Согласование импеданса малой монопольной антенны

В этом примере используются:

В этом примере показано, как сконструировать двойную настраиваемую L-образную согласующую сеть между резистивным источником и емкостной нагрузкой в виде небольшого монополя с помощью matchingnetwork объект. L-образная секция состоит из двух индукторов. Сеть обеспечивает сопряжение и гарантирует максимальную передачу мощности на одной частоте. В этом примере требуется следующий продукт:

Антенная Toolbox™

Создать монополь

Создайте четвертьволновую монопольную антенну с помощью Antenna Toolbox с резонансной частотой около 1 ГГц. В данном примере мы выбираем квадратную плоскость земли стороны $0.75λ$ .

fres = 1e9;
speedOfLight = physconst('lightspeed');
lambda = speedOfLight/fres;
L = 0.25*lambda;
dp = monopole('Height',L,'Width',L/50,...
    'GroundPlaneLength',0.75*lambda,...
    'GroundPlaneWidth',0.75*lambda);

Расчет монопольного импеданса

Укажите импеданс источника (генератора), импеданс опорной (линии передачи) и импеданс нагрузки (антенны). В этом примере нагрузка Zl0 будет нерезонансным (малым) монополем на частоте 500 МГц, что составляет половину резонансной частоты. Источник имеет эквивалентный импеданс 50 Ом.

f0 = fres/2;
Zs = 50;
Z0 = 50;
Zl0 = impedance(dp,f0);
Rl0 = real(Zl0);
Xl0 = imag(Zl0);

Определите количество частотных точек для анализа и настройте полосу частот около 500 МГц.

Npts = 30;
fspan = 0.1;
fmin = f0*(1 - (fspan/2));
fmax = f0*(1 + (fspan/2));
freq = unique([f0 linspace(fmin,fmax,Npts)]);

Понимание поведения нагрузки с использованием коэффициента отражения и коэффициента усиления мощности

Вычислите коэффициент отражения нагрузки и коэффициент усиления мощности между источником и антенной.

S = sparameters(dp, freq);
GammaL = rfparam(S, 1,1);
Gt = 10*log10(1 - abs(GammaL).^2);

Построение графика входного коэффициента отражения на диаграмме Смита показывает емкостное поведение этой антенны вокруг рабочей частоты 500 МГц. Центр диаграммы Смита представляет условие, соответствующее опорному импедансу. Расположение следа коэффициента отражения вокруг $- j5,0$ $Ом$ подтверждает, что существует сильное несоответствие импеданса.

fig1 = figure;
hsm = smithplot(fig1,freq,GammaL,'LineWidth',2.0,'Color','m',...
    'View','bottom-right','LegendLabels',{'#Gamma L'});

Постройте график мощности, подаваемой на нагрузку.

fig2 = figure;
plot(freq*1e-6,Gt,'m','LineWidth',2);
grid on
xlabel('Frequency [MHz]')
ylabel('Magnitude (dB)')
title('Power delivered to load')

Figure contains an axes. The axes with title Power delivered to load contains an object of type line.

Как показано на графике усиления мощности, имеется приблизительно 20 дБ потери мощности вокруг рабочей частоты (500 МГц).

Сеть соответствия проекта

Соответствующая сеть должна обеспечивать максимальную передачу мощности на частоте 500 МГц. Сеть двойной настройки L-секции достигает этой цели [1]. Топология сети, показанная на чертеже, состоит из индуктора последовательно с антенной, который подавляет большую емкость на частоте 500 МГц, и шунтирующего индуктора, который дополнительно повышает выходное сопротивление, чтобы соответствовать импедансу источника 50 $Ом$ .

Используйте matchingnetwork создание различных согласующих сетевых схем на основе импеданса источника, импеданса нагрузки и центральной частоты.

matchnw = matchingnetwork('CenterFrequency',f0,'LoadImpedance',Zl0,'Bandwidth',50e6);
matchnw.clearEvaluationParameter(1); % clear default constraint

Значения каждого элемента для генерируемых цепей показаны ниже.

