Pengantar Ke Smith Metode Chart untuk Permukaan Selektif Frekuensi

Bagan Smith tetap menjadi salah satu alat grafis paling bertahan dalam rekayasa gelombang mikro, menawarkan metode langsung untuk memvisualisasi impedansi kompleks dan koefisien refleksi. Ketika diterapkan pada Frequency Selective Surfaces (FSS), Smith Chart mengubah data impedansi abstrak ke dalam wawasan yang dapat ditindaklanjuti tentang perilaku resonansi, bandwidth, dan kondisi yang cocok. Tidak seperti pendekatan numerik murni, Smith Chart memungkinkan para insinyur untuk melihat lintasan impedance sebagai sapuan frekuensi, membuatnya lebih mudah untuk mendiagnosis masalah desain dan kinerja optimal. Artikel ini menyediakan panduan komprehensif untuk metode Smith Chart untuk analisis FSS, meliputi dasar langkah-langkah, teknik maju, dan contoh praktis.

Kerugian atas Permukaan Selektif Frekuensi

Perangkat Seleksi frekuensi mereka adalah susunan periodik dua dimensi dari unsur metalik atau dielektrik yang berinteraksi dengan gelombang elektromagnetik insiden. Transmisi frekuensi-bergantung dan sifat refleksi mereka membuat mereka penting dalam aplikasi seperti rado antena, subreflektor diktroik, pelindung elektromagnetik, dan filter spasial. Unsur FSS dapat berupa patch-type (resonan yang mencerminkan pada resonansi) atau aperture-type (slot yang mentransmisikan pada resonansi). Desain suatu FSS diatur oleh elemen, periodik, substrat, dan polarisasi.

Model Sirkuit Setara FSS

Untuk banyak struktur FSS, permukaan dapat dimodelkan sebagai impedansi shunt pada garis transmisi. Pada frekuensi di mana ukuran listrik sel unit adalah kecil relatif panjang gelombang, permukaan FSS berperilaku seperti elemen berlumpul: sirkuit seri LC untuk elemen tipe patch (memproduksi respon bandstop) dan sirkuit LC paralel untuk elemen tipe aperture (memproduksi respon bandpass). Smith Chart menyediakan platform alami untuk mewakili sirkuit yang setara ini, sebagai impedance kompleks FSS dapat diploted langsung dan dibandingkan dengan contur LC ideal.

Jenis - Jenis Respon FSS

  • Bandpass FSS: Transmits sinyal dalam sebuah band frekuensi tertentu; elemen aperture yang biasanya digunakan.
  • Bandstop FSS: Refleksikan sinyal di dalam sebuah stopband; elemen patch tipikal.
  • [[NOLT:0]]Multti-band FSS: Gunakan beberapa elemen resonansi untuk mencapai beberapa passband atau stopband.
  • [[ZOLT:0]]Polarization-selektif FSS: Dirancang untuk merespons polarisasi TE dan TM secara berbeda.

Bagan Smith sebagai Alat Analisis

Bagan Smith memetakan koefisien refleksi LU = (Z ⁇ Z0)/(Z + Z0) ke dalam sebuah pesawat kompleks yang diikat oleh Ça Ça Ç1 . Secara bersamaan menampilkan impedansi dan intedansi yang dinormalkan, membuatnya sangat berharga untuk analisis FSS. Ketika sebuah FSS diterangi, impedansi yang terlihat di permukaan bervariasi dengan frekuensi. Dengan merencanakan impedansi ini pada Smith Chart, insinyur dapat:

  • Keterkenalkan frekuensi resonansi di mana impedansi murni nyata (HHHH memiliki magnitudo minimum).
  • Tentukan lebar jalur lebar dari rentang frekuensi di mana KANTOR tetap berada di bawah ambang (misalnya, ⁇ 10 dB).
  • Desain madya desain madance yang cocok dengan jaringan menggunakan stub jalur transmisi atau lapisan dielektrik.
  • Mangofanologi mendeteksi resonansi parasit dan efek penggulungan dari interaksi unsur.

