 |
آنتن مخروطی
معرفی
آنتن های مخروطی به دلیل ویژگی های پهنای باند و سادگی نسبی برای بسیاری از کاربردها مفید هستند. این مثال شامل تجزیه و تحلیل امپدانس آنتن و الگوی تابش به عنوان توابع فرکانس برای یک آنتن تک مخروطی با صفحه زمین محدود و یک تغذیه کواکسیال 50 Ω است. تقارن چرخشی این امکان را فراهم می کند که این را به صورت دو بعدی متقارن محوری مدل کنید. هنگام مدل‌سازی دو بعدی، می‌توانید از یک توری متراکم استفاده کنید که دقت بسیار خوبی برای طیف وسیعی از فرکانس‌ها ارائه می‌کند.
تعریف مدل
هندسه آنتن از یک مخروط فلزی به ارتفاع 0.2 متر با زاویه بالایی 90 درجه در یک صفحه زمین محدود به شعاع 0.282 متر تشکیل شده است. تغذیه کواکسیال دارای یک هادی مرکزی با شعاع 1.5 میلی متر و یک هادی خارجی (صفحه نمایش) با شعاع 4.916 میلی متر است که توسط یک دی الکتریک تفلون با گذردهی نسبی 2.07 جدا شده است . هادی مرکزی کابل کواکسیال به مخروط و صفحه به صفحه زمین متصل است.
شکل 1: هندسه آنتن. هادی مرکزی کابل کواکسیال به مخروط فلزی و صفحه کابل به صفحه زمین محدود متصل است.
این مدل از تقارن چرخشی مسئله استفاده می‌کند، که امکان مدل‌سازی دو بعدی را با استفاده از مختصات استوانه‌ای فراهم می‌کند. سپس می توانید از یک مش بسیار ظریف برای دستیابی به دقت عالی استفاده کنید.
معادلات دامنه
یک موج الکترومغناطیسی که در یک کابل کواکسیال منتشر می شود با میدان های الکترومغناطیسی عرضی (TEM) مشخص می شود. با فرض میدان های هارمونیک زمانی با دامنه های پیچیده حاوی اطلاعات فاز، شما دارید:
که در آن z جهت انتشار و r ، 
و z مختصات استوانه‌ای هستند که بر محور کابل کواکسیال متمرکز شده‌اند. Z امپدانس موج در دی الکتریک کابل است و C یک ثابت دلخواه است. فرکانس زاویه ای با ω نشان داده می شود . ثابت انتشار، k ، به طول موج در محیط λ مربوط می شود
و z مختصات استوانه‌ای هستند که بر محور کابل کواکسیال متمرکز شده‌اند. Z امپدانس موج در دی الکتریک کابل است و C یک ثابت دلخواه است. فرکانس زاویه ای با ω نشان داده می شود . ثابت انتشار، k ، به طول موج در محیط λ مربوط می شود
در هوا، میدان الکتریکی دارای یک جزء محوری محدود است در حالی که میدان مغناطیسی کاملاً ازیموتال است.
شرایط مرزی
شرایط مرزی سطوح فلزی عبارتند از:
در نقطه تغذیه، یک شرط مرزی پورت کواکسیال منطبق برای شفاف کردن مرز برای موج استفاده می‌شود. آنتن به فضای آزاد تابش می کند، اما شما فقط می توانید یک منطقه محدود را گسسته کنید. بنابراین، هندسه را با فاصله ای از آنتن با استفاده از یک شرایط مرزی پراکندگی کوتاه کنید تا امواج کروی خروجی با بازتاب بسیار کمی عبور کنند. یک شرط مرزی تقارن به طور خودکار روی مرزهای r = 0 اعمال می شود .
نتایج و بحث
شکل 2 امپدانس آنتن را به عنوان تابعی از فرکانس نشان می دهد. در حالت ایده آل، امپدانس آنتن باید با امپدانس مشخصه تغذیه، 50 Ω ، مطابقت داشته باشد تا حداکثر انتقال به فضای آزاد به دست آید. این به خوبی در محدوده فرکانس بالا انجام می شود.
شکل 2: امپدانس آنتن در Ω به عنوان تابعی از فرکانس از 200 مگاهرتز تا 1.5 گیگاهرتز. خط ثابت مقاومت در برابر تشعشع و خط نقطه چین نشان دهنده راکتانس است.
