Кольцевая плоская монополевая антенна

На этом рисунке показана геометрия и размеры кольцевой плоской монопольной антенны. Излучающий элемент представляет собой кольцевое кольцо с внешним радиусом. (rBig) из 25 mm и внутренний радиус (rSmall) из 10 mm, расположенный вертикально над квадратной плоскостью грунта с длиной стороны 305 mm. Схема подачи (d)между точкой питания в радиаторе и плоскостью заземления и шириной полосы питания (w) имеют значение 0.8 mm и 0.6 mmсоответственно, для увеличения ширины полосы импеданса. Значение смещения устанавливается равным 0.2 mm для обеспечения идеального соединения между питающей полосой и кольцевым радиатором.

Создание нулевой плоскости

Создайте квадратную плоскость основания с длиной стороны, равной 305 mm с использованием antenna.Rectangle функция.

Lg = 305e-3; Wg = 305e-3;
groundPlane = antenna.Rectangle("Length",Lg,"Width",Wg);

Создать радиатор

Создайте питательную полосу с помощью antenna.Rectangle функция. Чтобы создать внешний и внутренний круг, используйте antenna.Circle функция. Для создания кольцевого радиатора вычитайте значение innerCircle от outerCircle и добавить в FeedStrip.

d = 0.8e-3; w = 0.6e-3;
offset = 0.2e-3; % offset value when a vertex touches the feed.
FeedStrip = antenna.Rectangle("Length",w,"Width",d,"Center",[0 d/2]);

rBig = 25e-3; rSmall = 10e-3;
outerCircle = antenna.Circle("Radius",rBig,"Center",[0 rBig+d-offset]);
innerCircle = antenna.Circle("Radius",rSmall,"Center",[0 rBig+d-offset]);
radiator = outerCircle-innerCircle+FeedStrip;

Создание плоского монополя

Для создания кольцевой плоской монопольной антенны используйте monopoleCustom объект.

ant = monopoleCustom ("Radiator",radiator,"GroundPlane",groundPlane);
show(ant)

Создание антенной сетки

Выполните сетку антенны вручную, используя не менее 10 элементов на длину волны при 3 GHz перед выполнением анализа. Установите MaxEdgeLength к Lambda/10.

figure; 
mesh(ant,"MaxEdgeLength",0.01)

Расчет VSWR

Вычислите коэффициент стоячей волны напряжения (VSWR) кольцевой плоской монопольной антенны для определения ширины полосы импеданса антенны. VSWR меньше 2 в диапазоне частот 1.2 GHz кому 8.7 GHz.

figure; 
vswr(ant,(0.5:0.2:10)*1e9,50);
ylim([1 5]);

Постройте график VSWR для различных плоских антенн, где rSmall имеет значение 5 mm, 10 mm, 15 mm and 20 mm.

load annularRingVSWR.mat            % load data from annularRingVSWR.mat file
figure; plot(freq,r5,'LineStyle',"-","Color",'r','LineWidth',1.5); grid on; hold on;
plot(freq,r10,'LineStyle',"-.","Color",'k','LineWidth',1.5);
plot(freq,r15,'LineStyle',"--","Color",'b','LineWidth',1.5);
plot(freq,r20,'LineStyle',":","Color",'g','LineWidth',1.5);
ylim([1 5]);
xlabel('Frequency (GHz)');
ylabel('Magnitude');
title('VSWR');
legend('rSmall = 5mm', 'rSmall = 10mm', 'rSmall = 15mm', 'rSmall = 20mm')

Вы можете видеть это как значение rSmall увеличение от 5 mm кому 10 mm, происходит изменение граничной частоты верхней полосы с 9,7 ГГц до 8,7 ГГц. По мере дальнейшего увеличения антенна становится многополосной антенной вместо широкополосной антенны. Во всех этих случаях частота нижнего края полосы одинакова. В этом примере rSmall или значение радиуса iniveCircle равно 10 mm.

График диаграммы направленности антенны

Анализ диаграммы направленности антенны при 4 GHz.

figure; pattern(ant,4e9);

В 4 GHz, кольцевая кольцевая монопольная антенна демонстрирует типичную ненаправленную монопланарную диаграмму направленности с максимальным коэффициентом усиления 6.23 dBi. Результаты моделирования согласуются с результатами, представленными в [1].

Квадратная плоская монополевая антенна с полосой питания в форме трезубца

На этом рисунке показана геометрия и размеры квадратной плоской антенны с квадратной плоскостью, имеющей длину стороны 34 mm. Параметры питающей полосы в форме трезубца: расстояние между плоскостью заземления и питающей полосой (d) составляет 1 mm, высота подающей полосы от d (h) составляет 4 mm, горизонтальная длина подающей полосы (t) равна 18 mm, и ширина (w) всех трех полос, которые образуют трезубец, равна 2 mm. Радиус плоскости заземления (R) является 150 mm. Идея квадратного монополя, питаемого трезубцами, взята из [2], но в этом примере используется круговая плоскость заземления.

