内部设计超宽带维瓦尔第天线匹配
这个例子将与内部模型和分析维瓦尔第天线匹配电路。维瓦尔第也被称为一个指数锥形缝隙天线。天线具有宽带特性、低交叉极化和高度指令模式。设计将实现单层介质衬底与2层金属;一个喇叭槽线,饲料与其他层上的匹配电路。底物选择作为一个低成本FR4材料厚度0.8毫米。的设计是为操作频带3.1 - 10.6 GHz [1]。
天线的尺寸
维瓦尔第天线设计操作3 - 11 GHz之间尺寸45
40毫米。最高频率的操作,大约是结构
。天线的设计参数定义为提供。
Lgnd = 45 e - 3;Wgnd = 40 e - 3;Ls = 5 e - 3;Ltaper = 28.5 e - 3;Wtaper = 39.96 e - 3;s = 0.4 e - 3;d = 5 e - 3;Ka = (1 / Ltaper) * (log (Wtaper / s) / log (exp (1)));
创建顶层形状
这个设计包含三层;最上面一层是指数级的锥形槽的形状。这是相同的形状的维瓦尔第天线工具箱目录。底层由饲料和匹配电路。中间层是FR4基板。函数pcbStack (ant)转换任何2 d或2.5 d目录到pcb天线的天线进一步建模和分析。创建目录和可视化的维瓦尔第的天线。此后,将提要并将其转换为堆栈表示和访问层几何作进一步的修改。
vivaldiant =维瓦尔第(“TaperLength”Ltaper,“ApertureWidth”Wtaper,…“OpeningRate”卡,“SlotLineWidth”年代,…“CavityDiameter”d“CavityToTaperSpacing”Ls,…“GroundPlaneLength”Lgnd,“GroundPlaneWidth”Wgnd,…“FeedOffset”-10 e - 3);图显示(vivaldiant);vivaldiant。FeedOffset = -14 e - 3;ewant = pcbStack (vivaldiant);播放= ewant.Layers {1};图展示(播放)
把饲料地带从维瓦尔第的结构默认的维瓦尔第的天线结构在目录中有一个内部饲料和相关的饲料指定天线的中心地带。在这个示例中,我们使用的是边缘饲料模型。移除维瓦尔第的带结构。
断路= antenna.Rectangle (“长度”1 e - 3,“宽度”,4 e - 3,“中心”,-0.014,0);播放= topLayer-cutout;图;展示(播放);
创建一个维瓦尔第天线匹配电路
加强微带线作为匹配电路与90度弯曲终止径向领结存根。使用天线工具箱中的矩形原始™创建了微带线。布尔加法操作图形原语中用于这一目的。
L1 = 8 e - 3;L2 = 4.1 e - 3;L3 = 9.1 e - 3;W1 = 1.5 e - 3;W2 = 1 e - 3;W3 = 0.75 e - 3;H = 0.8 e - 3;fp = 11.2 e - 3;th = 90;patch1 = antenna.Rectangle (“长度”L1,“宽度”W1,…“中心”,(- (Lgnd / 2 - L1/2), (Wgnd / 2 - fp - W1/2)),…“NumPoints”2,10日,10日2]);patch2 = antenna.Rectangle (“长度”L2,“宽度”W2,…“中心”,(- (Lgnd / 2 - L1 - L2/2), - (Wgnd / 2 - fp - W1/2)),…“NumPoints”,5、2、5,2);patch3 = antenna.Rectangle (“长度”W3,“宽度”L3,…“中心”,(- (Lgnd / 2 - L1 - L2 - W3/2), - (Wgnd / 2 - fp - W1/2 + W2/2 L3/2)),…“NumPoints”,2,10日,2、10);
创建一个径向存根匹配电路创建一个径向存根makebowtie匹配电路我们使用函数。它提供输入的半径、颈部宽度,展开角,中心,领结的形状,最后点为领结创建一个形状。
领结= em.internal.makebowtie (8.55 e - 3, W3、th (0 0 0),“圆”,20);rotatedBowtie = em.internal.rotateshape(领结,(0 0 1),[0 0 0],90);p = antenna.Polygon (“顶点”rotatedBowtie ');radialStub =翻译(p [(Lgnd / 2 - L1 - L2 - W3/2)——(Wgnd / 2 - fp - W1/2 + W2/2 - L3) 0]);bottomLayer = patch1 + patch2 + patch3 + radialStub;图;显示(bottomLayer);
创建PCB堆栈
创建板形状的天线。董事会在这种情况下,矩形和45毫米x 40毫米大小。
boardShape = antenna.Rectangle (“长度”Lgnd,“宽度”,Wgnd);图;持有在;情节(事务)情节(bottomLayer)网格在
定义介质衬底维瓦尔第天线构造使用FR4基板相对介电常数为4.4和0.8毫米高度。
基质=介质(“名字”,“FR4”,“EpsilonR”,4.4,“厚度”、H);
