Этот пример показывает вычисление эффективности излучения антенны и антенных решеток в Antenna Toolbox. Эффективность излучения антенны определяется как отношение излучаемого наружу степени антенной к входу степени поступающей в порт возбуждения антенны. Потеря степени из-за несоответствия импеданса порта здесь не рассматривается.
Вход степени, поданная на антенну, может быть записана как
(1)
Здесь входное напряжение и входной ток представлены и , соответственно. Комплексное сопряжение входного тока . Степень излучение антенной может быть найдено путем интегрирования интенсивности излучения () над бесконечной сферой излучения () как
(2)
Азимут и углы возвышения обозначаются и , соответственно. Эффективность излучения ( определяется как
(3)
Различие между входом степени и излучаемой степенью происходит из-за потерь проводимости только для металла и из-за потерь проводимости и диэлектрических потерь в металл-диэлектрических антеннах. Эффективность излучения также поочередно определяется как коэффициент усиления и направленность антенны. Другими словами,
(4)
Для идеальной антенны без потерь, эффективность излучения () равен 1.
Этот пример рассматривает антенну яги-уда с теми же размерностями, что и в [1].
Создайте геометрию антенны яги-уда с двумя направляющими элементами, имеющие значения длины 131,9 мм и 126,5 мм соответственно. Интервалы размерностей для режиссёров составляют 65,95 мм и 80,34 мм. Длина Наполнителя составляет 139,1 мм. Длина и интервал значений отражателя составляют 141,5 мм и 88,13 мм соответственно. В [1] все элементы представляли собой тонкие провода с радиусом 0.6745 мм. Однако эквивалентное моделирование полос выполняется с использованием cylinder2strip функция.
d=design(dipole,1e9); radius=6.7450e-04; %Radius of thin wires d.Width=cylinder2strip(radius); %Converting into equivalent stripwidth d.Length=139.1e-03; d.TiltAxis=[0 1 0]; d.Tilt=-90; ant=design(yagiUda,1e9); ant.Exciter=d; ant.NumDirectors=2; ant.DirectorLength=[131.9e-03;126.5e-03]; ant.DirectorSpacing=[65.95e-03;80.34e-03]; ant.ReflectorLength=141.5e-03; ant.ReflectorSpacing=88.13e-03;
Визуализируйте идеальную электропроводящую (PEC) антенну по умолчанию, значения проводимости и толщины которой бесконечны и равны нулю, соответственно.
figure; show(ant)
Функция show задает имя проводника и местоположение корма, используя различные цвета на приведенном выше рисунке.
Построение графиков эффективности излучения антенны УИК яги-уда с помощью efficiency функция в области значений от 0,5 ГГц до 1,5 ГГц с 31 точкой дискретизации. Поскольку антенна PEC не имеет потерь, она показывает эффективность излучения как 1 в частотной области значений здесь.
f=linspace(0.5e9, 1.5e9, 31); efficiency(ant,f)
Он обеспечивает направленность антенны PEC yagi-uda на частоте 1 ГГц. Из-за отсутствия потерь направленность и усиление будут одинаковыми в антенне PEC.
figure; pattern(ant, 1e9)
Установите проводник в виде меди из металлического каталога Antenna Toolbox. Измените проводимость конечной металлической антенны яги-уда с помощью свойств металлического объекта.
ant.Exciter.Conductor=metal('Copper');%chosing the conductor from the metal catalog ant.Exciter.Conductor.Conductivity=1e5;%same value as of the reference paper
ant.Exciter.Conductor=metal('Copper');%chosing the conductor from the metal catalog ant.Exciter.Conductor.Conductivity=1e5;%same value as of the reference paper
ant.Conductor=metal('Copper');%chosing the conductor from the metal catalog ant.Conductor.Conductivity=1e5;%same value as of the reference paper
Он вручную изменяет проводимость и толщину конечной металлической антенны яги-уда.
ant.Exciter.Conductor.Thickness=700*1e-6; ant.Conductor.Thickness=700*1e-6;
Визуализируйте металлическую антенну яги-уда с помощью показа.
figure; show(ant)
Строит графики визуализации радиационной эффективности металлической антенны яги-уда в области значений от 0,5 ГГц до 1,5 ГГц.
f=linspace(0.5e9, 1.5e9, 31); figure; efficiency(ant,f)
Строит графики шаблона усиления металлической антенны яги-уда на частоте 1 ГГц.
figure pattern(ant,1e9)
Из приведенных выше сравнений можно отметить, что коэффициент усиления антенны уменьшается на 0,86 дБ из-за конечных потерь проводимости. Значение эффективности тесно совпадает с аналитическими результатами [1].
