Этот пример показывает шаги, чтобы смоделировать и анализировать питаемую зондом сложенную антенну закрашенной фигуры. Стандартная прямоугольная микрополосковая антенна закрашенной фигуры имеет узкую полосу пропускания импеданса, обычно меньшую, чем 5%. Сложенная настройка закрашенной фигуры является одним из способов увеличить полосу пропускания импеданса этих антенн, чтобы быть больше 25% [1]. Существуют различные способы спроектировать сложенные закрашенные фигуры, в основном, отличаясь по способу, которым их канал спроектирован [2]. Два типа питающихся механизмов являются тестовым каналом и связанной апертурой. Эти два механизма имеют роль в поведении полосы пропускания импеданса, а также характеристиках излучения антенны.
Сложенная закрашенная фигура включает две закрашенных фигуры немного отличающихся размеров, расположенных друг над другом вдоль оси z и разделенных диэлектрическим материалом. Обе закрашенных фигуры сосредоточены относительно groundplane. Разрыв между более низкой закрашенной фигурой и groundplane также заполнен диэлектрическим материалом. Или верхняя часть или нижняя закрашенная фигура управляются с коаксиальным зондом, когда используется в одной настройке канала. Представление плана геометрии показывают в эскизе здесь.
Задайте стандартные модули для расстояния, частоты и сопротивления, а также их мультипликативных эквивалентов для этого примера.
meter = 1; hertz = 1; ohm = 1; mm = 1e-3*meter; GHz = 1e9*hertz;
Размерности антенны обеспечиваются в [1] для питаемой зондом прямоугольной сложенной закрашенной фигуры с двумя слоями подложки. Имена переменных идентичны упомянутым в [1] те запрета из groundplane. В данном примере квадрат groundplane выбран с размером три раза длины главной закрашенной фигуры. Размерности двух закрашенных фигур выбраны, чтобы максимизировать полосу пропускания импеданса, и инструкции предоставлены в [1] для разработки таких антенн закрашенной фигуры вместе с анализом чувствительности. Для смоделированной геометрии верхняя закрашенная фигура немного больше, чем более низкая.
L1 = 13.5*mm; W1 = 12.5*mm; L2 = 15*mm; W2 = 16*mm; d1 = 1.524*mm; d2 = 2.5*mm; xp = 5.4*mm; r_0 = 0.325*mm; Lgnd = 3*L2; Wgnd = 3*L2;
Использование слоев прямоугольная фигура из каталога, чтобы создать три металлических слоя, требуемые для сложенной закрашенной фигуры, а именно, для верхней закрашенной фигуры, более низкой закрашенной фигуры и groundplane. Все слои сосредоточены вокруг начала координат координатной оси. Постройте контуры слоя, чтобы подтвердить их размеры и положения.
pU = antenna.Rectangle('Length',L2,'Width',W2); pL = antenna.Rectangle('Length',L1,'Width',W1); pGnd = antenna.Rectangle('Length',Lgnd,'Width',Wgnd); figure plot(pGnd) hold on plot(pU) plot(pL) grid on legend('Groundplane','Upper patch','Lower patch','Location','best')
Диэлектрические Подложки сложенная антенна закрашенной фигуры в этом примере имеют диэлектрическую подложку между верхними и более низкими закрашенными фигурами, а также между более низкой закрашенной фигурой и groundplane. Более низкая закрашенная фигура имеет более высокую относительную проницаемость, чем верхняя закрашенная фигура. Это подразумевает свободную электрическую связь между двумя закрашенными фигурами.
epsr_1 = 2.2;
tandelta_1 = 0.001;
dL = dielectric;
dL.Name = 'Lower sub';
dL.EpsilonR = epsr_1;
dL.LossTangent = tandelta_1;
dL.Thickness = d1;
epsr_2 = 1.07;
tandelta_2 = 0.001;
dU = dielectric;
dU.Name = 'Upper sub';
dU.EpsilonR = epsr_2;
dU.LossTangent = tandelta_2;
dU.Thickness = d2;
Создайте сложенную модель антенны закрашенной фигуры при помощи pcbStack. Присвойте слои, начинающие с верхнего слоя, в этом случае металлический слой для верхней закрашенной фигуры, и перейдите к нижнему слою, который является groundplane. Тестовый канал задан между более низкой закрашенной фигурой и наземной плоскостью. Чтобы улучшить точность модели, мы переключаем модель канала, чтобы быть основательным столбцом, аппроксимированным к квадратной форме. Модель канала по умолчанию является полосой, где приближение полосы к цилиндру используется.