[circuit_list, performance] = circuitDescriptions(matchnw)

circuit_list=4×5 table
                 circuitName    component1Type    component1Value    component2Type    component2Value
                 ___________    ______________    _______________    ______________    _______________

    Circuit 1     "auto_1"        "Series L"          2.97e-07         "Shunt L"         1.0359e-07   
    Circuit 2     "auto_2"        "Series C"        3.4115e-13         "Shunt L"         6.1094e-08   
    Circuit 3     "auto_3"        "Shunt C"         2.3801e-11         "Series L"        8.0817e-08   
    Circuit 4     "auto_4"        "Shunt L"         4.2569e-09         "Series L"        7.2871e-08

performance=4×4 table
                 circuitName    evaluationPassed    testsFailed     performanceScore
                 ___________    ________________    ____________    ________________

    Circuit 1     "auto_1"         {["Yes"]}        {0x0 double}         {[0]}      
    Circuit 2     "auto_2"         {["Yes"]}        {0x0 double}         {[0]}      
    Circuit 3     "auto_3"         {["Yes"]}        {0x0 double}         {[0]}      
    Circuit 4     "auto_4"         {["Yes"]}        {0x0 double}         {[0]}

Создание соответствующей сети и расчет S-параметров

Согласующая сетевая схема создается через РЧ- Toolbox™ и состоит из двух индукторов, значения которых вычислены выше. Вычисляют S-параметры этой сети по полосе частот, центрированной на рабочей частоте.

Вычислите S-параметры на основе требуемой согласующей сети (в этом примере используется схема # 2).

ckt_no = 4;
Smatchnw = sparameters(matchnw, freq, Z0, ckt_no);

Представление элемента схемы согласующей сети показано ниже.

disp(matchnw.Circuit(ckt_no))

  circuit: Circuit element

    ElementNames: {'L'  'L_1'}
        Elements: [1x2 inductor]
           Nodes: [1 2 3]
            Name: 'auto_4'
        NumPorts: 2
       Terminals: {'p1+'  'p2+'  'p1-'  'p2-'}

Коэффициент отражения и коэффициент усиления мощности с соответствующей сетью

Вычислите входной коэффициент отражения/коэффициент усиления мощности для антенной нагрузки с согласующей сетью.

Zl =  impedance(dp,freq);
GammaIn = gammain(Smatchnw,Zl);
Gtmatch = powergain(Smatchnw,Zs,Zl,'Gt');
Gtmatch = 10*log10(Gtmatch);

Сравнить результаты

Постройте график входного коэффициента отражения и мощности, подаваемой в антенну, с согласующей сетью и без нее. График Смита ® показывает трассировку коэффициента отражения, проходящую через его центр, таким образом подтверждая совпадение. На рабочей частоте 500 МГц генератор передает антенне максимальную мощность. Совпадение ухудшается с обеих сторон рабочей частоты.

add(hsm,freq,GammaIn);
hsm.LegendLabels(2) = {'#Gamma In'};
hsm.View = 'full';

Постройте график мощности, подаваемой на нагрузку.

figure(fig2)
hold on
plot(freq*1e-6,Gtmatch,'LineWidth',2);
axis([min(freq)*1e-6,max(freq)*1e-6,-25,0])
legend('No matching network','Double tuning','Location','Best');

Figure contains an axes. The axes with title Power delivered to load contains 2 objects of type line. These objects represent No matching network, Double tuning.

Соответствующий конструктор сети

Matching Network Designer позволяет проектировать соответствующие сети или просматривать существующие matchingnetwork объект.

Введите эту команду в командной строке, чтобы открыть приложение «Соответствующий конструктор сети». matchnw и выберите «auto_4» для просмотра соответствующей цепи.

matchingNetworkDesigner(matchnw)

Ссылки

[1] М. М. Вайнер, Monopole Antennas, Marcel Dekker, Inc., CRC Press, Rev. Exp, New York, pp.110-118, 2003.

Документация