Создайте закрашенную фигуру на низко-эпсилоновой тонкой подложке

Создайте прямоугольную закрашенную фигуру длиной 40 мм и шириной 30 мм на плоскости земли 80 мм x 60 мм. Подложка без потерь имеет диэлектрическую проницаемость 2,33 и толщину 1,57 мм. Подача смещена на 5,5 мм от источника вдоль оси X.

p1 = patchMicrostrip;
p1.Length = 40e-3;
p1.Width = 30e-3;
p1.Height = 1.57e-3;
p1.GroundPlaneLength = 80e-3;
p1.GroundPlaneWidth = 60e-3;
p1.FeedOffset = [5.5e-3 0];

Antenna Toolbox™ имеет список подложек, поддерживаемых как часть его диэлектрического каталога. Чтобы открыть каталог, используйте следующую команду.

openDielectricCatalog

Подложка, заданная для этой закрашенной фигуры, не является частью каталога диэлектриков. При необходимости его можно добавить в каталог, чтобы материал можно было использовать в следующий раз без указания его электрических свойств. Можно также задать свойство подложки непосредственно, как показано ниже.

p1.Substrate = dielectric('Name','material1','EpsilonR',2.33);

Как указано в ссылке [1], сырье моделируется как квадратный столбец стороны 1 мм. Эта модель канала доступна в pcbStack. Преобразуйте модель закрашенной фигуры в представление стека и моделируйте канал.

pb1 = pcbStack(p1);
pb1.FeedDiameter = sqrt(2)*1e-3;
pb1.FeedViaModel = 'square'

pb1 = 
  pcbStack with properties:

              Name: 'Probe-fed rectangular microstrip patch'
          Revision: 'v1.0'
        BoardShape: [1×1 antenna.Rectangle]
    BoardThickness: 0.0016
            Layers: {[1×1 antenna.Rectangle]  [1×1 dielectric]  [1×1 antenna.Rectangle]}
     FeedLocations: [0.0055 0 1 3]
      FeedDiameter: 0.0014
      ViaLocations: []
       ViaDiameter: []
      FeedViaModel: 'square'
       FeedVoltage: 1
         FeedPhase: 0
              Tilt: 0
          TiltAxis: [1 0 0]
              Load: [1×1 lumpedElement]

figure
show(pb1)

Визуализация тонкой Закрашенной фигуры антенны Эффективности

Создайте сетку колодца, задав максимальную и минимальную длины ребер. Ниже представлен mesh, используемая для моделирования антенны. Треугольники используются для дискретизации металлических областей закрашенной фигуры, а тетраэдры - для дискретизации объема диэлектрической подложки в закрашенной фигуре. Они обозначены желтыми и зелеными цветами соответственно. Общее количество неизвестных - это сумма неизвестных для металла плюс неизвестных, используемых для диэлектрика. В результате время вычисления решения значительно увеличивается по сравнению с чистыми металлическими антеннами.

figure
mesh(pb1,'MaxEdgeLength',.01,'MinEdgeLength',.003)

Импеданс антенны показывает резонанс на частоте 2,37 ГГц. Это значение очень близко к результатам, опубликованным в статье.

figure
impedance(pb1,linspace(2.2e9,2.5e9,21))

Шаблон антенны в резонансе также показывает равномерное освещение над плоскостью земли с минимальными утечками ниже нее.

figure
pattern(pb1, 2.37e9)

Моделирование тонких и толстых диэлектрических подложек

Толщину диэлектрической подложки измеряют относительно длины волны. В случае выше длины волны в свободном пространстве составляет около 126 мм. Длина волны в диэлектрике аппроксимируется путем деления вышеуказанного числа на квадратный корень диэлектрической проницаемости. Это значение составляет около 85 мм. Таким образом, толщина подложки составляет приблизительно 1/50 длины волны в диэлектрике. Это тонкая подложка.

В следующем случае рассматривается закрашенная фигура антенна на подложке, толщина которой составляет 1/10 длины волны в диэлектрике. Это толстая подложка. Метод решателя моментов требует по меньшей мере 10 элементов на длину волны, чтобы дать точное решение. Таким образом, если диэлектрическая толщина становится больше этой, влияет точность решения. В Antenna Toolbox, если толщина подложки больше 1/10 длины волны в диэлектрике, для решения антенны рекомендуется ручное зацепление. Поскольку критерий длины волны по 10 элементов не удовлетворяется, ожидается определенное количество ошибок в решении.

Создайте закрашенную фигуру на высокоэпсилоновой толстой подложке

Создайте прямоугольную закрашенную фигуру длиной 36 мм и шириной 48 мм на плоскости земли 55 мм x 80 мм. Подложка без потерь имеет диэлектрическую проницаемость 9,29 и толщину 3,82 мм. Подача смещена на 4 мм от источника координат вдоль оси X. Как и в предыдущем случае, преобразуйте модель в представление стека и измените модель подачи, как отмечено в [1].

p2 = patchMicrostrip;
p2.Length = 36e-3;
p2.Width = 48e-3;
p2.Height = 3.82e-3;
p2.GroundPlaneLength = 55e-3;
p2.GroundPlaneWidth = 80e-3;
p2.FeedOffset = [4.0e-3 0];
p2.Substrate = dielectric('Name','material2','EpsilonR',9.29);
pb2 = pcbStack(p2);
pb2.Layers{1}.NumPoints = 40;
pb2.Layers{3}.NumPoints = 40;
pb2.FeedDiameter = sqrt(2)*1e-3;
pb2.FeedViaModel = 'square';
figure
show(pb2)

Визуализация Закрашенной фигуры антенны Эффективности

Это, пожалуй, самый сложный случай с численной точки зрения - толстый высокоэпсилоновый диэлектрик со значительными окантовочными полями, близкими к ребрам закрашенных фигур [1]. Рисунок ниже показывает импедансный график антенны с резонансом, близким к 1,22 ГГц. Бумага показывает резонанс, близкий к 1,27 ГГц.

figure
impedance(pb2,linspace(1.2e9,1.35e9,7))

Ниже представлен mesh, используемая для вычисления эффективности антенны.

figure
mesh(pb2)

Чтобы улучшить результат, уточните mesh. Mesh может быть уточнена с помощью критериев максимальной длины ребра. В случае ниже максимальная длина ребра устанавливается равной 1,65 мм. Как видно ниже, генерируется более 13000 тетраэдров. Поскольку mesh очень хорошо, результаты занимают больше времени, и, следовательно, сохраняются в .mat файле.

figure
mesh(pb2,'MaxEdgeLength',.00165)

Графическое изображение импеданса показывает резонанс близкий к 1,27 ГГц, как ожидалось.

load thickpatch
figure
plot(freq*1e-9, real(Z), 'b', freq*1e-9, imag(Z), 'r', 'LineWidth',2);
legend('resistance', 'reactance');
title('Impedance');
ylabel('Impedance (ohms)');
xlabel('Frequency (GHz)');
grid on;

Информация о направленности для этой закрашенной фигуры также предварительно сжата и сохранена. Это можно построить с помощью функции patternCustom, как показано ниже. Значительная задняя лопасть наблюдается для толстой закрашенной фигуры антенны.

figure
patternCustom(D.', 90-el, az);
h = title('Directivity (dBi)');
h.Position = [-0.4179, -0.4179, 1.05];

Ссылка

[1] С. Н. Макаров, С. Д. Kulkarni, A. G. Marut and L.C. Kempel 'Method of Moments Solution for a Printted Patch/Slot Antenna on a Thin Finite Dielectric Substrate Using the Volume Integral equal equation', Ivagation,