Eine Ultra-Breitband-Monopolantenne

Gedruckte Antennen werden aufgrund ihres geringen Profils und der einfachen Herstellung immer beliebter. Sie sind jedoch auf einen Betrieb über eine sehr schmale Bandbreite beschränkt. In diesem Beispiel ist die Antenne ein gedruckter kreisförmiger Monopol: Wir analysieren und vergleichen ihre simulierten Leistungen mit den veröffentlichten Ergebnissen. Die gedruckte Monopolantenne ist im Wesentlichen ein Substrat, das auf einer Seite mit einer Masseebene hinterlegt und auf der anderen Seite mit einem Patch bedruckt ist. Die freie Luft um die Antenne ist eingeschlossen und mit Strahlungsgrenzen abgeschnitten, was eine schalltote Kammer simuliert. In dieser Studie haben wir die Symmetrie des Modells ausgenutzt, um die Anzahl der Netzelemente und damit die für die Simulation erforderliche Zeit durch die Verwendung von Symmetrie-Randbedingungen zu verringern.

Abbildung 1 - Rundscheiben-Monopolantenne (3D Solidworks-Ansicht)

Simulation

Um das Verhalten dieser Antenne zu simulieren, erstellen wir eine Antennenstudie und geben den Frequenzbereich an, in dem die Antenne arbeitet. Hier verwenden wir den "Fast Sweep": Der Fast Sweep verkürzt die Simulationszeit einer S-Parameter-Studie durch die Verwendung des Modells reduzierter Ordnung erheblich. Durch Lösen der Matrixgleichungen einer einzelnen Frequenz wird das Modell reduzierter Ordnung erzeugt. Andere umgebende Frequenzen in dem interessierenden Band werden dann unter Verwendung des reduzierten Modells anstelle der Vollmatrixlösung gelöst. In HFWorks wurde die Fast-Sweep-Option zum adaptiven Fast-Sweep weiterentwickelt. Diese erweiterte Funktion, die nur HFWorks bietet, verwendet neue Erweiterungspunkte, wenn der Fehler des Modells mit reduzierter Reihenfolge einen bestimmten Schwellenwert überschreitet. Der Benutzer muss nur die maximale Anzahl der Erweiterungspunkte angeben.

Körper und Materialien

In Abbildung 1 haben wir das diskretisierte Modell der Antenne gezeigt. Wie in der Beschreibung des Modells erwähnt, weist das Substrat der Antenne auf beiden Seiten zwei gedruckte Ebenen auf: den Boden und das Feld. Die Luft ist eingeschlossen und zweckmäßigerweise abgeschnitten (Mindestabstand ist das Doppelte der Wellenlänge).

Abbildung 2 - Randbedingungen der Antenne

Auf der Figur können wir die verschiedenen Randbedingungen erkennen; von rechts haben wir die symmetrische PEM. Der Anschluss ist hervorgehoben und mit roten Pfeilen markiert, die auf zwei Seiten zeigen. Die gelben Pfeile zeigen die PEC-Flächen an, die die beiden gedruckten Leiter der Antenne sind. Die roten Pfeile auf der rechten Seite zeigen die PMCSsymmetry-Oberfläche. Die Strahlungsgrenzen werden auf die verbleibenden Luftkastenflächen angewendet.

Vernetzen

Das Netz ist an den Öffnungen und PEC-Flächen feiner. Durch das Vernetzen dieser Oberflächen kann der Löser die Präzision der Wirbelteile optimieren und deren Form berücksichtigen.

Abbildung 3 - Netz des halben DR-Filters

Es gibt immer einen Kompromiss zwischen Genauigkeit und Zeitaufwand. Das Anwenden einer zu genauen Netzsteuerung kann viel Zeit in Anspruch nehmen und eine lange Simulation verursachen.

Ergebnisse

Abhängig von der Art der Aufgabe und dem Parameter, an dem der Benutzer interessiert ist, stehen verschiedene 3D- und 2D-Diagramme zur Verfügung. Da es sich um eine Antennensimulation handelt, wird die Strahlungsintensität mit der besten Übereinstimmungsfrequenz zusammen mit dem Reflexionskoeffizienten aufgezeichnet klingt nach einer intuitiven aufgabe.

HFWorks zeichnet die elektrischen Parameter sowohl in 2D-Diagrammen als auch in Smith-Diagrammen auf: Die Antenne in diesem Beispiel ist am besten auf 5,5 GHz abgestimmt und hat eine Rückflussdämpfung von 27 dB.

Abbildung 4 - Variationen der Rückflussdämpfung (S11)

Die 3D-Diagramme für die Antennenstudien decken ein breites Spektrum von Parametern ab: Wir können die Verteilung des elektrischen Feldes, seine Komponenten in verschiedenen Koordinatensystemen und Parameter anzeigen, die für Antennenstudien wie Strahlung und Richtwirkung typisch sind.

Abbildung 5 - Strahlungsmuster bei 4 GHz und bei 6,5 GHz

In dieser Figur ist das abgestrahlte elektrische Feld (Strahlungsmuster) für beide Frequenzen in der Ebene Phi=90 ° aufgetragen.

Verweise

A Novel Disc Monopole Antenna for UWB Applications Mohamed Nabil Srifi, O.El-Mrabet, and Mohamed Essaaidi - Electronics    and Microwaves Group, faculty of science, Abdelmalek Essaadi university, Tetuan 93000, Morocco