КПД излучения антенны

Скрипт Open Live Script

Этот пример показывает вычисление КПД излучения антенных и антенных решеток в Antenna Toolbox. КПД излучения антенны задан как отношение исходящей излученной степени антенной к входной мощности, питаемой порт возбуждения антенны. Потери мощности из-за несоответствия импеданса порта не рассматриваются здесь.

Входная мощность, питаемая антенну, может быть записана как

$P_{i n} = \frac{1}{2} V_{i n} I_{i n}^{*} .$ (1)

Здесь, входное напряжение и текущий вход представлены $V_{i n}$ и $I_{i n}$ , соответственно. Комплексное спряжение текущего входа $I_{i n}^{*}$ . Степень $P_{r a d}$ излученный антенной может быть найден путем интеграции интенсивности излучения ( $U (θ, ϕ)$ ) по бесконечной сфере излучения ( $S_{\infty}$ ) как

$P_{r a d} = \int_{S_{\infty}} U (θ, ϕ) s i n θ d θ d ϕ .$ (2)

Азимут и углы возвышения обозначаются $ϕ$ и $θ$ , соответственно. КПД излучения ( $η_{r})$ задан как

$η_{r} = \frac{P_{r a d}}{P_{i n}} .$ (3)

Различие между входной мощностью и излученной степенью происходит из-за потери проводимости в антеннах только для металла и и из-за потери проводимости и из-за диэлектрических потерь в металлически-диэлектрических антеннах. КПД излучения также альтернативно задается как усиление и направленность антенны. Другими словами,

$G (θ, ϕ) = η_{r} D (θ, ϕ) .$ (4)

Для идеальной антенны без потерь, КПД излучения ( $η_{r}$ ) 1.

Металл только Антенна

Этот пример рассматривает антенну Яги-uda с теми же размерностями, как дали в [1].

Создайте геометрию

Создайте геометрию антенны Яги-uda с двумя элементами директора, имеющими значения длины 131,9 мм и 126,5 мм, соответственно. Размерности интервала для директоров составляют 65,95 мм и 80,34 мм. Длина Возбудителя составляет 139,1 мм. Длина и значения интервала отражателя составляют 141,5 мм и 88,13 мм, соответственно. В [1], всеми элементами были тонкие провода с радиусом 0,6745 мм. Однако эквивалентное моделирование полосы сопровождается с помощью cylinder2strip функция.

d=design(dipole,1e9);
radius=6.7450e-04; %Radius of thin wires
d.Width=cylinder2strip(radius); %Converting into equivalent stripwidth
d.Length=139.1e-03;
d.TiltAxis=[0 1 0];
d.Tilt=-90;
ant=design(yagiUda,1e9);
ant.Exciter=d;
ant.NumDirectors=2;
ant.DirectorLength=[131.9e-03;126.5e-03];
ant.DirectorSpacing=[65.95e-03;80.34e-03];
ant.ReflectorLength=141.5e-03;
ant.ReflectorSpacing=88.13e-03;

Визуализируйте антенну

Визуализируйте антенны совершенного электрически проведения (PEC) по умолчанию, чьи значения проводимости и толщины по умолчанию бесконечны и нуль, соответственно.

figure;
show(ant)

Figure contains an axes object. The axes object with title yagiUda antenna element contains 5 objects of type patch, surface. These objects represent PEC, feed.

Функция показа обеспечивает имя проводника и местоположения канала с помощью различных цветов в вышеупомянутой фигуре.

Визуализируйте КПД излучения антенны PEC

Строит КПД излучения антенны Яги-uda PEC с помощью efficiency функция в частотном диапазоне от 0,5 ГГц до 1,5 ГГц с 31 точкой выборки. Когда антенна PEC не имеет никакой потери, она показывает КПД излучения 1 по частотному диапазону здесь.

f=linspace(0.5e9, 1.5e9, 31);
efficiency(ant,f)

Figure contains an axes object. The axes object with title Efficiency contains an object of type line.

Визуализируйте Направленность антенны PEC

Это обеспечивает направленность антенны Яги-uda PEC на частоте 1 ГГц. Из-за отсутствия потери, направленность и усиление будут тем же самым в антенне PEC.

figure;
pattern(ant, 1e9)

Figure contains an axes object and other objects of type uicontrol. The axes object contains 5 objects of type patch, surface.

Используйте медный металл для проекта антенны

Установите проводник как медь из металлического каталога Antenna Toolbox. Измените проводимость конечных металлических свойств использования антенны Яги-uda металлического объекта.