Создать радиатор

Радиатор состоит из подающей полосы трезубчатой формы и квадратного монополя. Создайте объект питающей полосы в форме трезубца, Feed, добавив Strip1, Strip2, Strip3, Strip4 и Strip5 фигуры. Чтобы создать радиатор, добавьте Feed с monopole форма.

Lp = 34e-3;
Wp = 34e-3;
h = 4e-3;
d = 1e-3;
w = 2e-3;
t = 18e-3;

Strip1 = antenna.Rectangle("Length",w,"Width",d,"Center",[0 d/2]);
Strip2 = antenna.Rectangle("Length",t,"Width",w,"Center",[0 d+w/2]);
Strip3 = antenna.Rectangle("Length",w,"Width",h,"Center",[-(t/2-w/2) d+w+h/2]);
Strip4 = antenna.Rectangle("Length",w,"Width",h,"Center",[0 d+w+h/2]);
Strip5 = antenna.Rectangle("Length",w,"Width",h,"Center",[t/2-w/2 d+w+h/2]);
Feed = Strip1+Strip2+Strip3+Strip4+Strip5;
monopole = antenna.Rectangle("Length",Lp,"Width",Wp,"Center",[0 d+w+h+Wp/2]);
radiator = Feed + monopole;

Создание нулевой плоскости

Создайте круговую плоскость заземления с помощью antenna.Circle функция с радиусом 150 mm.

R = 150e-3;
groundPlane = antenna.Circle("Radius",R);

Создание плоского монополя

Чтобы создать квадратную плоскую монопольную антенну с трехполюсным питанием, используйте monopoleCustom объект.

ant = monopoleCustom ("Radiator",radiator,"GroundPlane",groundPlane);
show(ant)

Сетчатая антенна

Выполните сетку антенны вручную, используя не менее 10 элементов на длину волны при 4 GHz перед выполнением анализа. Установите MaxEdgeLength к Lambda/10.

figure; 
mesh(ant,"MaxEdgeLength",0.0075);

Вычислить коэффициент отражения

Вычислите коэффициент отражения плоской монопольной антенны, чтобы найти ширину полосы импеданса антенны. Коэффициент отражения меньше -10 дБ в диапазоне частот от 1,6 ГГц до 9,3 ГГц.

freq = (1:0.2:10)*1e9;
s = sparameters(ant,freq);
figure; 
rfplot(s);
title('Reflection Coefficient');

График излучения

Анализ диаграммы направленности антенны при 2 GHz, 6 GHz, и 9 GHz показывает вертикальную поляризацию как стабильную во всем диапазоне частот. Но по мере увеличения частоты происходит увеличение горизонтальной поляризационной составляющей.

pV_1 = pattern (ant, 2e9, 0, 0:1:360,'Polarization','V');
pH_1 = pattern (ant, 2e9, 0, 0:1:360,'Polarization','H');
figure; 
polarpattern(pV_1,'MagnitudeLim',[-150 20]);
hold on; 
polarpattern(pH_1,'MagnitudeLim',[-150 20]);
legend VerticalPolarization HorizontalPolarization;

pV_2=pattern (ant, 6e9, 0, 0:1:360,'Polarization','V');
pH_2=pattern (ant, 6e9, 0, 0:1:360,'Polarization','H');
figure; polarpattern(pV_2,'MagnitudeLim',[-150 20]);
hold on; polarpattern(pH_2,'MagnitudeLim',[-150 20]);
legend VerticalPolarization HorizontalPolarization;

pV_3 = pattern (ant, 9e9, 0, 0:1:360,'Polarization','V');
pH_3 = pattern (ant, 9e9, 0, 0:1:360,'Polarization','H');
figure; 
polarpattern(pV_3,'MagnitudeLim',[-150 20]);
hold on; 
polarpattern(pH_3,'MagnitudeLim',[-150 20]);
legend VerticalPolarization HorizontalPolarization;

Просмотр текущего распределения

Распределение тока антенны анализируется на 2.5 GHz. Питающая структура в форме трезубца приводит к равномерному распределению тока в нижней части квадратного монополя.

current(ant,2.5e9,'scale','log');
view(0,1)

Заключение

Плоские монопольные антенны имеют простую геометрию, и можно определить их излучатели и плоскости заземления в различных формах. Эти антенны обеспечивают ультравидную полосу пропускания импеданса с азимутальной диаграммой направленности, которая является почти всенаправленной.

Ссылка

[1] Амманн, М. Дж. Чен, З. Н. Чиа, М. Я. У. и См., Т. С. П.. «Кольцевые планарные монопольные антенны». Материалы НВО - микроволны, антенны и распространение, том 149, № 4, август 2002 года, стр. 200-203.

[2] Kin-Lu Wong, Chih-Hsien Wu и Saou-Wen Su «, квадратная плоская антенна типа металл-пластина Ultrawide с подающей полосой в форме трезубца,» Транзакции IEEE по антеннам и распространению, том 53, № 4, апрель 2005 г., стр. 12