分配层和定义提要分配层从顶层开始,在这种情况下,维瓦尔第的结构,其次是FR4介质衬底最后的最低层,即匹配电路。维瓦尔第之间的指定edge-feed和匹配电路层底部。有饲料与底层的匹配电路可以减少任何杂散辐射。定义提要位置和进料直径。
vivaldi_Notch = pcbStack;vivaldi_Notch。Name =“vivaldiNotch”;vivaldi_Notch。BoardThickness = H;vivaldi_Notch。BoardShape = BoardShape;vivaldi_Notch。层={播放,衬底,bottomLayer};vivaldi_Notch。FeedLocations = [(Lgnd / 2)——(Wgnd / 2 - fp - W1/2), 1, 3);vivaldi_Notch。FeedDiameter = W1/2; figure; show(vivaldi_Notch);
阻抗分析
计算天线阻抗的2.5 GHz 11 GHz范围。为了执行这个例子中,阻抗分析MAT-file已经预先计算的并保存。分析了网格生成的自动模式。执行信息方法在天线上得到啮合/溶液状态的信息,分析所需的内存分析的频率和估计。
频率= linspace (2.5 e9 11 e9, 41岁);bandfreqs = (3.1 e9, 10.6 e9);freqIndx = nan。*((1,元素个数(bandfreqs)));为i = 1:元素个数(bandfreqs) df = abs (freq-bandfreqs(我));freqIndx (i) =找到(df = = min (df));结束负载vivaldi_Notch_auto_meshvivaldiInfo = info (vivaldi_Notch)图;阻抗(vivaldi_Notch、频率);
vivaldiInfo =结构体字段:IsSolved:“真正的”IsMeshed:“真正的”MeshingMode:“汽车”HasSubstrate:“真正的”HasLoad:“false”PortFrequency:[1×41双]FieldFrequency: [] MemoryEstimate:“2.2 GB”
改进天线网
细化网格检查收敛与阻抗变化乐队。自动生成的网格的最大边缘长度约2厘米,最小边3毫米的长度。最高的频率分析是11 GHz范围波长对应一个27.3毫米的自由空间。考虑10元素/波长会给我们一条边的长度约2.7毫米低于最大和最小边长度选择的自动网格化。尝试几次后,使用最大edgelength 5毫米,最小边的长度0.8毫米导致了一个很好的解决方案。
图网(vivaldi_Notch,“MaxEdgeLength”,5 e - 3,“MinEdgeLength”0.8 e - 3);视图(0,90)
由于网格的大小,未知数量的增加来获得一个精确的解决方案。在解决结构加载已保存到MAT-file,这里进行进一步分析。
负载vivaldi_Notch_manual_mesh.mat图;阻抗(vivaldi_Notch、频率);
反射系数
在输入计算反射系数相对于50欧姆阻抗的引用。反射系数低于-10分贝的范围从3.1 GHz 11 GHz频率。保存以后使用反射系数计算得到实现。
图;s = sparameters (vivaldi_Notch、频率);rfplot(年代);γ= rfparam (1, 1);
意识到获得
天线实现增益介质包括损失和由于任何阻抗失配。情节的变化实现增益与频率天线孔径(az, el) =(0,0)度。
G = 0(1,元素个数(频率));阿兹= 0;el = 0;为i = 1:元素个数(频率)G (i) =模式(vivaldi_Notch,频率(我),az, el);结束g =图;情节(freq. / 1 e9, G,“- *”,“线宽”2);包含(“频率(GHz)”);ylabel (“(dBi)级”);网格在;标题(增益与频率变化的);
计算不匹配和计算获得实现
mismatchFactor = 10 * log10 (1 - abs(γ)。^ 2);Gr = mismatchFactor。' + G;图(g);持有在情节(freq. / 1 e9 Gr,r -。);传奇(“获得”,意识到获得的,“位置”,“最佳”)标题(增益,实现增益与频率的变化)举行从
宽的阻抗带宽并不必然意味着一个宽增益带宽/模式。获得最高达到了7 - 10.4 GHz范围大约9.5 dBi的瞄准线。情节中间的3 d模式可理解的整体辐射特性。
dfsub = abs(频率- (10.4 e9 + 7 e9) / 2);subfreqIndx =找到(dfsub = = min (dfsub));图;模式(vivaldi_Notch,频率(subfreqIndx));
天线的相位中心变化
天线的相位中心是当地的曲率中心的远场阶段[2]。它可以随频率和观察角度。分析相位中心的变化对定位系统至关重要。这是因为在相位中心变化直接转化为时间延迟的变化,从而影响范围估计发射机和接收机之间。要理解这一点,计算最大可能由于谐波信号的时间延迟的变化在f_max f_min和另一个在远场的观察角度。选择的角度/ 2正交平面;第一个指定仰角= 0度,即xy平面,另一个在阿兹= 0度,即xz平面。在xy平面上,我们将使用
组件的电场分析在xz-plane我们将使用
组件的电场。