شکل 3 الگوی تابش آنتن را در میدان نزدیک برای سه فرکانس مختلف نشان می دهد. اثر قطر محدود صفحه زمین، بلند کردن لوب اصلی از صفحه افقی است. برای یک صفحه زمین بی نهایت یا در حد فرکانس بالا، الگوی تابش متقارن حول ارتفاع صفر است. درک این موضوع آسان است، زیرا یک صفحه زمین بی نهایت را می توان با یک تصویر آینه ای از تک مخروط زیر هواپیما جایگزین کرد. چنین آنتن دو مخروطی حول ارتفاع صفر متقارن است و لوب اصلی آن در جهت افقی است. کاهش بلند کردن لوب در فرکانس‌های بالاتر تقریباً در شکل 3 قابل مشاهده است .
شکل 4 الگوی تابش آنتن را در میدان دور برای فرکانس های مشابه الگوی تابش در مرز در شکل 3 نشان می دهد .
شکل 3: نمودار قطبی الگوی تابش آنتن در میدان نزدیک در مقابل زاویه ارتفاع برای 200 مگاهرتز، 800 مگاهرتز و 1.5 گیگاهرتز. مقیاس لگاریتمی است.
شکل 4: نمودار قطبی الگوی تابش آنتن برای میدان دور در مقابل زاویه ارتفاع برای 200 مگاهرتز، 800 مگاهرتز و 1.5 گیگاهرتز. این نمودار به طور متفاوتی نرمال شده است اما شکلی شبیه میدان نزدیک دارد.
با افزایش فرکانس امپدانس آنتن به 50 Ω نزدیکتر می شود ، به این معنی که یک ژنراتور ولتاژ متصل به ورودی آنتن باید امپدانس خروجی 50 Ω داشته باشد .
مسیر کتابخانه برنامه: RF_Module/Antennas/conical_antenna
دستورالعمل های مدل سازی
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی 
Model Wizard کلیک کنید .
Model Wizard کلیک کنید .مدل جادوگر
1 | در پنجره Model Wizard ، روی  2D Axismetric کلیک کنید . |
2 | در درخت انتخاب فیزیک ، فرکانس رادیویی > امواج الکترومغناطیسی، دامنه فرکانس (emw) را انتخاب کنید . |
3 | روی افزودن کلیک کنید . |
4 |  روی مطالعه کلیک کنید . |
5 | در درخت انتخاب مطالعه ، General Studies>Frequency Domain را انتخاب کنید . |
6 |  روی Done کلیک کنید . |
هندسه 1
واردات 1 (imp1)
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  واردات کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای واردات ، بخش واردات را پیدا کنید . |
3 |  روی Browse کلیک کنید . |
4 | به پوشه Application Libraries مدل بروید و روی فایل conical_antenna.mphbin دوبار کلیک کنید . |
5 |  روی Import کلیک کنید . |
هندسه وارد شده عملاً یک نیم دایره است که قسمت های فلزی آن حذف شده است. شما امواج الکترومغناطیسی موجود در هوا و مواد دی الکتریک داخل کابل کواکسیال را مدل می کنید. نیازی به گنجاندن فلز به عنوان یک دامنه در مدل نیست زیرا فیلدهای موجود در آن به جز روی سطح آن اساساً صفر هستند.
تعاریف جهانی
با ارائه چند تعریف برای محاسبه امپدانس آماده شوید.
پارامترهای 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Global Definitions روی Parameters 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای پارامترها ، بخش پارامترها را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام | اصطلاح | ارزش | شرح |
Z_tl | 50 [اهم] | 50 Ω | امپدانس مشخصه خط انتقال |
تعاریف
متغیرهای 1
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  متغیرها کلیک کنید و متغیرهای محلی را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای متغیرها ، بخش متغیرها را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام | اصطلاح | واحد | شرح |
ز | Z_tl*(1+em.S11)/(1-em.S11) | امپدانس آنتن |
emw.S11 نام پارامتر S انعکاس خودکار محاسبه شده است.
برای دسترسی آسان به برخی از دامنه ها و مرزهای پرکاربرد، انتخاب های زیر را تعریف کنید.