Этот пример рассматривает микрополосковую патч-антенну от [2]. В [2] численный анализ был выполнен с использованием метода Конечной разностной временной области (FDTD). Однако антенна анализируется здесь с помощью основанного на методе момента (MoM) решателя Antenna Toolbox.
Создает геометрию микрополосковой патч-антенны с проводником PEC и подложкой с потерей толщины 1,57 мм.
f=1.59e9; %solution frequency lambda=3e8/f; d = dielectric('FR4'); %Selecting the substrate from the dielectric catalog d.EpsilonR=4.36; d.LossTangent=2/100;%Indicates the lossy substrate ant = patchMicrostrip('Substrate',d); ant.Height=1.57e-3; ant.Substrate.Thickness=1.57e-3; ant.Length=45e-3; ant.Width=45e-3; ant.GroundPlaneLength=20e-2; ant.GroundPlaneWidth=13.5e-2; ant.FeedOffset= [20e-3 0]; ant.FeedWidth=lambda/200;
Сетка антенны вручную с помощью максимальной длины рта базиса RWG функционирует как lambda/20, где длина волны свободного пространства на частоте решения 1,5 ГГц является лямбда.
figure;
mesh(ant,'MaxEdgeLength',lambda/20)
Визуализируйте схематический показ антенны с PEC в виде металлической и потерянной подложки.
figure; show(ant)
Вычисляет КПД в абсолютных и логарифмических значениях эффективности излучения антенны с УИК в качестве металлической и потерянной подложки. Поскольку металл является PEC, только потеря происходит из-за потерянной подложки.
E1=efficiency(ant,f)
E1 = 0.2963
E1_log=10*log10(E1)
E1_log = -5.2828
Строит графики направленности микрополосковой антенны с PEC-металлом и подложкой с потерями с помощью функции шаблона. Направленность не зависит от проводимости и диэлектрических потерь.
figure pattern(ant,f,'Type', 'Directivity')
Строит графики усиления микрополосковой антенны с PEC-металлом и подложкой с потерями. Здесь значение усиления меньше, чем значение направленности из-за диэлектрических потерь. Различия значений усиления и направленности тесно совпадают с журналом значением эффективности излучения, т.е. .
figure; pattern(ant,f,'Type', 'Gain')
Строит графики изменения импеданса микрополосковой антенны с металлом PEC и подложкой с потерями в частотной области значений от 1 ГГц до 4 ГГц.
f1=linspace(1e9,4e9,31); figure impedance(ant,f1)
Строит графики изменения потерь при возврате антенны микрополоски с металлом PEC и подложкой с потерями.
figure; s1=sparameters(ant,f1,50); rfplot(s1);
Установите проводник антенны как металл с потерями. Используйте металлический объект, чтобы сменить проводник на медный металл.
ant.Conductor=metal('Copper');Визуализация микрополосковой антенны с медным металлом и FR4 подложкой.
figure; show(ant)
Вычисляет эффективность излучения в абсолютных и логарифмических значениях микрополосковой антенны с Медью в качестве металла и FR4 потери в качестве подложки. Из-за
потеря проводимости в дополнение к диэлектрическим потерям снижается эффективность излучения.
E2=efficiency(ant,f)
E2 = 0.2341
E2_log=10*log10(E2)
E2_log = -6.3055
Постройте график усиления микрополосковой антенны с медным металлом и FR4 подложкой.
figure; pattern(ant,f,'Type', 'Gain')
Здесь значение усиления меньше значения направленности из-за как проводимости, так и диэлектрических потерь. Различия усиления и направленности тесно совпадают с журналом значением эффективности излучения, т.е. .
Таким образом, эффективность излучения, вычисленная с помощью Antenna Toolbox как для металлической, так и для металлодиэлектрической антенн, тесно совпадает с той, которая описана в ссылках, которые использовали различные аналитические [1] или числовые методы [2].
[1] Шахпари, Мортеза и Дэвид В. Тиль. «Фундаментальные ограничения эффективности антенного излучения», Транзакции IEEE по антеннам и распространению, том 66, № 8, 2018.
[2] Ph.Leveque, A. Reineix and B. Jecko, «Моделирование диэлектрических потерь в микрополосковых закрашенная фигура: применение метода FDTD», Electronics Letters, Vol. 28, No. 6, March 1992.