Моделирование плоской структуры фотонной полосы

Открыть скрипт

Этот пример показывает, как создать и проанализировать СВЧ-плоские структуры Photonic Band Gap (PBG) в Antenna Toolbox™. Структуры Photonic Band Gap состоят из периодической решетки, которая обеспечивает эффективное и гибкое управление распространением Электромагнитной волны в одном или нескольких направлениях. Микроволновые планарные структуры PBG были впервые введены примерно в 2000 году проф. Итох и его группой. Эти структуры создают ограничительную полосу в определенном частотном диапазоне и легко реализуются путем резки периодических шаблонов на плоскости заземления металла.

Проект частоты и системных параметров

Показанные в этом примере проекты те же, что и в [1]. 50-омная обычная микрополоска сконструирована на подложке RT/Duroid 6010 с диэлектрической постоянной толщиной 10,5 и 25 мил. Ширина полосы составляет 27 мм. Период решетки на задней стороне держится на уровне 200 мм. Общий размер платы печатной платы составляет 6 периодов на 9 периодов.

period = 200*1e-3*0.0254; % period = 200mil;

boardLength = period*6;
boardWidth  = period*9;
boardThick  = 25*1e-3*0.0254; % board is 25mil thick
boardPlane = antenna.Rectangle('Length',boardLength,...
    'Width',boardWidth);

sub = dielectric('Name','Duroid6010','EpsilonR',10.5,...
    'Thickness',boardThick);

stripWidth = 27*1e-3*0.0254;% 27mil;
stripLength = boardWidth;

strip = antenna.Rectangle('Length',stripWidth,...
    'Width',stripLength,'Center',[0,0]);

В нашем первом исследовании в качестве единичной формы травления на земле используется круг с радиусом 25 мил. Решетку размера 3 на 9 вытравливают из плоскости земли. Построенная наземная плоскость показана ниже. Позже мы также изучаем эффективность микрополоски с различными кругами с большим радиусом, радиус равен 50 миль и 90 миль.

gnd = boardPlane;

radius = 25*1e-3*0.0254;  % hole radius = 25mil;

posStart = [-period, -stripLength/2+period/2];

for i = 1:3
    for j =1:9

        pos = posStart+[(i-1)*period,(j-1)*period];
        circle = antenna.Circle('Radius',radius,...
            'Center',pos,'NumPoints',16);
        gnd = gnd - circle;

    end
end

figure;
show(gnd);
axis equal;

Здесь мы комбинируем верхнюю микрополоску, подложку и травленую плоскость земли в объект pcbStack для сетки и полного волнового анализа. Конечная построенная геометрия показана ниже:

obj = pcbStack('Name','2D Bandgap Structure');
obj.BoardShape = boardPlane;
obj.BoardThickness = boardThick;
obj.Layers = {strip,sub,gnd};
obj.FeedLocations = [0,-boardWidth/2,1,3;0,boardWidth/2,1,3];
obj.FeedDiameter = stripWidth/2;
figure;
show(obj);
axis equal;
title(obj.Name);

Мы вручную создадим сетку структуры с помощью режима mesh в тулбоксе, чтобы лучше управлять выходными треугольниками и тетраэдрами.

figure;
mesh(obj,'MaxEdgeLength',12*stripWidth,...
    'MinEdgeLength',stripWidth,'GrowthRate',0.85);

В порядок наблюдения эффекта погрешности полосы мы вычисляем S-параметры для 2-портовой системы. Эффект зазора в полосе показан в параметре S21. В анализе мы вычисляли S-параметры от 2 ГГц до 16 ГГц, и строим график S21 и S11 для трех различных радиусов окружности. Результаты для всего анализа s-параметров были предварительно вычислены и сохранены в MAT-файле.

freq= linspace(2e9,16e9,141);

sparam = sparameters(obj,freq);

figure;

rfplot(sparam,1,1,'-o');

hold on;

rfplot(sparam,2,1,'--o');

load('atx_bandgap_data.mat','sparam_25mil');
load('atx_bandgap_data.mat','sparam_50mil');
load('atx_bandgap_data.mat','sparam_90mil');
figure;
subplot(3,1,1);
rfplot(sparam_25mil,1,1,'-');
text(4e9,-40,'Radius = 25 mil', 'FontSize',8, 'Color', 'm')
hold on;
rfplot(sparam_25mil,2,1,'--');
legend off;
subplot(3,1,2);
rfplot(sparam_50mil,1,1,'-');
text(4e9,-40,'Radius = 50 mil', 'FontSize',8, 'Color', 'm')
hold on;
rfplot(sparam_50mil,2,1,'--');
legend off;
subplot(3,1,3);
rfplot(sparam_90mil,1,1,'-');
text(4e9,-40,'Radius= 90 mil', 'FontSize',8, 'Color', 'm')
hold on;
rfplot(sparam_90mil,2,1,'--');

