Импеданс, соответствующий маленькой антенны монополя

Этот пример использует:

В этом примере показано, как спроектировать двойную настраивающую сеть соответствия L-раздела между резистивным источником и емкостной загрузкой в форме маленького монополя при помощи matchingnetwork объект. L-раздел состоит из двух индукторов. Сеть достигает сопряженного соответствия и гарантирует передачу максимальной мощности на одной частоте. Этот пример требует следующего продукта:

Antenna Toolbox™

Создайте монополь

Создайте антенну монополя четверти длины волны через Antenna Toolbox с резонансной частотой приблизительно 1 ГГц. В целях 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);

Вычислите импеданс монополя

Задайте источник (генератор) импеданс, ссылка (линия электропередачи) импеданс и загрузка (антенна) импеданс. В этом примере, загрузка Zl0 будет нерезонирующий (маленький) монополь на частоте 500 МГц, которая является половиной резонансной частоты. Источник имеет эквивалентный импеданс 50 Ом.

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

Задайте количество точек частоты для анализа и создайте диапазон частот приблизительно 500 МГц.

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

Изучите Поведение Загрузки с помощью Отражательного Усиления Коэффициента и Степени

Вычислите коэффициент отражения загрузки и усиление степени между источником и антенной.

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

Графический вывод входного коэффициента отражения на графике Смита показывает емкостное поведение этой антенны вокруг рабочей частоты 500 МГц. Центр графика Смита представляет совпадающее условие ссылочному импедансу. Местоположение отражательного коэффициента прослеживает вокруг $- j 5.0$ $Ω$ подтверждает, что существует серьезное несоответствие импеданса.

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

Постройте степень, поставленную загрузке.

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

Когда график усиления степени показывает, существуют потери мощности на приблизительно 20 дБ вокруг рабочей частоты (500 МГц).

Спроектируйте соответствие с сетью

Соответствующая сеть должна гарантировать передачу максимальной мощности на уровне 500 МГц. L-раздел, дважды настраивающий сеть, достигает этой цели [1]. Сетевая топология, показанная на рисунке, состоит из индуктора последовательно с антенной, которая отменяет большую емкость на уровне 500 МГц и индуктор шунта что дальнейшие повышения выходное сопротивление, чтобы совпадать с исходным импедансом 50 $Ω$ .

Используйте matchingnetwork объект создать различные схемы сети соответствия на основе исходного импеданса, загрузите импеданс и центральную частоту.

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

Значения каждого элемента для сгенерированных схем показывают 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 соответствие с сетью и вычислите S-параметры

Схема сети соответствия создается через RF Toolbox™, и это состоит из двух индукторов, значения которых были вычислены выше. S-параметры этой сети вычисляются по диапазону частот, сосредоточенному на рабочей частоте.

Вычислите S-параметры на основе желаемой сети соответствия (этот пример использует схему № 2).

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

Представление элемента схемы соответствующей сети показывают 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-'}

Отражательное усиление коэффициента и степени с соответствием с сетью

Вычислите входное усиление коэффициента/степени отражения для загрузки антенны с соответствующей сетью.

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

Сравните результаты

Постройте входной коэффициент отражения и степень, поставленную антенне, с и без соответствующей сети. График графика Smith® показывает отражательную содействующую трассировку, проходящую ее центр, таким образом подтверждающий соответствие. На частоте операции 500 МГц генератор передает максимальную власть к антенне. Соответствие ухудшается по обе стороны от рабочей частоты.

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

Постройте степень, поставленную загрузке.

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

Matching Network Designer

Приложение Matching Network Designer позволяет проектировать соответствие с сетями или просматривать существующий matchingnetwork объект. Введите эту команду в командной строке, чтобы открыть приложение Matching Network Designer. Используйте matchnw возразите и выберите auto_4 узел, чтобы просмотреть соответствующую схему.

matchingNetworkDesigner(matchnw)

Ссылки

[1] М. М. Вайнер, Антенны Монополя, Marcel Dekker, Inc., Нажатие CRC, версия. Выпуск Exp, Нью-Йорк, pp.110-118, 2003.

Документация