Параметры спирали и отражателя

Параметры спиральной антенны и размерности отражателя приведены в [1]. Частотная область значений проекта составляет 4-9 ГГц, и частотная область значений анализа будет охватывать 3-10 ГГц.

a = 0.35;
rho = 1.5e-3;
phi_start = -0.25*pi;
phi_end = 2.806*pi;
R_in = rho*exp(a*(phi_start + pi/2));
R_out = rho*exp(a*(phi_end + pi/2));
gndL = 167e-3;
gndW = 167e-3;
spacing = 7e-3;

Создайте равноугловую спиральную антенну

Создайте равноугловую спиральную антенну с помощью заданных параметров.

sp = spiralEquiangular;
sp.GrowthRate = a;
sp.InnerRadius = R_in;
sp.OuterRadius = R_out;
figure;
show(sp)
title('Equiangular Spiral Antenna Element');

Создайте отражатель и назначьте его возбудителем спиральную антенну. Установите интервал между отражателем и спиралью равным 7 мм. Первичный анализ будет с бесконечно большим грунтовым планом. Для этого присвойте длину и/или ширину грунтовой плоскости inf.

rf = reflector;
rf.GroundPlaneLength = inf;
rf.GroundPlaneWidth = inf;
rf.Exciter = sp;
rf.Spacing = spacing;
figure
show(rf)
title('Equiangular Spiral Antenna Element Over an Infinite Reflector');

Импедансный анализ спирали с бесконечным отражателем и без него

Задайте частотную область значений для анализа импеданса. Сохраните дискретизацию частотной области значений грубой, чтобы получить общее представление о поведении. Будет проведен детальный анализ. Анализируйте импеданс обеих антенн: спиральной антенны в свободном пространстве и антенны с бесконечным отражателем.

freq = linspace(3e9,10e9,31);
figure;
impedance(sp,freq)

figure;
impedance(rf,freq);

Импеданс для спирали без отражателя плавен как по сопротивлению, так и по реактивному сопротивлению. Сопротивление удерживается устойчивым вокруг значения 184, в то время как реактивное сопротивление, хотя и слегка емкостное, не показывает каких-либо резких изменений. Однако введение бесконечно большого отражателя с интервалом 7 мм нарушает это плавное поведение как для сопротивления, так и для реактивного сопротивления.

Сделайте отражатель конечным

Измените отражатель на конечные размерности с помощью размерностей, заданной ранее согласно [1].

rf.GroundPlaneLength = gndL;
rf.GroundPlaneWidth = gndW;
show(rf);
title('Equiangular Spiral Antenna Element Over a Finite Reflector');

Сетка различных деталей независимо

Чтобы проанализировать поведение спиральной антенны, поддерживаемой конечноразмерным отражателем, зацепите антенну и отражатель независимо. Самая высокая частота в анализе - 10 ГГц, что соответствует а 3 см. Сетка спирали с максимальной длиной кромки 2 мм (ниже = 3 мм на 10 ГГц). Это требование расслаблено для отражателя, который зацеплен с максимальной длиной рта 8 мм (немного ниже, чем = 10 см на 3 ГГц).

ms_new = mesh(rf.Exciter,'MaxEdgeLength',.002)
mr_new = mesh(rf,'MaxEdgeLength',0.008)

Импедансный анализ спиральной антенны с конечным отражателем

Запустите следующий фрагмент кода в строке приглашения в командном окне, чтобы создать точный график импеданса для конечного отражателя, показанного на следующем рисунке. Импедансное поведение, типичное для бесконечно большого отражателя, также наблюдается для конечного отражателя.

fig1 = figure;
impedance(rf,freq);

Fig. 1: Входы сопротивление спирали с металлическим (PEC) отражателем.

Поверхностные токи на спиральной антенне, поддерживающей отражатель

Запустите следующий фрагмент кода в приглашении в Командном окне, чтобы воссоздать распределения тока графики, показанные на следующем рисунке. Поскольку расчетный диапазон частот составляет 4-9 ГГц, выберите две частоты ребра полосы для наблюдения поверхностных токов на спиральной антенне. Из импедансного анализа, наличие нескольких резонансов в нижнем конце расчетной полосы частот, должно проявляться в поверхностных токах на 4 ГГц.

fig2 = figure;
current(rf,4e9)

Fig. 2: Поверхностная плотность тока на 4 ГГц.

