Кольцевая планарная антенна-монополь

Этот рисунок показывает геометрию и размерности кольцевой плоской монополярной антенны. Излучающий элемент представляет собой кольцевой звонок с внешним радиусом (rBig) от 25 mm и внутренний радиус (rSmall) от 10 mm, расположенный вертикально над квадратной плоскостью земли с длиной стороны 305 mm. Фидгап (d)между точкой питания в излучателе и наземной плоскостью и шириной питательной полосы (w) заданы как 0.8 mm и 0.6 mm, соответственно, для увеличения полосы сопротивления. Значение смещения устанавливается равным 0.2 mm для обеспечения идеального соединения между питательной полоской и кольцевым звонком излучателя.

Создайте плоскость Земли

Создайте квадратную плоскость земли с длиной стороны 305 mm использование antenna.Rectangle функция.

Lg = 305e-3; Wg = 305e-3;
groundPlane = antenna.Rectangle("Length",Lg,"Width",Wg);

Создайте излучателя

Создайте фидстрипп с помощью antenna.Rectangle функция. Чтобы создать внешний и внутренний круг, используйте antenna.Circle функция. Чтобы создать кольцевой звонок излучателя, вычитайте innerCircle от outerCircle и добавить в FeedStrip.

d = 0.8e-3; w = 0.6e-3;
offset = 0.2e-3; % offset value when a vertex touches the feed.
FeedStrip = antenna.Rectangle("Length",w,"Width",d,"Center",[0 d/2]);

rBig = 25e-3; rSmall = 10e-3;
outerCircle = antenna.Circle("Radius",rBig,"Center",[0 rBig+d-offset]);
innerCircle = antenna.Circle("Radius",rSmall,"Center",[0 rBig+d-offset]);
radiator = outerCircle-innerCircle+FeedStrip;

Создайте планарный монополь

Чтобы создать кольцевой звонок плоскую антенну-монополь, используйте monopoleCustom объект.

ant = monopoleCustom ("Radiator",radiator,"GroundPlane",groundPlane);
show(ant)

Создайте Mesh антенны

Создайте сетку антенны вручную, используя не менее 10 элементов на длину волны в 3 GHz перед выполнением анализа. Установите MaxEdgeLength в L- ambda/10.

figure; 
mesh(ant,"MaxEdgeLength",0.01)

Вычисление VSWR

Вычислите коэффициент стоячей волны напряжения ( VSWR) кольцевого звонка плоской монополярной антенны, чтобы найти полосу импеданса антенны. VSWR меньше 2 в частотной области значений 1.2 GHz на 8.7 GHz.

figure; 
vswr(ant,(0.5:0.2:10)*1e9,50);
ylim([1 5]);

Постройте график VSWR для различных планарных антенн, где rSmallустановлено в 5 mm, 10 mm, 15 mm and 20 mm.

load annularRingVSWR.mat            % load data from annularRingVSWR.mat file
figure; plot(freq,r5,'LineStyle',"-","Color",'r','LineWidth',1.5); grid on; hold on;
plot(freq,r10,'LineStyle',"-.","Color",'k','LineWidth',1.5);
plot(freq,r15,'LineStyle',"--","Color",'b','LineWidth',1.5);
plot(freq,r20,'LineStyle',":","Color",'g','LineWidth',1.5);
ylim([1 5]);
xlabel('Frequency (GHz)');
ylabel('Magnitude');
title('VSWR');
legend('rSmall = 5mm', 'rSmall = 10mm', 'rSmall = 15mm', 'rSmall = 20mm')

Вы можете видеть это как значение rSmall увеличивается от 5 mm на 10 mm, происходит изменение частоты ребра верхней полосы с 9,7 ГГц до 8,7 ГГц. Когда это увеличивается дополнительно, антенна становится многополосной антенной вместо широкополосной антенны. Во всех этих случаях нижняя частота ребра полосы одинаковая. В этом примере rSmall или значение радиуса innerCircle установлено в 10 mm.

Постройте диаграмму направленности антенного излучения

Анализируйте диаграмму направленности антенны 4 GHz.

figure; pattern(ant,4e9);

В 4 GHzкольцевой звонок монополярная антенна демонстрирует типичные всенаправленные монопланарные диаграммы направленности излучения с максимальным усилением 6.23 dBi. Результаты симуляции согласуются с результатами, представленными в [1].

Квадратная планарная антенна-монополь с полоской питания в форме трезубца

Этот рисунок показывает геометрию и размерности квадратной плоской антенны с квадратной плоскостью, имеющей длину стороны 34 mm. Параметры питающей полосы в форме трезубца: расстояние между плоскостью земли и питающей полосой (d) 1 mm, высота питающей полосы от d (h) 4 mmгоризонтальная длина питающей полосы (t) 18 mm, и ширина (w) всех трех полос, которые делают трезубец 2 mm. Радиус плоскости земли (R) является 150 mm. Идея квадратного монополя с питанием от трезубца взята из [2], но в этом примере используется круглая плоскость земли.