创建点远场和电场计算定义了远场球面半径和观察角度方位和仰角的集合。选择两个谐波信号频率分别为3和11个GHz。
阿兹= 180:5:180;el = 90:5:90;fmin =频率(freqIndx (1));fmax =频率(freqIndx (2));R = 100 * 299792458 / fmin;coord =“主任”;φ= 0;θ= 90 - el;(点,~,~)= em.internal.calcpointsinspace(φ,θ,R, coord);
计算左的地方相变异发现在两个频率和电场转化为球面组件。因为我们感兴趣的最大延时变化,我们首先计算两个频率之间的最大相位变化XZ-plane的点集。
E_at_fmin = EHfields (vivaldi_Notch、fmin点);E_at_fmax = EHfields (vivaldi_Notch、fmax点);Eth_at_fmin = helperFieldInSphericalCoordinates (E_at_fmin、φ和θ);Eth_at_fmax = helperFieldInSphericalCoordinates (E_at_fmax、φ和θ);phase_at_fmin =角(Eth_at_fmin);phase_at_fmax =角(Eth_at_fmax);
计算两个谐波信号之间的时间延迟变异
delta_phase = max (phase_at_fmin-phase_at_fmax) - min (phase_at_fmin-phase_at_fmax);delta_omega = 2 *π* (fmax-fmin);delta_time =π* delta_phase / 180 / delta_omega;delta_timeXZ = delta_time * 1 e12汽油;sprintf (“XZ-plane延时变化是:% 2.2 f % s”delta_timeXZ,“ps”)
ans = " XZ-plane的延时变化是:2.18 ps”
重复这个过程对xy平面上的点和计算时间延迟变化造成的
变异。
φ=阿兹;θ= 0;delta_omega = 2 *π* (fmax-fmin);(点,~,~)= em.internal.calcpointsinspace(φ,θ,R, coord);E_at_fmin = EHfields (vivaldi_Notch、fmin点);E_at_fmax = EHfields (vivaldi_Notch、fmax点);[~,Ephi_at_fmin] = helperFieldInSphericalCoordinates (E_at_fmin、φ和θ);[~,Ephi_at_fmax] = helperFieldInSphericalCoordinates (E_at_fmax、φ和θ);phase_at_fmin =角(Ephi_at_fmin);phase_at_fmax =角(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(“xy平面的延时变化是:% 2.2 f % s”delta_timeXY,“ps”)
ans = " xy平面的延时变化是:2.71 ps”
观察两架飞机的时间延迟变异平分这个天线孔径,表明,相位中心是相对稳定的。大约2 ps的平均延时变化转化为最大射程误差小于1毫米。
为原型生成Gerber文件
维瓦尔第天线可以捏造使用工具箱中的gerber文件生成能力。对于这个示例和SMA优势从安费诺连接器选择[3][4]和先进的电路被用来制造服务。此外,PCBWriter对象,我们选择不使焊接掩模层。制作天线,如下所示。
在3 - 6 GHz范围的表现
制作天线使用桌面网络分析仪测试。因为分析器的上限是6.5 GHz我们比较的结果天线的分析模型。
这部电影= 6.5 e9;findx =找到(频率>这部电影);freq2 =频率(1:findx (1) 1);s_model = sparameters (vivaldi_Notch freq2);rfplot (s_model);s_proto = sparameters (“UWB2.s1p”);持有在rfplot (s_proto)传说(“模型”,“测量”,“位置”,“最佳”)
结论
拟议中的天线覆盖联邦通信委员会定义的超宽频谱和超过3.5:1阻抗带宽(从3 GHz以上11 GHz)。天线实现增益实现在乐队3 - 10 GHz瞄准线非常接近获得的结果。比较反射系数在3 - 6 GHz范围制作原型和模型揭示了一个可接受的性能。4 - 4.75 GHz之间的反射系数降低到8分贝。
参考
[1]。高增益维瓦尔第为雷达天线和微波成像信号处理系统的应用国际日报》3卷,1号,2015年6月g . k . Pandey h·s·辛格·k·Bharti a Pandey, m . k . Meshram。
[2]。vishwanath2004艾耶安德鲁•瓦诺Sergey马卡罗夫,r·j·达克沃斯的自营同轴天线集成的变压器和一个线性数组”,《天线应用研讨会,A金宝appllerton公园,蒙蒂塞洛,IL, pp.282 - 284, 2010年9月21-23rd。
[3]。https://www.mouser.com/datasheet/2/18/2985 - 6037. - pdd_0 - 918701. - pdf
