Сложенная геометрия Закрашенной фигуры зонда

Сложенная закрашенная фигура состоит из двух закрашенных фигур слегка разных размеров, расположенных друг над другом вдоль оси Z и разделенных диэлектрическим материалом. Обе закрашенные фигуры расположены по центру относительно грунтовой плоскости. Зазор между нижней закрашенной фигурой и грунтовой плоскостью также заполнен диэлектрическим материалом. Либо верхние части, либо нижняя закрашенная фигура управляется коаксиальным зондом при использовании в одной питающем строении. Вид геометрии в плане показан здесь на эскизе.

Определение модулей

Задайте стандартные модули измерения расстояния, частоты и сопротивления, а также их мультипликативные эквиваленты для этого примера.

meter = 1;
hertz = 1;
ohm = 1;
mm = 1e-3*meter;
GHz = 1e9*hertz;

Размерности антенны

Размерности антенны указаны в [1] для поданного зондом прямоугольного уложенной закрашенной фигуры с двумя слоями подложки. Имена переменных идентичны именам, упомянутым в [1], за исключением имен на грунтовой плоскости. В данном примере выбирается квадратная грунтовая плоскость размером в три раза больше длины верхнего патча. Размерности двух закрашенных фигур выбираются так, чтобы максимизировать полосу импеданса, и инструкции приведены в [1] для разработки таких закрашенную фигуру вместе с анализом чувствительности. Для моделируемой геометрии верхняя закрашенная фигура немного больше нижнего.

L1 = 13.5*mm;
W1 = 12.5*mm;
L2 = 15*mm;
W2 = 16*mm;
d1 = 1.524*mm;
d2 = 2.5*mm;
xp = 5.4*mm;
r_0 = 0.325*mm;
Lgnd = 3*L2;
Wgnd = 3*L2;

Создание форм слоев и подложек

Слои Используйте прямоугольник формы из каталога, чтобы создать три металлических слоя, необходимых для сложенной закрашенной фигуры, а именно для верхней закрашенной фигуры, нижней закрашенной фигуры и грунтовой плоскости. Все слои расположены по центру вокруг источника оси координат. Постройте график контуров слоя, чтобы подтвердить их размеры и положения.

pU = antenna.Rectangle('Length',L2,'Width',W2);
pL = antenna.Rectangle('Length',L1,'Width',W1);
pGnd = antenna.Rectangle('Length',Lgnd,'Width',Wgnd);
figure
plot(pGnd)
hold on
plot(pU)
plot(pL)
grid on
legend('Groundplane','Upper patch','Lower patch','Location','best')

Диэлектрические Подложки Сложенная закрашенная фигура в этом примере имеет диэлектрическую подложку между верхними и нижними закрашенными фигурами, а также между нижней закрашенной фигурой и грунтовой плоскостью. Нижняя закрашенная фигура имеет более высокую относительную проницаемость, чем верхняя закрашенная фигура. Это подразумевает свободную электрическую связь между двумя закрашенными фигурами.

epsr_1 = 2.2;
tandelta_1 = 0.001;
dL = dielectric;
dL.Name = 'Lower sub';
dL.EpsilonR = epsr_1;
dL.LossTangent = tandelta_1;
dL.Thickness = d1;

epsr_2 = 1.07; 
tandelta_2 = 0.001;
dU = dielectric;
dU.Name = 'Upper sub';
dU.EpsilonR = epsr_2;
dU.LossTangent = tandelta_2;
dU.Thickness = d2;

Создайте модель сложенной закрашенной фигуры

Создайте модель сложенной закрашенной фигуры антенны с помощью pcbStack. Назначьте слои, начиная с самого верхнего слоя, в этом случае металлический слой для верхней закрашенной фигуры и переходите к самому нижнему слою, который является грунтовой плоскостью. Подача зонда задается между нижней закрашенной фигурой и плоскостью заземления. Чтобы улучшить точность модели, мы переключим модель питания на твердотельный столбец, аппроксимированный к квадратной форме. Модель подачи по умолчанию является полосой, в которой используется приближение полосы к цилиндру.

p = pcbStack;
p.Name = 'Stacked patch - Waterhouse';
p.BoardShape = pGnd;
p.BoardThickness = d1+d2;
p.Layers = {pU,dU,pL,dL,pGnd};
p.FeedLocations = [xp 0 3 5];
p.FeedDiameter = 2*r_0;
p.FeedViaModel = 'square';
figure
show(p)

Анализ импеданса

Анализируйте сложенную закрашенную фигуру в частотной области значений 6-9 ГГц. Сложенная закрашенная фигура в этой области значений должна показать два близко расположенных параллельных резонанса. Перед анализом создайте сетку структуры

fmax = 9*GHz;
fmin = 6*GHz;
deltaf = 0.125*GHz;
freq = fmin:deltaf:fmax;
mesh(p,'MaxEdgeLength',.01,'MinEdgeLength',.003)

figure
impedance(p,freq)