هوا
1 | در نوار ابزار تعاریف ، روی  Explicit کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Explicit ، Air را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | فقط دامنه 1 را انتخاب کنید. |
دی الکتریک
1 | در نوار ابزار تعاریف ، روی  Explicit کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Explicit ، Dielectric را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
دامنه دی الکتریک در داخل کابل کواکسیال درست زیر مخروط قرار دارد. اگر کمی بزرگنمایی کنید، انتخاب آن آسان تر است.
3 | فقط دامنه 2 را انتخاب کنید. |
مرزهای هوای بیرونی
1 | در نوار ابزار تعاریف ، روی  Explicit کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Explicit ، Outer Air Boundaries را در قسمت نوشتاری Label تایپ کنید . |
3 | قسمت Input Entities را پیدا کنید . از لیست سطح نهاد هندسی ، Boundary را انتخاب کنید . |
4 | فقط مرزهای 14 و 15 را انتخاب کنید. |
با تمام انتخاب ها و عبارات تعریف شده، زمان تنظیم مواد و فیزیک مدل فرا رسیده است.
مواد را اضافه کنید
1 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material باز شود . |
2 | به پنجره Add Material بروید . |
3 | در درخت، Built-in>Air را انتخاب کنید . |
4 | روی Add to Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
5 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material بسته شود . |
مواد
آب (مت1)
1 | در پنجره تنظیمات برای مواد ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . |
2 | از لیست انتخاب ، هوا را انتخاب کنید . |
مواد 2 (mat2)
1 | در پنجره Model Builder ، روی Materials کلیک راست کرده و Blank Material را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مواد ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، دی الکتریک را انتخاب کنید . |
4 | قسمت محتوای مواد را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
ویژگی | متغیر | ارزش | واحد | گروه اموال |
مجوز نسبی | epsilonr_iso ; epsilonrii = epsilonr_iso، epsilonrij = 0 | 2.07 | 1 | پایه ای |
نفوذپذیری نسبی | mur_eye ; murii = mur_iso، murij = 0 | 1 | 1 | پایه ای |
رسانایی الکتریکی | sigma_iso ; sigmaii = sigma_iso، sigmaij = 0 | 0 | S/m | پایه ای |
امواج الکترومغناطیسی، دامنه فرکانس (EMW)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی امواج الکترومغناطیسی ، دامنه فرکانس (emw) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای امواج الکترومغناطیسی ، دامنه فرکانس ، قسمت Components را پیدا کنید . |
3 | از اجزای میدان الکتریکی حل شده برای لیست، بردار درون صفحه را انتخاب کنید . |
پورت 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Port را انتخاب کنید . |
Boundary 6 را در پایین کابل کواکسیال تنظیم کنید تا پورت باشد. برای یافتن و انتخاب آسان این مرز می توانید روی این قسمت از هندسه بزرگنمایی کنید.
2 | فقط مرز 6 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات پورت ، قسمت ویژگی های پورت را پیدا کنید . |
4 | از لیست نوع پورت ، Coaxial را انتخاب کنید . |
برای پورت اول، تحریک موج به طور پیش فرض روشن است .
شرایط مرزی پراکندگی 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Scattering Boundary Condition را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای شرایط مرزی Scattering ، بخش انتخاب مرز را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، مرزهای هوای بیرونی را انتخاب کنید . |
شرط مرزی پراکندگی یک راه ساده برای اجازه دادن به امواج است که تنها تحت بازتاب مصنوعی جزئی قرار می گیرند، زیرا آنها از حوزه محاسباتی از طریق مرزهای بیرونی خارج می شوند. برای به حداقل رساندن این بازتاب ها، اما با هزینه محاسباتی بیشتر، می توانید از لایه های کاملاً منطبق استفاده کنید).
هادی الکتریکی کامل 1
همانطور که می بینید اگر روی گره Perfect Electric Conductor در زیر امواج الکترومغناطیسی کلیک کنید، مرزهای فیزیکی که هیچ شرط مرزی را به آنها اختصاص نداده اید به طور پیش فرض رسانای الکتریکی کامل در نظر گرفته می شوند. این یک تقریب خوب برای اکثر فلزات در سراسر محدوده فرکانس در نظر گرفته شده در این مدل است.
