Спиральная антенна Проекта

Открыть Live Script

Этот пример исследует спиральную антенну, сконструированную в [2], относительно достигнутой направленности. Спиральные антенны были введены в 1947 году [1]. С тех пор они широко используются в некоторых приложениях, таких как мобильная и спутниковая связь. Спиральные антенны обычно используются в осевом режиме работы, который происходит, когда окружность спирали сопоставима с длиной волны операции. В этом режиме спиральная антенна имеет максимальное направление вдоль своей оси и излучает циркулярно-поляризованную волну.

Спецификации к проекту спиралей

Технические спецификации на спиральную антенну следующие ([2]):

Частотная область значений: 1,3 - 2 ГГц
Коэффициент усиления: 13 дБи +/- 1,5 дБи
Коэффициент эллиптичности: < 1,5

Моделирование допущений и различий

По сравнению с ссылкой [2], модель спиральной антенны, доступная в тулбоксе, использует следующие упрощающие допущения:

Проводник - исходная ссылка использует цилиндр радиуса r, в то время как тулбокс использует полосу ширины w.
Форма плоскости земли - квадратная плоскость земли используется в исходной ссылке, в то время как в настоящей модели тулбокса используется круговая форма.
Ширина корма - ширина корма в [2] составляет r/10, в то время как модель тулбокса использует w.
Метрика валидации проекта - Ссылка [2] использовала усиление для сравнения результатов симуляции и измерений, тогда как в тулбоксе мы будем использовать направленность, поскольку моделируемая антенна имеет незначительно маленькие потери.

Спиральные Расчётные параметры

Модель на спирали в тулбоксе использует приближение полосы, которое связывает ширину полосы с радиусом эквивалентного цилиндра [3]. В сложение модель на спирали в тулбоксе имеет круговую плоскость земли. Выберите радиус плоскости заземления, чтобы он составлял половину длины стороны квадратной плоскости заземления.

r           = 0.3e-3;
width       = cylinder2strip(r);
feedheight  = 3*r;
D           = 56e-3;
radius      = D/2;
turns       = 17.5;
pitch       = 11.2;
spacing     = helixpitch2spacing(pitch,radius);
side        = 600e-3;
radiusGP    = side/2;

Частота операции и пропускная способность

Центральная частота выбрана как 1,65 ГГц. Выбирается относительная полоса пропускания 45%, которая обеспечивает достаточную гибкость, поскольку пределы рабочей частоты приводят к относительной полосе пропускания 42,5%. Относительная шумовая полоса вычисляется как,

$B W_{r e l a t i v e} = (f_{u p p e r} - f_{l o w e r}) / f_{c}$

fc          = 1.65e9;
relativeBW  = 0.45; 
BW          = relativeBW*fc;

Создайте спиральную антенну

Создайте спиральную антенну с соответствующими свойствами, рассчитанными ранее, и просмотрите структуру.

hx = helix('Radius',radius,'Width',width,'Turns',turns,...
           'Spacing',spacing,'GroundPlaneRadius',radiusGP,...
           'FeedStubHeight',feedheight);
figure;
show(hx);

Figure contains an axes. The axes with title helix antenna element contains 4 objects of type patch, surface. These objects represent PEC, feed.

Поведение шаблона

Постройте график диаграммы направленности спиральной антенны на центральной частоте 1,65 ГГц. Этот шаблон подтверждает осевой режим работы спиральной антенны.

figure;
pattern(hx,fc);

Figure contains an axes and other objects of type uicontrol. The axes contains 4 objects of type patch, surface.

Чтобы вычислить изменение направленности основного луча как функцию от частоты, выберите частотную область значений согласно [2].

Nf1     = 15;
Nf2     = 20;
fmin    = 1.2e9; 
fmax    = 2.1e9; 
fstep   = 0.1e9;
fband1  = linspace(fmin,1.3e9,Nf1);
fband2  = linspace(fmin,fmax,Nf2);
freq    = unique([fband1,fband2]);
Nf      = length(freq);
D       = nan(1,Nf);
f_eng   = freq./1e9;
f_str   = 'G';
fig1 = figure;
for i = 1:length(freq)
    D(i) = pattern(hx,freq(i),0,90);
    figure(fig1)
    plot(f_eng,D,'x-')
    grid on
    axis([f_eng(1) f_eng(end) 9 16 ])
    xlabel(['Frequency (' f_str 'Hz)'])
    ylabel('Directivity (dBi)')
    title('Peak Directivity Variation vs. Frequency')
    drawnow
end

Figure contains an axes. The axes with title Peak Directivity Variation vs. Frequency contains an object of type line.

Обсуждение результатов

Сравнивая этот результат с Fig. 11 в [2], воспроизведенном ниже, мы устанавливаем количественное соглашение.

Моделируемый и измеренный коэффициент усиления RHC для проектов NB и WB3 [2] (воспроизводится с разрешения IEEE)

См. также

Сравнение измерений в монополях

Ссылки

[1] J. D. Kraus, «Helical Beam Antennas», Electronics, 20, April 1947, pp. 109-111.

[2] А. Р. Джорджевич, А. Г. Зайич, М. М. Илик, Г. Л. Стубер, «Оптимизация спиральных антенн [блокнот антенного дизайнера]», IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol.48, no.6, pp.10.

[3] C. A. Balanis, 'Antenna Theory. Analysis and Design, 'p. 514, Wiley, New York, 3rd Edition, 2005.

Документация