4.6 Vícepásmové flíčkové antényPočítačová simulace
V této vrstvě se seznámíme s modelováním planárních antén v moderních komerčních programech Ansoft HFSS a CST Microwave Studio. První z nich, podobně jako Comsol Multiphysics, je založen na metodě FEM, druhý používá metodu zvanou FIT – finite integration technique. Metoda FIT je velmi podobná metodě konečných diferencí v časové oblasti FDTD – finite difference time domain. Zatímco FDTD řeší Maxwellovy rovnice v diferenciálním tvaru, FIT používá jejích integrální tvar [35], [36]. Předpokládejme planární anténu s kovovým flíčkem dle obr. 4.6B.2. Anténa je umístěna na dielektrickém substrátu Arlon AD600 s permitivitou εr = 6,15, tloušťkou h = 1,575 mm a rozměry 50x50 mm2. Anténa je napájena koaxiální sondou. Jednoduchý matlabovský program pro návrh základních rozměrů flíčků je uveden ve vrstvě C. Výsledné parametry antény (obr. 4.6B.1) jsme získali ručním laděním geometrie v programu Ansoft HFSS, přičemž jsme pečlivě sledovali vliv těchto změn na rozložení proudu na povrchu flíčku a posouvání rezonančních kmitočtů. Takovým způsobem se nám podařilo dosáhnout impedančního přizpůsobení s11 < –10 dB blízko požadovaným kmitočtům 2,45 GHz a 3,60 GHz. Pro ověření výpočtů budeme spolu s výsledky z Ansoft HFSS uvádět také výsledky simulací z CST Microwave Studio. Nakonec tyto výsledky porovnáme a shrneme naše poznatky. Na obr. 4.6B.2 vidíme model zkoumané antény ve vybraných programech spolu s aplikovanými okrajovými podmínkami. V obou případech předpokládáme konečné rozměry (50x50 mm2) substrátu i zemní desky.
Podívejme se nyní na kmitočtovou závislost vstupní impedance antény (obr. 4.6B.3). Je patrno, že zatímco Ansoft HFSS vypočítal rezonanční kmitočty f1 = 2,439 GHz a f2 = 3,600 GHz, pro stejný návrh v CST Microwave Studio jsme obdrželi f1 = 2,452 GHz a f2 = 3,588 GHz. Hodnoty z jednotlivých programů jsou si blízké, což nás vede k předpokladu, že jsme naše modely sestavili správně. Na obr. 4.6B.4 je uvedeno rozložení vektoru proudové hustoty na kovovém flíčku antény. Jak vidíme, situace přesně odpovídá výpočtům z Comsol Multiphysics na obr. 4.6B.2 – při nižším rezonančním kmitočtu proudy tečou po celém povrchu flíčku, zatímco při vyšší frekvenci je proud koncentrován pouze v oblasti ohraničené štěrbinami ve tvaru dvojitého „U“.
Pro úplnost uveďme také směrové charakteristiky naší antény (obr. 4.6B.5).
Tím jsme vyjmenovali základní vlastnosti naší antény. Závěrem stručně porovnejme výsledky z jednotlivých programů! V Ansoft HFSS a CST Microwave Studio jsme modelovali jednoduchou dvoupásmovou flíčkovou anténu. První ze softwarů používá pro řešení Maxwellových rovnic metodu FEM, druhý metodu FIT. V obou případech byla anténa simulována na konečném dielektrickém substrátu a s konečnou zemnící deskou o rozměrech 50x50 mm2. Jednotlivé rezonanční frekvence se shodují s dobrou přesností, rozložení proudové hustoty odpovídá výsledkům modální analýzy z Comsol Multiphysics. Rozdíly ve směrových charakteristikách počítaných v Ansoft HFSS a CST Microwave Studio jsou pravděpodobně způsobeny mírně odlišným nastavením okrajových podmínek jak je patrno z obr. 4.6B.2. Srovnáním vyzařovacích diagramů pro rovinu E v pásmech 2,45 GHz a 3,60 GHz lze pro vyšší rezonační kmitočet a nulovou elevaci pozorovat rozšíření laloku. Tento fakt svědčí o působení povrchových vln, které na vyšších kmitočtech (když tloušťka dielektrické desky začíná být srovnatelná s vlnovou délkou) by mohly díky difrakcím na hranách substrátu zcela zdeformovat směrovou charakteristiku. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
PDF verze