Размерности антенны

vivaldi антенна спроектирована, чтобы действовать между 3 - 11 ГГц с размерностями 45 40 мм. На самой высокой частоте операции структура приблизительно. Задайте расчетные параметры антенны как предусмотрено.

Lgnd = 45e-3;
Wgnd = 40e-3;
Ls = 5e-3;
Ltaper = 28.5e-3;
Wtaper = 39.96e-3;
s = 0.4e-3;
d = 5e-3;
Ka = (1/Ltaper)*(log(Wtaper/s)/log(exp(1)));

Создайте форму верхнего слоя

Этот проект состоит из трех слоев; верхний слой является экспоненциально клиновидной формой паза. Это - та же форма как vivaldi в каталоге Antenna Toolbox. Нижний слой состоит из канала и соответствующей схемы. Средний слой является подложкой FR4. Функция pcbStack (муравей) преобразует любого 2D или 2.5D антенна из каталога в pcb антенну для дальнейшего моделирования и анализа. Создайте vivaldi антенну из каталога и визуализируйте его. После этого переместите канал и преобразуйте его в представление стека и получите доступ к геометрии слоя для дальнейших модификаций.

vivaldiant = vivaldi('TaperLength',Ltaper, 'ApertureWidth', Wtaper,     ...
                     'OpeningRate', Ka,'SlotLineWidth', s,              ...
                     'CavityDiameter',d,'CavityToTaperSpacing',Ls,      ...
                     'GroundPlaneLength', Lgnd, 'GroundPlaneWidth', Wgnd,...
                     'FeedOffset',-10e-3);
figure
show(vivaldiant);
vivaldiant.FeedOffset = -14e-3;
ewant = pcbStack(vivaldiant);
topLayer = ewant.Layers{1};
figure
show(topLayer)

Удалите Полосу Канала из Структуры Vivaldi, значение по умолчанию vivaldi структура антенны в каталоге имеет внутренний канал и связанную полосу канала, заданную в центре антенны. В этом примере мы используем модель канала ребра. Удалите полосу из vivaldi структуры.

cutout = antenna.Rectangle('Length',1e-3,'Width',4e-3,'Center',[-0.014,0]);
topLayer = topLayer-cutout;
figure;
show(topLayer);

Создайте соответствие со схемой для антенны Vivaldi

Ступенчатая микрополосковая линия используется в качестве соответствующей схемы с 90 поворотами степени, завершающими работу в радиальную заглушку галстука-бабочки. Используйте прямоугольную фигуру, примитивную в Antenna Toolbox™, чтобы создать ступенчатую микрополосковую линию. Операция логического сложения используется среди примитивов фигур с этой целью.

L1 = 8e-3;
L2 = 4.1e-3;
L3 = 9.1e-3;
W1 = 1.5e-3;
W2 = 1e-3;
W3 = 0.75e-3;
H = 0.8e-3;
fp = 11.2e-3;
th = 90;
patch1 = antenna.Rectangle('Length',L1,'Width',W1,...
                           'Center',[-(Lgnd/2 - L1/2), -(Wgnd/2 - fp - W1/2)],...
                           'NumPoints', [10,2,10,2]);
patch2 = antenna.Rectangle('Length',L2,'Width',W2,...
                           'Center',[-(Lgnd/2 - L1 - L2/2), -(Wgnd/2 - fp - W1/2)],...
                           'NumPoints', [5,2,5,2]);
patch3 = antenna.Rectangle('Length',W3,'Width',L3,...
                           'Center',[-(Lgnd/2 - L1 - L2 - W3/2), -(Wgnd/2 - fp - W1/2 + W2/2- L3/2)],...
                           'NumPoints', [2,10,2,10]);

Создайте Радиальную схему Соответствия Заглушки, Чтобы создать радиальную схему соответствия заглушки, мы используем функцию makebowtie. Это обеспечивает входные параметры для радиуса, ширины шеи, угла вспышки, центра, формы галстука-бабочки и наконец числа точек, чтобы создать форму для галстука-бабочки.

