Согласование импеданса малой монополярной антенны

Этот пример использует:

Этот пример показывает, как спроектировать сеть согласования L-образного сечения двойной настройки между источником сопротивления и емкостной нагрузкой в форме небольшого монополя при помощи matchingnetwork объект. L-образная секция состоит из двух индукторов. Сеть достигает сопряженного соответствия и гарантирует максимальную передачу степени на одной частоте. Этот пример требует следующего продукта:

Antenna Toolbox™

Создайте монополь

Создайте монополистую антенну с четвертью длины волны через Antenna Toolbox с резонансной частотой около 1 ГГц. Для цели этого примера мы выбираем квадратную наземную плоскость стороны $0.75 λ$ .

fres = 1e9;
speedOfLight = physconst('lightspeed');
lambda = speedOfLight/fres;
L = 0.25*lambda;
dp = monopole('Height',L,'Width',L/50,...
    'GroundPlaneLength',0.75*lambda,...
    'GroundPlaneWidth',0.75*lambda);

Вычисление импеданса монополя

Задайте импеданс источника (генератора), ссылки (линии электропередачи) импеданс и импеданс нагрузки (антенны). В этом примере нагрузка Zl0 будет нерезонантным (малым) монополем на частоте 500 МГц, что составляет половину резонансной частоты. Источник имеет эквивалентное сопротивление 50 Ом.

f0 = fres/2;
Zs = 50;
Z0 = 50;
Zl0 = impedance(dp,f0);
Rl0 = real(Zl0);
Xl0 = imag(Zl0);

Определите количество частотных точек для анализа и установите полосу частот около 500 МГц.

Npts = 30;
fspan = 0.1;
fmin = f0*(1 - (fspan/2));
fmax = f0*(1 + (fspan/2));
freq = unique([f0 linspace(fmin,fmax,Npts)]);

Осмыслите поведение нагрузки с помощью коэффициента отражения и усиления степени

Вычислите коэффициент отражения нагрузки и коэффициент усиления степени между источником и антенной.

S = sparameters(dp, freq);
GammaL = rfparam(S, 1,1);
Gt = 10*log10(1 - abs(GammaL).^2);

Построение графика входного коэффициента отражения на графике Смита показывает емкостное поведение этой антенны вокруг рабочей частоты 500 МГц. Центр графика Смита представляет согласованное условие с ссылкой импедансом. Расположение коэффициента отражения прослеживается вокруг $- j 5.0$ $Ω$ подтверждает, что существует серьезное несоответствие входного сопротивления.

fig1 = figure;
hsm = smithplot(fig1,freq,GammaL,'LineWidth',2.0,'Color','m',...
    'View','bottom-right','LegendLabels',{'#Gamma L'});

Постройте график степени, поданной на нагрузку.

fig2 = figure;
plot(freq*1e-6,Gt,'m','LineWidth',2);
grid on
xlabel('Frequency [MHz]')
ylabel('Magnitude (dB)')
title('Power delivered to load')

Figure contains an axes. The axes with title Power delivered to load contains an object of type line.

Как показывает график усиления степени, происходит потеря степени приблизительно на 20 дБ вокруг рабочей частоты (500 МГц).

Проект совпадающей сети

Соответствующая сеть должна обеспечивать максимальную передачу степени на частоте 500 МГц. Сеть двойной настройки L-секции достигает этой цели [1]. Топология сети, показанная на рисунке, состоит из индуктивности последовательно с антенной, которая отменяет большую емкость на 500 МГц и поперечной индуктивности, которая дополнительно повышает выходное сопротивление, чтобы соответствовать импедансу источника 50 $Ω$ .

Используйте matchingnetwork объект для создания различных совпадающих схем сети на основе импеданса источника, импеданса нагрузки и центральной частоты.

matchnw = matchingnetwork('CenterFrequency',f0,'LoadImpedance',Zl0,'Bandwidth',50e6);
matchnw.clearEvaluationParameter(1); % clear default constraint

Значения каждого элемента для сгенерированных схем показаны ниже.

