Matlabでアンテナ解析 - Bowtie Antenna -

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Matlab homeによるbowtieアンテナ解析です。 S11_Smithの結果を見るとわかりますが、5GHzまでの解析周波数でZ=200+j0近辺にインピーダンスが集中していることがわかります。 SmithChartが示す特定のインピーダンスに周波数が集中している、これはすなわち広帯域なアンテナ特性であると言えます。 ざっくり特性をみてみます。

Overview

  • 形状: Bow Tie形状
  • アンテナ利得(pk): 3.41dBi @ 2.5GHz
  • 解析周波数範囲: 500MHz ~ 5GHz
  • 特性タイプ: ダイポール系、広帯域（解析周波数1GHz~5GHzにおいてReturn Lossは 12dB以上！(Z=200+j0 ohmインピーダンス時)
  • 寸法：約200mm
  • 備考: モーメント法解析、自由空間

この周波数帯の混雑度を考えると、ただ広帯域があればいいというものではない気がします。

Pros:

  • 広帯域である！
  • Wifi 2.4GHz, 5GHz帯の通信でアンテナを共有できる（だたし後段にダイプレクサのような分波回路が必要）

Cons:

  • インピーダンスが少し高い. 200 ohm。やっぱ50~100 ohm程度がいいよね。
  • 様々な帯域の電波が受信回路に混入し、初段LNAの線形性が失われる（初段LNAのIMD相互変調歪みや利得飽和の危機!)

Shape

Geometory

Analysis

Radiation Pattern at 2.5GHz

ダイポールアンテナのような美しい球状にはならないようです。若干凹凸が見られますがヒートマップの様子では-10dBiぐらいのヌル点がでていることがわかります。

SmithChart S11 _ 50 ohm

自由空間におけるアンテナインピーダンスはおよそ Z=200+j0 のようで、広帯域特性を有していることがわかります。ただし、50 ohmから 200 ohmへの広帯域インピーダンス整合を行うには一筋縄ではいきそうもありません。安直に思いつく方法としては、純抵抗だけで構成する回路でしょうか。損失を犠牲にする代わり、次の図のような広帯域特性が得られます。

SmithChart S11 _ 200 ohm

LogMag S11 _ 50 ohm

LogMag S11 _ 200 ohm

Code

解析に使用したmatlab scriptです。 

% Define plot frequency 
%plotFrequency = 920000000;
plotFrequency = 2420000000;
% Define frequency range 
freqRange = (828:50:5012) * 1e6;
% Define antenna
antennaObject = bowtieRounded;
% show for bowtieRounded
figure;
show(antennaObject) 
% s11 for bowtieRounded
figure;
s = sparameters(antennaObject, freqRange);
s200 = sparameters(s,200);      % set normalized impedance to 200 ohm
rfplot(s);
rtplot(s200,1,1);
smithplot(s,1,1);
smithplot(s200,1,1);