Тестовая ФРС сложенная геометрия закрашенной фигуры

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 модули

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

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;

Создайте формы слоя и подложки

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 закрашенной фигуры

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)

Анализ импеданса

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)

Сложенная Mesh закрашенной фигуры

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.

Отражательный коэффициент

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.

Изменения шаблона через полосу

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)))

Реализованное изменение усиления через полосу

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

Сводные данные

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.

Ссылки

[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