周波数選択面のスミチャート方法の紹介

スミスチャートは、マイクロ波工学で最も永続的なグラフィカルなツールの1つであり、複雑なインピーダンスと反射係数を視覚化するための直接的な方法を提供します。周波数選択面(FSS)に適用すると、Smith Chartは、抽象的なインピーダンスデータを、共鳴行動、帯域幅、およびマッチング条件に関する実用的な洞察に変換します。純粋に数値的なアプローチとは異なり、Smith Chartは、エンジニアが周波数のスイープとしてインピーダンス軌跡を見ることができるようになり、記事の問題をより簡単に診断し、FSSガイドを最適化し、基本的な手順を最適化します。

周波数選択面の基礎

周波数選択面は、インシデント電磁波と相互作用する金属または誘電体の2次元周期配列です。 周波数に依存する伝送および反射特性は、アンテナラドーム、ディクロル基サブ反射器、電磁シールド、および空間フィルタなどのアプリケーションで不可欠です。 FSS要素は、パッチ型(共鳴)またはアパチャリング型(共鳴時に伝達するスロ)のいずれかのパッチ型(共鳴)またはアパチャリング型(共鳴)です。 FSS要素は、FSS要素とジオメトリクス特性を準拠します。

FSSの同等の回路モデル

多くのFSS構造では、トランスミッションラインのシャウントインピーダンスとして表面をモデル化できます。 ユニットセルの電気サイズが波長に小さい場合、FSSは、ルーメンされた要素のように振る舞います。パッチタイプの要素(バンドストップ応答を生成)のシリーズLC回路と、アパーチャタイプの要素(バンドパス応答を生成)のための並列LC回路。 スミスチャートは、これらの同等の回路を直接表現するために自然なプラットフォームを提供します。 投影されたFSSは、FSSSと直接比較することができます。

FSS 応答の種類

  • []Bandpass FSS:[]] 特定の周波数帯域内の信号を送信します。 絞りの要素は通常使用されます。
  • []Bandstop FSS:[]]は、ストバンド内の信号を反映します。 パッチ要素は典型的です。
  • [マルチバンドFSS:[]]]は、複数の共鳴要素を使用して、複数のパスバンドまたはストップバンドを実行します。
  • []偏光選択FSS:[ TEとTM偏光に異なる応答するように設計しました。

スミスチャートを分析ツールとして

スミスチャートは、反射係数をマップします。(Z − Z0)/(Z + Z0) を、 得点|≦1. 同時に、正規化インピーダンスとアディミスタンスを表示し、FSS分析に有意に値する。 FSSが照らされると、表面に見られるインピーダンスは周波数によって異なります。 このインピーダンスをSmith Chartにプロットすることにより、エンジニアは、次のことができます。

  • 暗黙が純粋に本物である共鳴周波数を識別します(最低限の倍率を持っています)。
  • | の周波数範囲から帯域幅を決定| 境界下(例えば、-10 dB)以下に残します。
  • 伝送線のスタブまたは誘電層を使用してインピーダンスマッチングネットワークの設計。
  • 要素の相互作用から寄生性共鳴と結合効果を検出します。

スミスチャートへのFSSインピーダンスマッピング

表面インピーダンスZ[]FSS[は通常、フルウェーブシミュレーション(例えば、HFSS、CST)から、またはフリースペース方式を使用して測定から取得されます。反射係数は、標準の]FSS[]-Z0]/(ZFSSFLT]+[FLT0]+[FLT0]Z0]FSS[F]FSS[F]]FSS[F]]FSS[F]]F]FSS[F]F]F]FSS[F]F]FSS[F]F]FSS[F]F]FSS[F][F][FSS[F]F][F][F][[F][F][F][F][F]]][FSS[F][F][FSS[F][[[[[[[[[[[[[[F]]]]]]]]]]]]]]]]]

FSSのステップバイステップ・スミス・チャート分析

1. データの収集

利息の頻度範囲に複雑な反射係数S11(または同等のインピーダンス)を取得します。 シミュレーションFSSSのために、Floquetポートとユニットセル境界条件を使用してS-パラメータを抽出します。 測定のために、アンテナとネットワークアナライザを採用し、FSS応答を分離する時間 - 。

2. 正規化およびプロット

参照インピーダンス(通常、377Ωの空き領域)へのインピーダンスを正規化します。Smithチャートの各周波数ポイントをプロットします。ほとんどの近代的なシミュレーションツールまたはPythonライブラリ(例えば、scikit-rf)は、Smith Chartプロットを自動的に生成できます。