Создайте излучателя

Излучатель содержит питающую полосу в форме трезубца и квадратный монополь. Создайте объект питающей полосы в форме трезубца, Feed, путем добавления Strip1, Strip2, Strip3, Strip4 и Strip5 фигуры. Чтобы создать излучателя, добавьте Feed с monopole форма.

Lp = 34e-3;
Wp = 34e-3;
h = 4e-3;
d = 1e-3;
w = 2e-3;
t = 18e-3;

Strip1 = antenna.Rectangle("Length",w,"Width",d,"Center",[0 d/2]);
Strip2 = antenna.Rectangle("Length",t,"Width",w,"Center",[0 d+w/2]);
Strip3 = antenna.Rectangle("Length",w,"Width",h,"Center",[-(t/2-w/2) d+w+h/2]);
Strip4 = antenna.Rectangle("Length",w,"Width",h,"Center",[0 d+w+h/2]);
Strip5 = antenna.Rectangle("Length",w,"Width",h,"Center",[t/2-w/2 d+w+h/2]);
Feed = Strip1+Strip2+Strip3+Strip4+Strip5;
monopole = antenna.Rectangle("Length",Lp,"Width",Wp,"Center",[0 d+w+h+Wp/2]);
radiator = Feed + monopole;

Создайте плоскость Земли

Создайте круговую плоскость заземления с помощью antenna.Circle функция с радиусом 150 mm.

R = 150e-3;
groundPlane = antenna.Circle("Radius",R);

Создайте планарный монополь

Чтобы создать квадратную планарную антенну-монополь с питанием от трезубца, используйте monopoleCustom объект.

ant = monopoleCustom ("Radiator",radiator,"GroundPlane",groundPlane);
show(ant)

Сетчатая антенна

Создайте сетку антенны вручную, используя не менее 10 элементов на длину волны в 4 GHz перед выполнением анализа. Установите MaxEdgeLength в L- ambda/10.

figure; 
mesh(ant,"MaxEdgeLength",0.0075);

Вычисление коэффициента отражения

Вычислите коэффициент отражения плоской монополярной антенны, чтобы найти полосу импеданса антенны. Коэффициент отражения меньше -10 дБ в частотной области значений от 1,6 ГГц до 9,3 ГГц.

freq = (1:0.2:10)*1e9;
s = sparameters(ant,freq);
figure; 
rfplot(s);
title('Reflection Coefficient');

График диаграммы направленности излучения

Анализ диаграммы направленности антенны при 2 GHz, 6 GHz, и 9 GHz показывает вертикальную поляризацию как стабильную во всей области значений частот. Но когда частота увеличивается, происходит увеличение компонента горизонтальной поляризации.

pV_1 = pattern (ant, 2e9, 0, 0:1:360,'Polarization','V');
pH_1 = pattern (ant, 2e9, 0, 0:1:360,'Polarization','H');
figure; 
polarpattern(pV_1,'MagnitudeLim',[-150 20]);
hold on; 
polarpattern(pH_1,'MagnitudeLim',[-150 20]);
legend VerticalPolarization HorizontalPolarization;

pV_2=pattern (ant, 6e9, 0, 0:1:360,'Polarization','V');
pH_2=pattern (ant, 6e9, 0, 0:1:360,'Polarization','H');
figure; polarpattern(pV_2,'MagnitudeLim',[-150 20]);
hold on; polarpattern(pH_2,'MagnitudeLim',[-150 20]);
legend VerticalPolarization HorizontalPolarization;

pV_3 = pattern (ant, 9e9, 0, 0:1:360,'Polarization','V');
pH_3 = pattern (ant, 9e9, 0, 0:1:360,'Polarization','H');
figure; 
polarpattern(pV_3,'MagnitudeLim',[-150 20]);
hold on; 
polarpattern(pH_3,'MagnitudeLim',[-150 20]);
legend VerticalPolarization HorizontalPolarization;

Просмотр распределения тока

Распределение тока антенны анализируется в 2.5 GHz. Структура питания, имеющая форму трезубца, приводит к равномерному распределению тока в нижней части квадратного монополя.

current(ant,2.5e9,'scale','log');
view(0,1)

Заключение

Плоские монополярные антенны имеют простую геометрию, и можно задать их излучателей и наземные плоскости в различных формах. Эти антенны обеспечивают ультравидную полосу импеданса с азимутальной диаграммой направленности излучения, которая является почти всенаправленной.

Ссылка

[1] Ammann, M. J. Chen, Z. N. Chia, M. Y. W. and See, T. S. P.. Кольцевые планарные монополярные антенны. IEE Proceedings - Микроволны, антенны и распространение, том 149, № 4, август 2002, стр. 200-203.

[2] Kin-Lu Wong, Chih-Hsien Wu and Saou-Wen Su, «Ultrawide-band square planar metal-plate monopole antenna with a trident-fiding strip», Транзакции IEEE по антеннам и распространению, том 53, № 4,