотя и слегка емкостное, не показывает каких-либо резких изменений. Однако введение бесконечно большого отражателя на расстоянии 7 мм нарушает это плавное поведение как для сопротивления, так и для реактивного сопротивления.

Сделать отражатель конечным

Изменить размеры отражателя на конечные, используя размеры, указанные ранее в [1].

rf.GroundPlaneLength = gndL;
rf.GroundPlaneWidth = gndW;
show(rf);
title('Equiangular Spiral Antenna Element Over a Finite Reflector');

Сетка различных деталей независимо

Для анализа поведения спиральной антенны, поддерживаемой отражателем конечных размеров, необходимо создать сетку между антенной и отражателем независимо. Наибольшая частота в анализе - 10 ГГц, что соответствует а 3 см. Выполните сетку спирали с максимальной длиной кромки 2 мм (менее 3 мм при частоте 10 ГГц). Это требование смягчено для отражателя, который находится в сети с максимальной длиной кромки 8 мм (немного ниже, чем = 10 см при 3 ГГц).

ms_new = mesh(rf.Exciter,'MaxEdgeLength',.002)
mr_new = mesh(rf,'MaxEdgeLength',0.008)

Анализ импеданса спиральной антенны с конечным отражателем

Управляйте следующим фрагментом кода в быстром в окне команды, чтобы создать точный график импеданса для конечного отражателя, показанного в числе, которое следует. Поведение импеданса, типичное для бесконечно большого отражателя, также наблюдается для конечного отражателя.

fig1 = figure;
impedance(rf,freq);

Рис. 1: Входной импеданс спирали с металлическим (PEC) отражателем.

Поверхностные токи на спиральной антенне с отражателем

Выполните следующий фрагмент кода в командной строке, чтобы воссоздать текущие графики распределения, показанные на следующем рисунке. Поскольку расчетная полоса частот составляет 4-9 ГГц, выберите две граничные частоты полосы для наблюдения поверхностных токов на спиральной антенне. Из анализа импеданса, наличие множественных резонансов на нижнем конце расчетной полосы частот должно проявляться в поверхностных токах при 4 ГГц.

fig2 = figure;
current(rf,4e9)

Рис. 2: Плотность поверхностного тока при 4 ГГц.

На первый взгляд график плотности поверхностного тока может показаться не раскрывающим никакой информации. Для дальнейшего изучения используйте цветовую шкалу справа от графика. Эта панель цветов позволяет в интерактивном режиме настраивать цветовую шкалу. Чтобы настроить масштаб, переместите указатель мыши в область в пределах границы панели цветов, щелкните и перетащите курсор. Чтобы настроить диапазон значений, переместите указатель мыши за пределы цветовой полосы и наведите указатель мыши на числовые деления на цветовой полосе или между промежутками между делениями, щелкните мышью и перетащите курсор. Этот подход генерирует следующий рисунок, который указывает на наличие стоячих волн при 4GHz. Стрелки на графике добавляются отдельно для выделения локальных минимумов тока.

Рис. 3: Плотность поверхностного тока при частоте 4 ГГц после регулировки динамического диапазона с помощью цветовой линейки.

Постройте график плотности тока на спиральной антенне с частотой 9 ГГц. Как и в предыдущем случае, мы используем цветовую линейку для настройки шкалы, чтобы она была аналогичной, и наблюдаем поток тока, который свободен от любых стоячих волн.

fig4 = figure;
current(rf,9e9)

Рис. 4: Плотность поверхностного тока при 9 ГГц.

Вычислить осевое отношение

Спиральная антенна излучает круговые поляризованные волны. Осевое отношение (AR) в заданном направлении количественно определяет отношение двух ортогональных составляющих поля, излучаемых в круговой поляризованной волне. Осевое отношение бесконечности подразумевает линейно поляризованную волну. Когда осевое отношение равно 1, излучаемая волна имеет чистую круговую поляризацию. Значения больше 1 подразумевают эллиптически поляризованные волны. Управляйте следующим фрагментом кода в быстром в окне команды, чтобы воссоздать осевой сюжет отношения в широкой поверхности, показанной в числе, которое следует. Следует отметить, что вычисленные значения осевого отношения находятся в дБ, 20log10 (AR). Для сравнения эффекта отражателя вычисляют осевое отношение для спиральной антенны с отражателем и без него.

AR_spiral = zeros(size(freq));
AR_reflector = zeros(size(freq));

for i = 1:numel(freq);
 AR_spiral(i)   = axialRatio(rf.Exciter,freq(i),0,90);
 AR_reflector(i)= axialRatio(rf,freq(i),0,90);
end

fig5 = figure;
plot(freq/1e9,AR_spiral,'LineWidth',2);
hold on
plot(freq./1e9,AR_reflector,'m','LineWidth',2);
grid on
ax1 = fig5.CurrentAxes;
ax1.YTickLabelMode = 'manual';
ax1.YLim = [0 20];
ax1.YTick = 0:2:20;
ax1.YTickLabel = cellstr(num2str(ax1.YTick'));
xlabel('Frequency (GHz)')
ylabel('AR (dB)')
title('Frequency Response of Axial Ratio')
legend('Without reflector', 'With reflector');

График осевого отношения спирали без отражателя показывает, что через расчетную полосу частот спиральная антенна излучает почти кругово поляризованную волну. Введение отражателя вблизи спиральной антенны ухудшает круговую поляризацию.

Рис. 5: Осевое отношение на широкой стороне в дБ с опорой отражателя и без нее в зависимости от частоты [1]

Заключение

Спиральная антенна сама по себе имеет широкую полосу пропускания импеданса и создает двунаправленную диаграмму направленности излучения. Он также создает круговую поляризованную волну по ширине полосы пропускания. Однонаправленный луч может быть создан с использованием опорной структуры, такой как отражатель или полость. Поддержание желаемых рабочих характеристик при использовании традиционного металлического/PEC-отражателя, особенно при небольших расстояниях разделения, затруднено [1].

Ссылка

[1] Х. Накано, К. Киккава, Н. Кондо, Я. Иицука, Дж. Ямаути, «Низкопрофильная равноугольная спиральная антенна, поддерживаемая отражателем EBG», Транзакции IEEE на антеннах и распространении, vol.57, no.5, pp.1309-13