Параметры архимедовой спиральной антенны

Архимедовая спиральная антенна может быть классифицирована как частотно-независимая антенна в том смысле, что ее входной импеданс и коэффициент усиления остаются почти постоянными на протяжении всей полосы пропускания. На низких частотах зона излучения находится вблизи самой внешней части спирали, между тем на высоких частотах она находится рядом с центром. Следовательно, самая низкая частота среза спиральной антенны связана с ее внешним радиусом, а самая высокая частота среза связана с ее внутренним радиусом. Это означает, что полоса пропускания антенны может быть очень большой, только в зависимости от размера и точности печати. Ниже приведены размерности спирали, приведенные в [1] в метрах.

Ro    = 50e-3;
Ri    = 5.5e-3;
turns = 4;

Создайте и просмотрите архимедовую спиральную антенну

Создайте архимедовую спиральную антенну с помощью заданных параметров.

sp = spiralArchimedean('Turns',turns,'InnerRadius',Ri,'OuterRadius',Ro);
figure;
show(sp);

Импедансное поведение архимедовой спиральной антенны

Импедансное поведение спиральной антенны показывает несколько резонансов на полосу низкой частоты, прежде чем достигать относительно постоянного сопротивления и реактивного действия. Чтобы захватить эти резонансы, мы разделим всюсь полосу частот на два поддиапазона. В более низкочастотной полосе мы делаем выборку с более мелким интервалом, в то время как на более высоких частотах мы выбираем более грубое интервалирование.

Nf1    = 20;
Nf2    = 6;
fband1 = linspace(0.8e9,1.4e9,Nf1);
fband2 = linspace(1.4e9,2.5e9,Nf2);
freq   = unique([fband1,fband2]);
figure;
impedance(sp, freq);

Коэффициент отражения

Входной импеданс этой спиральной антенны может быть получен с помощью расширения Букера принципа Бабинета для комплементарных структур [2]. Для антенны в свободном пространстве ее входное сопротивление равняется 60$$\pi$$ = 188.5 $$\Omega$$. Это значение очень близко к значению импеданса, наблюдаемого на более высоких частотах на графике, увиденном выше. Коэффициент отражения вычисляется с помощью опорного импеданса 188 $$\Omega$$. На графике ниже видно, что настоящая антенна хорошо соответствует частотам выше 1,1 ГГц.

S = sparameters(sp, freq, 188);
figure; rfplot(S);
title('Reflection Coefficient');

Эта согласованная частота выше, чем приблизительный теоретический результат 0,96 ГГц [1], поскольку ток все еще достигает спиральных советов, как видно на следующем вычислительном рисунке.

Распределение тока

Поверхностное распределение тока на низких частотах:

figure;
current(sp, 0.85e9);
view(0,90);

На более высоких частотах поверхностные токи распадаются задолго до достижения спиральных советов. Это приводит к лучшему соответствию.

figure;
current(sp, 1.9e9);
view(0,90);

Коэффициент эллиптичности

Распределение тока представляет вращательную симметрию на 180 градусов, которая создает циркулярно поляризованную излученную волну. Рисунок ниже показывает осевое отношение на широкой стороне спиральной антенны. Заметьте, что спиральная антенна достигает хорошей круговой поляризации для частот, превышающих 1,4 ГГц.

freq = 0.8e9:100e6:2.5e9;
AR = zeros(size(freq));
for m=1:numel(freq)
    AR(m) = axialRatio(sp, freq(m), 0, 90);
end
figure;
plot(freq, AR);
grid on;
axis([0.8e9 2.5e9 0 10]);
xlabel('Frequency (Hz)');
ylabel('Axial ratio (dB)');
title('Axial Ratio of Archimedean Spiral Antenna at Boresight');

Обсуждение результатов

Тезис [1] проектирует спиральную антенну Архимеда и сравнивает ее эффективность с теоретическими результатами, а также с коммерчески доступными решателями EM. Результаты, полученные с использованием Antenna Toolbox™, очень хорошо совпадают с результатами, представленными в [1].

Ссылка

[1] Israel Hinostroza, «Conception de reseaux large bande d 'antennes spirales», Other, Supelec, 2013, pp. 58-62. Онлайн в: https://tel.archives-ouvertes.fr/file/index/docid/830469/filename/Hinostroza_Israel_final_final_thesis_2013.pdf

[2] C. A. Balanis, Antenna Theory. Analysis and Design, Wiley, New York, 3rd Edition, 2005.