Bowtie = em.internal.makebowtie(8.55e-3, W3, th, [0 0 0],'rounded',20);
rotatedBowtie = em.internal.rotateshape(Bowtie,[0 0 1],[0 0 0],90);
p = antenna.Polygon('Vertices', rotatedBowtie');

radialStub = translate(p, [-(Lgnd/2 - L1 - L2 - W3/2) -(Wgnd/2 - fp - W1/2 + W2/2- L3) 0]);

bottomLayer = patch1+patch2+patch3+radialStub;
figure;
show(bottomLayer);

Создайте стек PCB

Создайте форму платы для антенны. Плата в этом случае является прямоугольной и 45 мм x 40 мм в размере.

boardShape = antenna.Rectangle('Length',Lgnd,'Width',Wgnd);
figure;
hold on;
plot(topLayer)
plot(bottomLayer)
grid on

Задайте Диэлектрическую Подложку, vivaldi антенна создается с помощью подложки FR4 с относительной проницаемостью 4,4 и высота 0,8 мм.

substrate = dielectric('Name','FR4','EpsilonR', 4.4, 'Thickness', H);

Присвойте Слои и Задайте Присвоение Канала слои, начинающие с верхнего слоя, в этом случае vivaldi структура, сопровождаемая диэлектрической подложкой FR4 и наконец нижним слоем, который является соответствующей схемой. Канал ребра задан между vivaldi и соответствующей схемой на нижнем слое. Наличие линии канала с соответствующей схемой на нижнем слое уменьшает любое побочное излучение. Задайте местоположение канала и диаметр канала также.

vivaldi_Notch = pcbStack;
vivaldi_Notch.Name = 'vivaldiNotch';
vivaldi_Notch.BoardThickness = H;
vivaldi_Notch.BoardShape = boardShape;
vivaldi_Notch.Layers = {topLayer,substrate,bottomLayer};
vivaldi_Notch.FeedLocations = [-(Lgnd/2), -(Wgnd/2 - fp - W1/2), 1, 3];
vivaldi_Notch.FeedDiameter = W1/2;
figure;
show(vivaldi_Notch);

Анализ импеданса

Вычислите импеданс антенны в области значений от 2,5 ГГц до 11 ГГц. В целях выполнения этого примера анализ импеданса был предварительно вычислен и сохраняет в MAT-файле. Анализ выполнялся с генерацией mesh в автоматическом режиме. Выполните информационный метод на антенне, чтобы получить информацию о запутывающем состоянии / состоянии решения, аналитических частотах и оценке памяти, требуемой для анализа.

freq = linspace(2.5e9, 11e9,41);
bandfreqs = [3.1e9, 10.6e9];
freqIndx = nan.*(ones(1,numel(bandfreqs)));
for i = 1:numel(bandfreqs)
    df = abs(freq-bandfreqs(i));
    freqIndx(i) = find(df==min(df));
end
load vivaldi_Notch_auto_mesh
vivaldiInfo = info(vivaldi_Notch)
figure;
impedance(vivaldi_Notch, freq);

vivaldiInfo = 

  struct with fields:

          IsSolved: "true"
          IsMeshed: "true"
       MeshingMode: "auto"
      HasSubstrate: "true"
           HasLoad: "false"
     PortFrequency: [1×41 double]
    FieldFrequency: []
    MemoryEstimate: "2.2 GB"

Совершенствуйте Mesh антенны

Совершенствуйте mesh, чтобы проверять на сходимость с изменением импеданса по полосе. Автоматически сгенерированная mesh имеет максимальную длину ребра приблизительно 2 см и минимальную длину ребра 3 мм. Самая высокая частота в аналитической области значений составляет 11 ГГц, который соответствует длине волны в свободном пространстве 27,3 мм. Рассмотрение 10 элементов на длину волны дало бы нам длину ребра приблизительно 2,7 мм, которая ниже, чем и максимум и минимальная длина ребра, выбранная автоматическим mesher. После нескольких попыток с помощью максимума edgelength 5 мм и минимальной длины ребра 0,8 мм привел к хорошему решению.

figure
mesh(vivaldi_Notch, 'MaxEdgeLength',5e-3,'MinEdgeLength',0.8e-3);
view(0,90)

Из-за размера mesh, количество неизвестных увеличивается, чтобы получить точное решение. Как, прежде чем решенная структура была сохранена в MAT-файл и загружается здесь для последующего анализа.

load vivaldi_Notch_manual_mesh.mat
figure;
impedance(vivaldi_Notch, freq);

Отражательный коэффициент

Вычислите отражательный коэффициент во входе относительно ссылочного импеданса на 50 Ом. Отражательный коэффициент ниже-10 дБ для частотного диапазона от 3,1 ГГц до 11 ГГц. Сохраните отражательный коэффициент для использования позже для вычисления реализованного усиления.

figure;
s = sparameters(vivaldi_Notch, freq);
rfplot(s);
gamma = rfparam(s,1,1);

Реализованное усиление

Антенна поняла, что усиление включает потери в диэлектрик и из-за любого несоответствия импеданса. Постройте изменение реализованного усиления с частотой в опорном направлении антенны в (азимут, el) = (0,0) градус.