Используйте медный металл для проекта антенны

ant.Exciter.Conductor=metal('Copper');%chosing the conductor from the metal catalog
ant.Exciter.Conductor.Conductivity=1e5;%same value as of the reference paper

Задайте металлические свойства возбудителя

ant.Exciter.Conductor=metal('Copper');%chosing the conductor from the metal catalog
ant.Exciter.Conductor.Conductivity=1e5;%same value as of the reference paper

Задайте металлические свойства проводника

ant.Conductor=metal('Copper');%chosing the conductor from the metal catalog
ant.Conductor.Conductivity=1e5;%same value as of the reference paper

Это вручную изменяет проводимость и толщину конечной металлической антенны Яги-uda.

ant.Exciter.Conductor.Thickness=700*1e-6;
ant.Conductor.Thickness=700*1e-6;

Визуализируйте конечную металлическую антенну

Визуализируйте металлическое использование антенны Яги-uda, показывают функцию.

figure;
show(ant)

Figure contains an axes object. The axes object with title yagiUda antenna element contains 5 objects of type patch, surface. These objects represent Copper, feed.

Постройте КПД излучения конечной металлической антенны

Строит визуализацию КПД излучения металлической антенны Яги-uda в частотном диапазоне от 0,5 ГГц до 1,5 ГГц.

f=linspace(0.5e9, 1.5e9, 31);
figure;
efficiency(ant,f)

Figure contains an axes object. The axes object with title Efficiency contains an object of type line.

Постройте шаблон усиления конечной металлической антенны

Строит шаблон усиления металлической антенны Яги-uda на частоте 1 ГГц.

figure
pattern(ant,1e9)

Figure contains an axes object and other objects of type uicontrol. The axes object contains 5 objects of type patch, surface.

Можно отметить от вышеупомянутых сравнений, что усиление антенны уменьшается на 0,86 дБ из-за конечной потери проводимости. Значение КПД тесно соответствует аналитическими результатами [1].

Металлически-диэлектрическая антенна

Этот пример рассматривает антенну микрополосковой закрашенной фигуры от [2]. В [2], числовой анализ был сделан с помощью метода Временного интервала конечной разности (FDTD). Однако антенна анализируется здесь с помощью основанного на методе момента (MoM) решателя Antenna Toolbox.

Создайте геометрию

Создает геометрию антенны микрополосковой закрашенной фигуры с проводниковой и подложкой с потерями PEC 1,57-миллиметровой толщины.

f=1.59e9; %solution frequency
lambda=3e8/f;
d = dielectric('FR4'); %Selecting the substrate from the  dielectric catalog
d.EpsilonR=4.36;
d.LossTangent=2/100;%Indicates the lossy substrate
ant = patchMicrostrip('Substrate',d);
ant.Height=1.57e-3;
ant.Substrate.Thickness=1.57e-3;
ant.Length=45e-3;
ant.Width=45e-3;
ant.GroundPlaneLength=20e-2;
ant.GroundPlaneWidth=13.5e-2;
ant.FeedOffset= [20e-3 0];
ant.FeedWidth=lambda/200;

Руководство, запутывающее из микрополосковой антенны закрашенной фигуры

Поймайте в сети антенну вручную при помощи максимума edgelength основных функций RWG как lambda/20, где длина волны свободного пространства на частоте решения 1,5 ГГц является lambda.

figure;
mesh(ant,'MaxEdgeLength',lambda/20)

Figure contains an axes object and other objects of type uicontrol. The axes object with title Dielectric volume contains 2942 objects of type patch, surface.

Визуализируйте антенну закрашенной фигуры микрополосковой линии

Визуализируйте схематический показ антенны с PEC как металлическая и подложка с потерями.

figure;
show(ant)

Figure contains an axes object. The axes object with title patchMicrostrip antenna element contains 6 objects of type patch, surface. These objects represent PEC, feed, FR4.

Вычислите КПД излучения микрополосковой антенны с металлической и подложкой с потерями PEC

Вычисляет КПД в абсолютных и логарифмических значениях КПД излучения антенны с PEC как металлическая и подложка с потерями. Когда металл является PEC, только потеря происходит из-за подложки с потерями.

E1=efficiency(ant,f)

E1 = 0.3108

E1_log=10*log10(E1)

E1_log = -5.0757

Постройте направленность микрополосковой антенны с металлической и подложкой с потерями PEC

Строит направленность микрополосковой антенны с металлической и подложкой с потерями PEC с помощью функции шаблона. Направленность не зависит от проводимости и диэлектрических потерь.

figure
pattern(ant,f,'Type', 'Directivity')

Figure contains an axes object and other objects of type uicontrol. The axes object contains 6 objects of type patch, surface. This object represents FR4.

Постройте усиление микрополосковой антенны с металлической и подложкой с потерями PEC

Строит усиление микрополосковой антенны с металлической и подложкой с потерями PEC. Здесь, значение усиления меньше значения направленности из-за диэлектрических потерь. Различие усиления и значений направленности соответствует тесно с логарифмическим значением КПД излучения, i.e., $E 1_{l o g}$ .

figure;
pattern(ant,f,'Type', 'Gain')

Figure contains an axes object and other objects of type uicontrol. The axes object contains 6 objects of type patch, surface. This object represents FR4.