p = pcbStack; p.Name = 'Stacked patch - Waterhouse'; p.BoardShape = pGnd; p.BoardThickness = d1+d2; p.Layers = {pU,dU,pL,dL,pGnd}; p.FeedLocations = [xp 0 3 5]; p.FeedDiameter = 2*r_0; p.FeedViaModel = 'square'; figure show(p)
Анализируйте сложенный импеданс закрашенной фигуры по частотному диапазону 6-9 ГГц. Сложенная структура закрашенной фигуры в этой области значений должна показать два близко расположенных параллельных резонанса. До анализа, mesh структура
fmax = 9*GHz; fmin = 6*GHz; deltaf = 0.125*GHz; freq = fmin:deltaf:fmax; mesh(p,'MaxEdgeLength',.01,'MinEdgeLength',.003)
figure impedance(p,freq)
Анализ импеданса по частотному диапазону 6 - 9 ГГц, результатам в автоматической генерации mesh на самой высокой частоте. Mesh состоит из треугольников, которые дискретизируют все металлические поверхности антенны и тетраэдров, которые дискретизируют объем диэлектрических подложек. Постройте mesh для металлических поверхностей и диэлектрических поверхностей.
figure mesh(p,'view','metal')
figure mesh(p,'view','dielectric surface')
Обратите внимание на то, что модель питания ректификационной колонны со стенами стороны квадратной формы, аппроксимирующими цилиндрический канал, используется в этой антенне закрашенной фигуры. Используйте металлическую mesh, чтобы получить более близкое представление этой структуры канала.
Поскольку антенна взволнована коаксиальным зондом, вычислите отражательный коэффициент во входе относительно ссылочного импеданса на 50 Ом.
Zref = 50*ohm; s = sparameters(p,freq,Zref); figure rfplot(s,1,1) title('S_1_1') xlabel('Frequency (Hz)') ylabel('Magnitude (dB')
figure
smplot = smithplot(s);
smplot.TitleTop = 'Input Reflection Coefficient';
smplot.LineWidth = 3;
Результаты для отражательного коэффициента соответствуют очень хорошо результатами эксперимента, о которых сообщают в [1]. Присутствие двойного резонанса в поведении импеданса, имеет последствия на поведении диаграммы направленности антенны.
Широкая полоса пропускания импеданса, наблюдаемая от анализа порта сложенной закрашенной фигуры, окажет влияние на диаграмму направленности далекого поля. Чтобы изучить это, постройте диаграмму направленности в далеком поле этой антенны в 2 метках в отражательном содействующем графике - 6,75 ГГц и 8,25 ГГц.
patternfreqs = [6.75*GHz, 8.25*GHz]; freqIndx = arrayfun(@(x) find(freq==x),patternfreqs); figure pattern(p,freq(freqIndx(1)))
figure pattern(p,freq(freqIndx(2)))
Шаблон относительно устойчив в более высоких углах возвышения близко к зениту. Однако обратите внимание, что излучение к горизонту и backlobe, кажется, растет на более высокий конец частоты полосы на 6-9 ГГц. Эти результаты составляют потери в диэлектрике, но не для несоответствий импеданса, которые могут существовать в точке канала. Чтобы изучить эффект несоответствия импеданса, вычислите реализованное усиление в зените и сравните его с усилением.
D = zeros(1,numel(freq)); az = 0; el = 90; for i = 1:numel(freq) D(i) = pattern(p,freq(i),az,el); end
Постройте усиление
h = figure; plot(freq./GHz,D,'-*','LineWidth',2) xlabel('Frequency (GHz)') ylabel('Magnitude (dBi)') grid on title('Gain Variation With Frequency')
Вычислите фактор несоответствия
gamma = rfparam(s,1,1); mismatchFactor = 10*log10(1 - abs(gamma).^2);
Вычислите реализованное усиление
Gr = mismatchFactor.' + D; figure(h) hold on plot(freq./GHz,Gr,'r-.') legend('Gain','Realized Gain','Location','best') title('Variation of Gain and Realized Gain with Frequency') hold off
Результаты эксперимента сложенного проекта закрашенной фигуры, о котором сообщают в [1], соглашаются хорошо с результатами анализа, показанными в этом примере. Кроме того, антенна показывает хорошую устойчивость в изменении усиления близко к зениту с более высокими изменениями формы около горизонта и backlobe областей. Максимальное реализованное усиление в зените достигается в более низких и верхних концах частоты полосы на 6 - 9 ГГц, особенно в метках во входном коэффициенте отражения, где соответствие является лучшим. В области значений на 7 - 9 ГГц замечают, что реализованное усиление только понижается приблизительно на 0,6 дБ. Уменьшаемые значения реализованного усиления ниже 6,5 ГГц и выше 8,5 ГГц происходят из-за несоответствия импеданса.
[1] Р. Б. Уотерхаус, "Проект питаемых зондом сложенных закрашенных фигур", в Транзакциях IEEE на Антеннах и Распространении, издании 47, № 12, стр 1780-1784, декабрь 1999.
[2] D.Orban и G.J.K.Moernaut, основы антенн закрашенной фигуры, обновленных, микроволновые продукты Орбана.
[3] К. А. Баланис, 'Теория Антенны. Анализ и проектирование', p.514, Вайли, Нью-Йорк, 3-й Выпуск, 2005