На первый взгляд график плотности тока на поверхности может показаться не раскрывающим никакой информации. Для дальнейшего исследования используйте шкалу палитры справа от графика. Эта шкала палитры позволяет нам настроить шкалу цвета в интерактивном режиме. Чтобы настроить шкалу, переместите указатель мыши в область в контур шкалы палитры, нажмите и перетащите мышью. Чтобы настроить область значений значений, переместите указатель мыши за пределы контура шкалы палитры цветов и наведите указатель мыши на числовые отметки деления на палитре или между интервалами такта, щелкните и перетащите мышью. Этот подход генерирует следующий рисунок, которая указывает на наличие стоячих волн на 4GHz. Стрелы на графике добавляются отдельно, чтобы подсветить локальные минимумы тока.

Fig. 3: Плотность поверхностного тока на 4 ГГц после регулировки динамической области значений с помощью шкалы палитры.

Постройте график плотности тока на спиральной антенне на 9 ГГц. Как и в предыдущем случае, мы используем шкалу палитры, чтобы настроить шкалу, чтобы быть подобным и наблюдать ток, который не имеет каких-либо стоячих волн.

fig4 = figure;
current(rf,9e9)

Fig. 4: Плотность поверхностного тока на 9 ГГц.

Вычисление коэффициента эллиптичности

Спиральная антенна излучает кругово поляризованные волны. Коэффициент эллиптичности (AR) в заданном направлении количественно определяет отношение двух компонентов ортогонального поля, излучаемых в циркулярно поляризованной волне. Коэффициент эллиптичности бесконечности, подразумевает линейно поляризованную волну. Когда коэффициент эллиптичности равен 1, излучаемая волна имеет чистую круговую поляризацию. Значения больше 1 подразумевают эллиптически поляризованные волны. Запустите следующий фрагмент кода в строке приглашения в командном окне, чтобы создать график коэффициента эллиптичности на широкой стороне, показанной на следующем рисунке. Обратите внимание, что вычисленные значения коэффициента эллиптичности указаны в дБ, 20log10 (AR). Чтобы сравнить эффект отражателя, коэффициент эллиптичности вычисляется для спиральной антенны с отражателем и без него.

AR_spiral = zeros(size(freq));
AR_reflector = zeros(size(freq));

for i = 1:numel(freq);
 AR_spiral(i)   = axialRatio(rf.Exciter,freq(i),0,90);
 AR_reflector(i)= axialRatio(rf,freq(i),0,90);
end

fig5 = figure;
plot(freq/1e9,AR_spiral,'LineWidth',2);
hold on
plot(freq./1e9,AR_reflector,'m','LineWidth',2);
grid on
ax1 = fig5.CurrentAxes;
ax1.YTickLabelMode = 'manual';
ax1.YLim = [0 20];
ax1.YTick = 0:2:20;
ax1.YTickLabel = cellstr(num2str(ax1.YTick'));
xlabel('Frequency (GHz)')
ylabel('AR (dB)')
title('Frequency Response of Axial Ratio')
legend('Without reflector', 'With reflector');

График коэффициента эллиптичности спирали без отражателя показывает, что через проектируемую полосу частот спиральная антенна излучает почти округлую поляризованную волну. Введение отражателя вблизи спиральной антенны ухудшает круговую поляризацию.

Fig. 5: Коэффициент эллиптичности на широкой стороне в дБ с и без поддержки рефлектора как функции частоты [1]

Заключение

Спиральная антенна сама по себе имеет широкую импедансную полосу и создает двунаправленную диаграмму направленности излучения. Это также создает круговую поляризованную волну через полосу пропускания. Однонаправленная балка может быть создана при помощи опорной конструкции, такой как отражатель или полость. Поддержание требуемой эффективности при использовании традиционного отражателя металла/ПЭК, особенно при малых расстояниях разделения, трудно [1].

Ссылка

[1] H. Nakano, K. Kikkawa, N. Kondo, Y. Iitsuka, J. Yamauchi, «Низкопрофильная эквиугольная спиральная антенна, поддерживаемая отражателем EBG», транзакции IEEE на антеннах и распространении,