دامنه میدان دور 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Domains کلیک کنید و دامنه Far-Field Domain را انتخاب کنید . |
2 | فقط دامنه 1 را انتخاب کنید. |
محاسبه میدان دور 1
1 | در پنجره Model Builder ، گره Far-Field Domain 1 را گسترش دهید ، سپس روی Far-Field Calculation 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای محاسبه میدان دور ، قسمت انتخاب مرز را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، مرزهای هوای بیرونی را انتخاب کنید . |
افزودن ویژگی محاسبه میدان دور بر فیزیک مدل تأثیر نمی گذارد، اما امکان مطالعه میدان دور تولید شده توسط آنتن را فراهم می کند. مرزهایی را برای استفاده برای این محاسبات انتخاب کنید تا در هندسه فیزیکی (سه بعدی)، همه منابع و اشیاء منعکس کننده را احاطه کنند. مرزهای هوای بیرونی انتخاب مناسبی است.
مش 1
در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Mesh 1 کلیک راست کرده و Build All را انتخاب کنید .
مطالعه 1
مرحله 1: دامنه فرکانس
1 | در پنجره Model Builder ، در بخش مطالعه 1 ، روی مرحله 1: دامنه فرکانس کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات دامنه فرکانس ، بخش تنظیمات مطالعه را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن فرکانس ، محدوده (200[MHz],25[MHz],1.5[GHz]) را تایپ کنید . |
محدوده فرکانسی که وارد کردید از 200 مگاهرتز تا 1.5 گیگاهرتز در مراحل 25 مگاهرتز اجرا می شود.
4 | در نوار ابزار صفحه اصلی ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
نتایج
میدان الکتریکی (emw)
نموداری که پس از اتمام فرآیند حل ظاهر می شود، هنجار میدان الکتریکی را در 1.5 گیگاهرتز نشان می دهد. دلیل اینکه بیشتر آبی تیره است به این دلیل است که محدوده تحت سلطه مقادیر بالا در داخل و نزدیک کابل کواکسیال است. برای مشاهده بهتر نحوه انتشار موج، سعی کنید مقدار لحظه ای میدان H را با استفاده از یک محدوده دستی رسم کنید.
سطح
1 | در پنجره Model Builder ، گره Electric Field (emw) را گسترش دهید ، سپس روی Surface کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Surface ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش Expression کلیک کنید . از منو، جزء 1 (comp1)> امواج الکترومغناطیسی، دامنه فرکانس > مغناطیسی> میدان مغناطیسی – A/m>emw.Hphi – میدان مغناطیسی ، کامپوننت فی را انتخاب کنید . |
3 | برای گسترش بخش Range کلیک کنید . تیک گزینه Manual color range را انتخاب کنید . |
4 | در قسمت حداقل متن، -0.5 را تایپ کنید . |
5 | در قسمت Maximum text 0.5 را تایپ کنید . |
6 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید .  روی تغییر جدول رنگ کلیک کنید . |
7 | در کادر محاوره ای جدول رنگ ، Wave>Wave را در درخت انتخاب کنید. |
8 | روی OK کلیک کنید . |
9 | در نوار ابزار Electric Field (emw) ، روی  Plot کلیک کنید . |
10 |  روی دکمه Zoom Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
طرح اسمیت (emw)
الگوی تشعشع 1
1 | در پنجره Model Builder ، گره 2D Far Field (emw) را گسترش دهید ، سپس روی Radiation Pattern 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای الگوی تشعشع ، بخش ارزیابی را پیدا کنید . |
3 | زیربخش Angles را پیدا کنید . در قسمت متنی Number of angles عدد 100 را تایپ کنید . |
4 | زیربخش جهت مرجع را پیدا کنید . در قسمت متن x ، -1 را تایپ کنید . |
5 | در قسمت متن z ، 0 را تایپ کنید . |
6 | در نوار ابزار 2D Far Field (emw) ، روی  Plot کلیک کنید . |
برای رسم امپدانس به عنوان تابعی از فرکانس، یک نمودار 1 بعدی تنظیم کنید.
گروه طرح 1 بعدی 6
در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی Add Plot Group کلیک کنید و 1D Plot Group را انتخاب کنید .