[circuit_list, performance] = circuitDescriptions(matchnw)

circuit_list=4×5 table
                 circuitName    component1Type    component1Value    component2Type    component2Value
                 ___________    ______________    _______________    ______________    _______________

    Circuit 1     "auto_1"        "Series L"          2.97e-07         "Shunt L"         1.0359e-07   
    Circuit 2     "auto_2"        "Series C"        3.4115e-13         "Shunt L"         6.1094e-08   
    Circuit 3     "auto_3"        "Shunt C"         2.3801e-11         "Series L"        8.0817e-08   
    Circuit 4     "auto_4"        "Shunt L"         4.2569e-09         "Series L"        7.2871e-08

performance=4×4 table
                 circuitName    evaluationPassed    testsFailed     performanceScore
                 ___________    ________________    ____________    ________________

    Circuit 1     "auto_1"         {["Yes"]}        {0x0 double}         {[0]}      
    Circuit 2     "auto_2"         {["Yes"]}        {0x0 double}         {[0]}      
    Circuit 3     "auto_3"         {["Yes"]}        {0x0 double}         {[0]}      
    Circuit 4     "auto_4"         {["Yes"]}        {0x0 double}         {[0]}

Создайте соответствующую сеть и вычислите S-параметры

Схема совпадающей сети создается через RF Toolbox™ и она состоит из двух индукторов, значения которых были вычислены выше. S-параметры этой сети вычисляются по полосе частот, центрированной на рабочей частоте.

Вычислите S-параметры на основе желаемой совпадающей сети (этот пример использует схему # 2).

ckt_no = 4;
Smatchnw = sparameters(matchnw, freq, Z0, ckt_no);

Представление элемента схемы совпадающей сети показано ниже.

disp(matchnw.Circuit(ckt_no))

  circuit: Circuit element

    ElementNames: {'L'  'L_1'}
        Elements: [1x2 inductor]
           Nodes: [1 2 3]
            Name: 'auto_4'
        NumPorts: 2
       Terminals: {'p1+'  'p2+'  'p1-'  'p2-'}

Коэффициент отражения и коэффициент усиления степени с совпадающей сетью

Вычислите входной коэффициент отражения/коэффициент усиления мощности для нагрузки антенны с совпадающей сетью.

Zl =  impedance(dp,freq);
GammaIn = gammain(Smatchnw,Zl);
Gtmatch = powergain(Smatchnw,Zs,Zl,'Gt');
Gtmatch = 10*log10(Gtmatch);

Сравнение результатов

Постройте график входного коэффициента отражения и степени, поданной на антенну, с совпадающей сетью и без нее. График Smith ® показывает трассировку коэффициента отражения, проходящую через ее центр, таким образом подтверждая соответствие. На операцию частоте 500 МГц генератор передает антенне максимум степени. Соответствие ухудшается с обеих сторон рабочей частоты.

add(hsm,freq,GammaIn);
hsm.LegendLabels(2) = {'#Gamma In'};
hsm.View = 'full';

Постройте степень, поданной на нагрузку.

figure(fig2)
hold on
plot(freq*1e-6,Gtmatch,'LineWidth',2);
axis([min(freq)*1e-6,max(freq)*1e-6,-25,0])
legend('No matching network','Double tuning','Location','Best');

Figure contains an axes. The axes with title Power delivered to load contains 2 objects of type line. These objects represent No matching network, Double tuning.

Matching Network Designer

Matching Network Designer позволяет проектировать соответствующие сети или просматривать существующее matchingnetwork объект.

Введите эту команду в командной строке, чтобы открыть приложение Matching Network Designer. Используйте matchnw Объектом и выберите «auto_4», чтобы просмотреть соответствующую схему.

matchingNetworkDesigner(matchnw)

Ссылки

[1] М. М. Вайнер, Монополя Антенны, Марсель Деккер, Инк., CRC Press, Rev. Exp edition, New York, pp.110-118, 2003.

Документация