G = zeros(1,numel(freq));
az = 0;
el = 0;
for i = 1:numel(freq)
    G(i) = pattern(vivaldi_Notch,freq(i),az,el);
end
g = figure;
plot(freq./1e9,G,'-*','LineWidth',2);
xlabel('Frequency (GHz)');
ylabel('Magnitude (dBi)');
grid on;
title('Gain Variation With Frequency');

Вычислите Несоответствие и вычислите Реализованное Усиление

mismatchFactor = 10*log10(1 - abs(gamma).^2);
Gr = mismatchFactor.' + G;
figure(g);
hold on
plot(freq./1e9,Gr,'r-.');
legend('Gain','Realized Gain','Location','best')
title('Variation of Gain and Realized Gain with Frequency')
hold off

Широкая полоса пропускания импеданса не обязательно переводит в широкую полосу пропускания усиления/шаблона. Самое высокое усиление достигается по 7 - область значений на 10,4 ГГц в опорном направлении приблизительно 9,5 dBi. Постройте 3D шаблон посреди этого поддиапазона, чтобы изучить полные характеристики излучения.

dfsub = abs(freq - (10.4e9+7e9)/2);
subfreqIndx = find(dfsub==min(dfsub));
figure;
pattern(vivaldi_Notch, freq(subfreqIndx));

Изменение центра фазы антенны

Центр фазы антенны является локальным центром искривления передней стороны фазы далекого поля [2]. Это может меняться в зависимости от частоты и угла наблюдения. Анализ изменения центра фазы очень важен для систем позиционирования. Это вызвано тем, что изменения центра фазы непосредственно переводят в изменения задержки, которая может повлиять на оценки области значений между передатчиком и приемником. Чтобы изучить это, вычислите максимальное возможное изменение задержки из-за гармонического сигнала в f_min и другого в f_max по набору углов наблюдения в далеком поле. Предпочтите углы более чем 2 ортогональных плоскости; первое, заданное при вертикальном изменении = 0 градусов, i.e. xy-плоскость и другой в азимуте = 0 градусов, i.e. плоскость xz. В xy-плоскости мы будем использовать компонент электрического поля для анализа, в то время как в xz-плоскости мы будем использовать компонент электрического поля.

Точки формирования данных в Далеком Поле и Вычисляют, Электрическое поле Задают радиус сферы далекого поля и набор углов наблюдения в азимуте и вертикальном изменении. Выберите две гармонических частоты сигнала, чтобы быть на уровне 3 и 11 ГГц соответственно.

az = -180:5:180;
el = -90:5:90;
fmin = freq(freqIndx(1));
fmax = freq(freqIndx(2));
R = 100*299792458/fmin;
coord = 'sph';
phi = 0;
theta = 90 - el;
[Points, ~, ~] = em.internal.calcpointsinspace( phi, theta, R,coord);

Вычислите Локальное Изменение Фазы электронного поля Находят электрическое поле на этих двух частотах и преобразуют в сферический компонент. Поскольку мы интересуемся максимальным изменением с временной задержкой, мы сначала вычисляем максимальное изменение фазы между этими двумя частотами на множестве точек в XZ-плоскости.