Импеданс микрополосковой антенны с металлической и подложкой с потерями PEC

Строит изменение импеданса микрополосковой антенны с металлической и подложкой с потерями PEC в частотном диапазоне от 1 ГГц до 4 ГГц.

f1=linspace(1e9,4e9,31);
figure
impedance(ant,f1)

Figure contains an axes object. The axes object with title Impedance contains 2 objects of type line. These objects represent Resistance, Reactance.

Возвратите потерю микрополосковой антенны с металлической и подложкой с потерями PEC

Строит изменение возврата потерь микрополосковой антенны с металлической и подложкой с потерями PEC.

figure;
s1=sparameters(ant,f1,50);
rfplot(s1);

$Figure contains an axes object. The axes object contains an object of type line. This object represents dB(S_{11}).$

Измените проводниковые свойства микрополосковой антенны

Установите проводник антенны как металл с потерями. Используйте металлический объект, чтобы изменить проводник, чтобы покрыть медью металл.

ant.Conductor=metal('Copper');

Визуализируйте микрополосковую антенну с металлической и подложкой с потерями с потерями

Визуализируйте микрополосковой антенны с Медным металлом и подложкой FR4.

figure;
show(ant)

Figure contains an axes object. The axes object with title patchMicrostrip antenna element contains 6 objects of type patch, surface. These objects represent Copper, feed, FR4.

Вычислите КПД излучения микрополосковой антенны с металлической и подложкой с потерями с потерями

Вычисляет КПД излучения в абсолютных и логарифмических значениях микрополосковой антенны с Медью как металлический и FR4 с потерями как подложка. Из-за

потеря проводимости в дополнение к диэлектрическим потерям, КПД излучения уменьшается.

E2=efficiency(ant,f)

E2 = 0.2255

E2_log=10*log10(E2)

E2_log = -6.4692

Постройте усиление микрополосковой антенны с металлической и подложкой с потерями с потерями

Постройте усиление микрополосковой антенны с Медным металлом и подложкой FR4.

figure;
pattern(ant,f,'Type', 'Gain')

Figure contains an axes object and other objects of type uicontrol. The axes object contains 6 objects of type patch, surface. This object represents FR4.

Здесь, значение усиления меньше значения направленности и из-за проводимости и из-за диэлектрических потерь. Различие усиления и направленности соответствует тесно с логарифмическим значением КПД излучения, i.e., $E 2_{l o g}$ .

Заключение

Таким образом вычисленное использование КПД излучения Antenna Toolbox и для металлических и для металлически-диэлектрических антенн, как находят, соответствует тесно, как сообщается в ссылках, которые использовали отличающийся аналитичный [1] или числовые методы [2].

Ссылки

[1] Shahpari, Мортеза и Дэвид В. Тил. "Основные ограничения для КПД излучения антенны", Транзакции IEEE на Антеннах и Распространении, Издании 66, № 8, 2018.

[2] Ph Leveque, А. Рейнейкс и Б. Йеко, “Моделирование диэлектрических потерь в микрополосковых антеннах закрашенной фигуры: применение метода FDTD”, электроника обозначает буквами, издание 28, № 6, март 1992.

Документация

КПД излучения антенны

Металл только Антенна

Создайте геометрию

Визуализируйте антенну

Визуализируйте КПД излучения антенны PEC

Визуализируйте Направленность антенны PEC

Используйте медный металл для проекта антенны

Используйте медный металл для проекта антенны

Задайте металлические свойства возбудителя

Задайте металлические свойства проводника

Визуализируйте конечную металлическую антенну

Постройте КПД излучения конечной металлической антенны

Постройте шаблон усиления конечной металлической антенны

Металлически-диэлектрическая антенна

Создайте геометрию

Руководство, запутывающее из микрополосковой антенны закрашенной фигуры

Визуализируйте антенну закрашенной фигуры микрополосковой линии

Вычислите КПД излучения микрополосковой антенны с металлической и подложкой с потерями PEC

Постройте направленность микрополосковой антенны с металлической и подложкой с потерями PEC

Постройте усиление микрополосковой антенны с металлической и подложкой с потерями PEC

Импеданс микрополосковой антенны с металлической и подложкой с потерями PEC

Возвратите потерю микрополосковой антенны с металлической и подложкой с потерями PEC

Измените проводниковые свойства микрополосковой антенны

Визуализируйте микрополосковую антенну с металлической и подложкой с потерями с потерями

Вычислите КПД излучения микрополосковой антенны с металлической и подложкой с потерями с потерями

Постройте усиление микрополосковой антенны с металлической и подложкой с потерями с потерями

Заключение

Ссылки

Документация Antenna Toolbox

Поддержка