Add Plot Group کلیک کنید و 1D Plot Group را انتخاب کنید .جهانی 1
1 | روی 1D Plot Group 6 کلیک راست کرده و Global را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جهانی ، بخش y-Axis Data را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
اصطلاح | واحد | شرح |
واقعی (Z) | اوه | مقاومت |
تصویر (Z) | اوه | راکتانس |
4 | برای گسترش بخش Coloring and Style کلیک کنید . زیربخش Line style را پیدا کنید . از لیست خط ، چرخه را انتخاب کنید . |
5 | در نوار ابزار 1D Plot Group 6 ، روی  Plot کلیک کنید . |
شما اکنون شکل 2 را بازتولید کرده اید . در مرحله بعد، الگوهای تابش میدان نزدیک و میدان دور را با استفاده از نمودارهای قطبی تجسم کنید.
پلات قطبی گروه 7
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add Plot Group کلیک کنید و Polar Plot Group را انتخاب کنید . |
تعدادی از فرکانس ها را از لیست مقادیر پارامتر انتخاب کنید. نشان دادن الگوی تشعشع برای همه آنها کمی زمان می برد و منجر به یک طرح درهم و برهم می شود.
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه پلات قطبی ، بخش داده را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب پارامتر (فرکانس) ، از لیست را انتخاب کنید . |
4 | در لیست مقادیر پارامتر (فرکانس (گیگاهرتز)) ، 0.2 ، 0.8 و 1.5 را انتخاب کنید . |
برای انتخاب چندین فرکانس از کلید Ctrl استفاده کنید.
نمودار خطی 1
1 | روی Polar Plot Group 7 کلیک راست کرده و Line Graph را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای نمودار خط ، بخش Selection را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، مرزهای هوای بیرونی را انتخاب کنید . |
4 | روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش r-Axis Data کلیک کنید . از منو، مؤلفه 1 (comp1)> امواج الکترومغناطیسی ، دامنه فرکانس > انرژی و نیرو> emw.nPoav – جریان خروجی برق ، میانگین زمانی – W/m² را انتخاب کنید . |
5 | بخش r-Axis Data را پیدا کنید . در قسمت Expression text 10*log10(emw.nPoav) را تایپ کنید . |
متغیر emw.nPoav نشان دهنده جریان خروجی توان از طریق مرزهایی است که در آنجا ارزیابی می شود. عبارتی که وارد کردید همان را در مقیاس لگاریتمی به شما می دهد.
6 | چک باکس Description را انتخاب کنید . در فیلد نوشتاری مرتبط، الگوی تشعشع میدان نزدیک را تایپ کنید . |
7 | قسمت θ Angle Data را پیدا کنید . از لیست Parameter ، Expression را انتخاب کنید . |
8 | در قسمت متن Expression ، atan2(z,r) را تایپ کنید . |
9 | برای گسترش بخش Coloring and Style کلیک کنید . زیربخش Line style را پیدا کنید . از لیست خط ، چرخه را انتخاب کنید . |
10 | برای جمع کردن بخش Coloring and Style کلیک کنید . برای گسترش بخش Legends کلیک کنید . تیک Show legends را انتخاب کنید . |
11 | از فهرست Legends ، Manual را انتخاب کنید . |
12 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
افسانه ها |
200 مگاهرتز |
800 مگاهرتز |
1.5 گیگاهرتز |
13 | برای جمع کردن بخش Legends کلیک کنید . در نوار ابزار Polar Plot Group 7 ، روی  Plot کلیک کنید . |
14 |  روی دکمه Zoom Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
نمودار تابش میدان نزدیک شما باید مانند شکل 3 باشد .
در نهایت، الگوی تابش میدان دور را تجسم کنید.
گروه پلات قطبی 8
در پنجره Model Builder ، در زیر Results روی Polar Plot Group 7 کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید .
نمودار خطی 1
1 | در پنجره Model Builder ، گره Polar Plot Group 8 را گسترش دهید ، سپس روی Line Graph 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای نمودار خط ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش r-Axis Data کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Electromagnetic Waves، Frequency Domain>Far field>emw.normdBEfar – Far-field norm، dB – dB را انتخاب کنید . |
3 | بخش r-Axis Data را پیدا کنید . در قسمت متن توضیحات ، الگوی تشعشعات میدان دور را تایپ کنید . |
4 | در نوار ابزار Polar Plot Group 8 ، روی  Plot کلیک کنید . |
نمودار باید مانند شکل 4 باشد .