E_at_fmin = EHfields(vivaldi_Notch,fmin,Points);
E_at_fmax = EHfields(vivaldi_Notch,fmax,Points);
Eth_at_fmin = helperFieldInSphericalCoordinates(E_at_fmin,phi,theta);
Eth_at_fmax = helperFieldInSphericalCoordinates(E_at_fmax,phi,theta);
phase_at_fmin = angle(Eth_at_fmin);
phase_at_fmax = angle(Eth_at_fmax);

Вычислите изменение с временной задержкой между двумя гармоническими сигналами

delta_phase = max(phase_at_fmin-phase_at_fmax) - min(phase_at_fmin-phase_at_fmax);
delta_omega = 2*pi*(fmax-fmin);
delta_time = pi*delta_phase/180/delta_omega;
delta_timeXZ = delta_time*1e12;
sprintf("The time delay variation in the XZ-plane is: %2.2f %s",delta_timeXZ,'ps')

ans = 

    "The time delay variation in the XZ-plane is: 2.18 ps"

Повторите процесс для точек на XY-плоскости и вычислите изменение с временной задержкой из-за изменения.

phi = az;
theta = 0;
delta_omega = 2*pi*(fmax-fmin);
[Points, ~, ~] = em.internal.calcpointsinspace( phi, theta, R,coord);
E_at_fmin = EHfields(vivaldi_Notch,fmin,Points);
E_at_fmax = EHfields(vivaldi_Notch,fmax,Points);
[~,Ephi_at_fmin] = helperFieldInSphericalCoordinates(E_at_fmin,phi,theta);
[~,Ephi_at_fmax] = helperFieldInSphericalCoordinates(E_at_fmax,phi,theta);
phase_at_fmin = angle(Ephi_at_fmin);
phase_at_fmax = angle(Ephi_at_fmax);
delta_phase = max(phase_at_fmin-phase_at_fmax) - min(phase_at_fmin-phase_at_fmax);
delta_time = pi*delta_phase/180/delta_omega;
delta_timeXY = delta_time*1e12;
sprintf("The time delay variation in the XY-plane is: %2.2f %s",delta_timeXY,'ps')

ans = 

    "The time delay variation in the XY-plane is: 2.71 ps"

Наблюдение изменение с временной задержкой двух плоскостей, которые делят пополам опорное направление антенны, покажите, что центр фазы относительно устойчив. Среднее изменение с временной задержкой приблизительно 2 пикосекунд переводит в максимальную ошибку области значений меньше чем 1 мм.

Сгенерируйте файлы Гербера для прототипирования

vivaldi антенна может быть произведена при помощи gerber возможности генерации файла в тулбоксе. Для этого примера и коннектора Ребра SMA от Амфенола [3] был выбран, и Усовершенствованные Схемы [4] использовался в качестве производственного сервиса. Кроме того, на объекте PCBWriter, мы приняли решение не включить слой маски припоя. Произведенная антенна, показан ниже.

Эффективность в области значений на 3-6 ГГц

Произведенная антенна была протестирована с помощью настольного сетевого анализатора. Поскольку верхний предел анализатора составлял 6,5 ГГц, мы сравниваем результаты антенны с анализом из модели.

fLim = 6.5e9;
findx = find(freq>fLim);
freq2 = freq(1:findx(1)-1);
s_model = sparameters(vivaldi_Notch, freq2);
rfplot(s_model);
s_proto = sparameters('UWB2.s1p');
hold on
rfplot(s_proto)
legend('Model','Measured','Location','best')

Заключение

Предложенная антенна покрывает Федеральную комиссию по связи, задал спектр UWB и имеет больше, чем 3.5:1 полоса пропускания импеданса (от 3 ГГц больше чем до 11 ГГц). Антенна поняла, что усиление, достигнутое по полосе 3-10 ГГц в опорном направлении, очень близко к результату усиления. Сравнение отражательного коэффициента в области значений на 3 - 6 ГГц произведенного прототипа и модели показывает приемлемую эффективность. Отражательный коэффициент между 4-4.75 ГГц действительно ухудшается приблизительно к-8 дБ.

Ссылка

[1]. Высоко получите антенну Vivaldi для радара и микроволны, отображающей международный журнал приложений системного издания 3 обработки сигналов, № 1, июнь 2015 Г. К. Пэнди, Х. С. Сингх, П. К. Барти, А. Пэнди и М. К. Месхрам.

[2]. Вишванат Ийер, Эндрю Кэвэног, Сергей Макаров, Р. Дж. Дакворт, 'Независимая Коаксиальная Антенна с Интегрированным Симметрирующим трансформатором и Линейной матрицей Этого', Продолжения Симпозиума Приложения Антенны, Парка Аллертона, Монтичелло, IL, pp.282-284, 21-23-го сентября 2010.

[3]. https://www.mouser.com/datasheet/2/18/2985-6037. PDD_0-918701.pdf

[4]. https://www.4pcb.com/