Из вычисленных s-параметров ясно видно, что вокруг 11GHz есть стоповая полоса, которая преобразует 50-омную согласованную линию электропередачи в полосно-заграждающий фильтр. Путем изменения формы травления на грунтовой плоскости могут быть реализованы различные фильтрующие структуры, такие как нижние или верхние проходы и т.д.

90-градусный Поворот микрополосковая структура

Как показано ниже, создается компенсированный прямоугольный микрополосковый поворот с узорчатым заземлением. Вытравленные круги на плоскости земли следуют прямоугольному повороту.

bendboardLength = period*9;
bendboardWidth  = period*9;
boardThick  = 25*1e-3*0.0254; % board is 25mil thick
bendboardPlane = antenna.Rectangle('Length',bendboardLength,'Width',bendboardWidth);
bendgnd = bendboardPlane;

stripLength = bendboardWidth/2;
strip_1 = antenna.Rectangle('Length',stripLength,'Width',stripWidth,'Center',[stripLength/2,0]);
strip_2 = antenna.Rectangle('Length',stripWidth,'Width',stripLength+stripWidth/2,'Center',[0,-stripLength/2+stripWidth/4]);

bendstrip   = strip_1+strip_2;

radius = 50*1e-3*0.0254;  % hole radius = 50mil;

posStart = [-period, -stripLength+period/2];

pos = zeros(27,2);

for i = 1:3
    for j =1:6

        pos = posStart+[(i-1)*period,(j-1)*period];
        circle = antenna.Circle('Radius',radius,'Center',pos,'NumPoints',15);
        bendgnd = bendgnd - circle;

    end
end

posStart = [period, -period];

for i = 1:3
    for j = 1:3
        pos = posStart+[(i)*period,(j-1)*period];
        circle = antenna.Circle('Radius',radius,'Center',pos);
        bendgnd = bendgnd - circle;
    end
end

figure;
show(bendgnd);
axis equal;

Создание стека печатной платы

Создайте стек слоев путем организации слоев ПП, установки местоположений каналов для портов.

bendobj = pcbStack('Name','2D Bandgap Bend Structure');
bendobj.BoardShape = bendboardPlane;
bendobj.BoardThickness = boardThick;
bendobj.Layers = {bendstrip,sub,bendgnd};
bendobj.FeedLocations = [0,-bendboardLength/2,1,3;bendboardWidth/2,0,1,3];
bendobj.FeedDiameter = stripWidth/2;
figure;
show(bendobj);
axis equal;
title(bendobj.Name);

S-параметры для структуры вычисляются. Результаты анализа выгодно сравниваются с измеренными результатами, показанными в [1], и свойства PBG структуры получаются эффективно. Здесь отмечается, что анализ предсказывает почти идеальное отражение в стопоре полосы в то время как измеренные результаты, показанные в Fig. 3 из [1], выявляют наличие механизма потерь, который немного улучшает импеданс совпадает.

freq= linspace(2e9,16e9,141);

sparam = sparameters(obj,freq);

figure;

rfplot(sparam,1,1,'-o');

hold on;

rfplot(sparam,2,1,'--o');

load('atx_bandgap_data.mat','sparam_bend_50mil');
figure;
rfplot(sparam_bend_50mil,1,1,'-');
hold on;
rfplot(sparam_bend_50mil,2,1,'--');

Заключение

Результат, полученный для трех проектов, хорошо совпадает с результатом, опубликованным в [1].

Ссылка

[1] V. Radisic, Y. Qiang, R. Coccioli, and T. Itoh, «Novel 2-D Photonic Bandgap Structure for Microstrip Lines», IEEE Microvave and Guided Wave Letters, vol. 8, no. 2, 1998;

См. также

Моделирование метасурфальной антенны

Документация