Набор Закрашенной фигуры Mesh

Анализ импеданса в частотной области значений 6 - 9 ГГц, приводит к автоматической генерации ячеек на самой высокой частоте. Mesh состоит из треугольников, которые дискретизируют все металлические поверхности антенны и тетраэдров, которые дискретизируют объем диэлектрических подложек. Постройте график mesh для металлических поверхностей и диэлектрических поверхностей.

figure
mesh(p,'view','metal')

figure
mesh(p,'view','dielectric surface')

Обратите внимание, что в этой закрашенная фигура используется модель подачи столбца с квадратными боковыми стенками, аппроксимирующими цилиндрическую подачу. Используйте металлический mesh, чтобы получить более близкий вид этой структуры сырья.

Коэффициент отражения

Поскольку антенна возбуждается коаксиальным зондом, вычислите коэффициент отражения на входе относительно 50-ом опорного импеданса.

Zref = 50*ohm;
s = sparameters(p,freq,Zref);
figure
rfplot(s,1,1)
title('S_1_1')
xlabel('Frequency (Hz)')
ylabel('Magnitude (dB')

figure
smplot = smithplot(s);
smplot.TitleTop = 'Input Reflection Coefficient';
smplot.LineWidth = 3;

Результаты для коэффициента отражения очень хорошо совпадают с результатами эксперимента, представленными в [1]. Наличие двойного резонанса в импедансном поведении, имеет значение для диаграммы направленности излучения поведения антенны.

Изменения шаблона в полосе

Широкая полоса импеданса, наблюдаемая при анализе портов сложенной закрашенной фигуры, будет оказывать влияние на диаграмму направленности излучения дальнего поля. Чтобы понять это, постройте график диаграммы направленности излучения в дальнем поле этой антенны на 2 шагах на графике коэффициента отражения - 6,75 ГГц и 8,25 ГГц.

patternfreqs = [6.75*GHz, 8.25*GHz];
freqIndx = arrayfun(@(x) find(freq==x),patternfreqs);
figure
pattern(p,freq(freqIndx(1)))

figure
pattern(p,freq(freqIndx(2)))

Реализованные изменения усиления по полосе частот

Шаблон относительно стабилен при более высоких углах возвышения, близких к зениту. Однако обратите внимание, что излучение к горизонту и заднему сечению, по-видимому, растет на более высоком частотном конце полосы 6-9 ГГц. Эти результаты учитывают потери в диэлектрике, но не несоответствия импеданса, которые могут существовать в точке подачи. Чтобы понять эффект несоответствия импеданса, вычислите реализованный коэффициент усиления в зените и сравните его с коэффициентом усиления.

D = zeros(1,numel(freq));
az = 0;
el = 90;
for i = 1:numel(freq)
    D(i) = pattern(p,freq(i),az,el);
end

Коэффициент усиления графика

h = figure;
plot(freq./GHz,D,'-*','LineWidth',2)
xlabel('Frequency (GHz)')
ylabel('Magnitude (dBi)')
grid on
title('Gain Variation With Frequency')

Вычислите коэффициент несоответствия

gamma = rfparam(s,1,1);
mismatchFactor = 10*log10(1 - abs(gamma).^2);

Вычисление реализованного усиления

Gr = mismatchFactor.' + D;
figure(h)
hold on
plot(freq./GHz,Gr,'r-.')
legend('Gain','Realized Gain','Location','best')
title('Variation of Gain and Realized Gain with Frequency')
hold off

Сводные данные

Экспериментальные результаты проекта сложенной закрашенной фигуры, представленные в [1], хорошо согласуются с результатами анализа, показанными в этом примере. В сложение антенна демонстрирует хорошую устойчивость в изменениях усиления, близких к зениту, с более высокими изменениями формы вблизи горизонта и областей заднего сечения. Максимальное реализованное усиление в зените достигается на нижнем и верхнем концах частоты полосы 6 - 9 ГГц, особенно на надрезах во входном коэффициенте отражения, где соответствие является лучшим. В пределах 7-9 ГГц области значений замечают, что реализованный коэффициент усиления падает только примерно на 0,6 дБ. Уменьшенные значения реализованного усиления ниже 6,5 ГГц и выше 8,5 ГГц обусловлены несоответствием импеданса.

Ссылки

[1] R. B. Waterhouse, «Проект стоповых закрашенных фигур с зондовым питанием», в транзакциях IEEE по антеннам и распространению, том 47, № 12, стр. 1780-1784, декабрь 1999.

[2] D.Orban and G.J.K.Moernaut, The Basics of Patch Antennas, Updated, Orban Microvave Products.

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