3. 共鳴を識別する

射出軌跡が実際の軸(Im(Z)=0)を通過したときに共鳴が起こります。バンドストップFSS(パッチタイプ)の場合、共鳴は、オープン・サーキット・ポイント(チャートの右側)付近の高インピーダンス・ポイント(左)に相当します。バンドパスFSS(絞りタイプ)の場合、共鳴は、ショート・サーキット・ポイント(左)付近の低インピーダンス・ポイント(左)に現れます。 周波数は、その軸が交差する軸です。

4. 帯域幅の分析

帯域幅は反射係数の大きさのローカスから評価することができます。 与えられたリターンロス(例えば、-10dB)のために、その大きさに対応する放射状の一定の‐ 点の円を描画します(例えば、 ∴|=0.316 for −10dB)。 FSS軌跡が入る周波数と出口は、動作帯域幅を定義します。

5.マッチング評価

共鳴時のFSSインピーダンスが正確にZ0でないと、マッチングネットワークが必要です。Smith Chartは、マッチングスタブのグラフィカル合成を可能にします。一定の抵抗や導電性サークルに沿って移動して、一致したポイント(チャートの中心)に到達します。これは、幅広いバンド上の低反射が必要なのは、radomeアプリケーションでFSSにとって特に便利です。

FSS の高度なスミチャート方法

マルチ・共鳴 FSS とインターモード

マルチエレメントFSSデザイン(例えば、同心リング、エルサレムクロス)は、複数の共鳴を展示しています。Smith Chartでは、これらは複数のループまたはスパイラルとして表示されます。ループ間の分離を分析すると、共鳴が結合または独立しているかどうかを判断できます。Smith Chartは、周期が半波長を超えた場合、スプリアスグリートローブを明らかにすることもできます。これらのマニフェストは、急速なインピーダンスの変動または中止として表示されます。

スタックネットワークを用いたインピーダンスマッチング

誘電層に埋め込まれたFSSでは、波によって見られる効果的なインピーダンスは、四半期波のトランスまたは分路を使用して変換することができます。 スミスチャートでは、四半期波のトランスが一定のVSWRサークルの周りに180°でインピーダンスポイントを回転させます。 エンジニアは、FSSインピーダンスをチャートの中心にすばやく誘導するために、中間層の必要なインピーダンスを決定することができます。

偏光解析

多くのFSSは非電磁的です。TEとTM偏光の両方のSmithチャートをプロットすることにより、インピーダンス軌跡の暗示が明らかになります。 これは、衛星通信配列などのデュアル偏光システムにとって重要です。 スミスチャートは、両方の偏光のための一貫した性能を維持FSSの設計に役立ちます。

実用的な例: クロスダイポールFSS分析

バンドストップ応答用に設計されたクロスダイポールFSSを5 GHzで検討してください。ユニットセルは12 mmの正方形で、ダイポールアームは8 mmの長さと1 mm幅0.5 mm厚のFR-4基材(ε])r[=4.4、タンδ = 0.02)。フルウェーブシミュレーションは4〜6 GHzのインピーダンスデータ。Smith Chartのプロットは、ディフュージョンを2.5 GHzに変えるの信号を正確に示すように、通常のバンドの軸に変化させる。

スミスチャート法のメリットと制限

メリット

  • 直感的な可視化:[]]複雑なインピーダンスのバリエーションはすぐに把握できます。
  • グラフマッチング:] 単純なマッチングタスクに必要な非アルゲラ化反復はありません。
  • バンド幅推定:[ 定数〜免除円から直接読みます。
  • ] 条件値:[]] は、FSS の同等の回路の深い理解を築きます。

制限事項

  • :単一ポート表現に限られる スミスチャートは、FSSを1ポート負荷として扱います。 伝送解析のために、ネットワーク理論と組み合わせなければなりません。
  • 周波数スケーリング:[直接プロットは一定の参照インピーダンスを想定しています。定期的な境界条件を持つFSSの場合、これは角度-of-incidence効果の完全アカウントではない可能性があります。
  • ] 数百の周波数ポイントで、ソフトウェアの自動化が短時間で処理できる。
  • []は直接角度に依存しない:[]を省略した場合は、別々のSmithチャートプロットまたは3D拡張が必要です。

コンテンツ

スミスチャートは、FSS分析のための重要なツールであり、インピーダンスデータと設計直感の間のギャップを埋めます。インピーダンスの軌跡をプロットすることにより、エンジニアは、迅速かつ共鳴、およびマッチング要件を識別することができます。現代のシミュレーションツールは、Smith Chartのオブソールをレンダリングしていません。むしろ、彼らはそれを自動でプロットし、インタラクティブな探査を有効にすることによってよりアクセス可能にしました。周波数の選択的な面で働く人のために、ラドーム、フィルタ、または複合材料のメカニズムを設計するかどうかは、より複雑なプロセスを簡素化し、より複雑なプロセスを設計することになります。

外部リソース:[]