Pemetaan Pemetaan FSS Impedance ke Smith Chart

Keterbatasan permukaan Z]FSS biasanya diperoleh dari simulasi gelombang penuh (misalnya, HFSS, CST) atau dari pengukuran menggunakan metode ruang bebas. Pekali refleksi dihitung sebagai PU = (Z]FSS[[] ⁇ Z0/(Z]]]] + Z0), di mana Z0 adalah karakteristik impedance ruang bebas (3777) atau medium sekitarnya. Untuk standar Smith yang normal (ZFLT:0)] + Z6FLT]], dispansiasi sebagai karakteristik pembiasan dengan frekuensi yang dieksplikasikan sebagai objektoran ruang bebas (JIM) dan FSS, FSS untuk flights[ZFL2] adalah sebuah projectation dan projectationality [ZZZFL].

Analisis Bagan Langkah-Berdasar Smith untuk FSS

1. Data Akuisisi

Diagnosa untuk menjaga koefisien refleksi kompleks S11 (atau impedance setara) atas rentang frekuensi bunga. Untuk mensimulasikan FSS, gunakan kondisi batas sel unit dengan port Floquet untuk mengekstrak S ⁇ parameters. Untuk pengukuran, mempekerjakan penganalisa jaringan dengan antena dan waktu ⁇ mengatasi untuk mengisolasi respon FSS.

2. Normalisasi dan Pemplotan

Normalisasi impedansi ke impedansi referensi (biasanya 377 Á untuk ruang bebas). Plot setiap titik frekuensi pada Smith Chart. Kebanyakan alat simulasi modern atau pustaka Python (misalnya, scikit-rf) dapat menghasilkan plot Smith Chart secara otomatis.

Kemunculan Kembali Kerang - Kerang - Kerang - Kerang

Sebuah resonansi yang dilakukan oleh langsing pambatan melewati sumbu nyata (Im(Z)=0). Untuk FSS bandstop (tipe patch), resonansi sesuai dengan titik impedansi tinggi dekat titik sirkuit terbuka ⁇ kanan (sisi kanan bagan). Untuk sebuah bandpass FSS (tipe aperture), resonansi muncul sebagai titik impedansi rendah dekat titik pendek ⁇ sirkuit (sisi kiri). Frekuensi di mana lintasan melintasi sumbu nyata adalah frekuensi resonansi.

Vigorida 4. Analisis Bandwidth

Kerugian Bandwidth dapat dinilai dari lokus dari magnitude pekali pantulan.Untuk kehilangan kembali yang diberikan (misalnya, ⁇ 10 dB), menggambar konstan ⁇ lingkaran radius sesuai dengan magnitudo tersebut (misalnya, ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

5. Nilai=nilai yang cocok

Jika impedansi FSS pada resonansi tidak tepat Z0, sebuah jaringan yang cocok diperlukan. The Smith Chart memungkinkan sintesis grafis dari stubs yang cocok: bergerak sepanjang resistensi konstan atau konduksi lingkaran untuk mencapai titik yang cocok (center of chart). Hal ini sangat berguna untuk FSS dalam aplikasi radome di mana refleksi rendah atas band lebar dibutuhkan.

Metode Bagan Smith Lanjutan untuk FSS

MultiNio] ⁇ Resonan FSS dan Intermode

Desain FSS multi ⁇ elemensi (mis., cincin konsentris, Yerusalem salib) menunjukkan beberapa resonansi. Pada Smith Chart, ini muncul sebagai beberapa loop atau spiral. Menganalisa pemisahan antara loop membantu menentukan apakah resonansi disatukan atau independen. Bagan Smith juga dapat mengungkapkan lobus grating yang memacu jika periodik melebihi setengah ⁇ panjang gelombang ⁇ ini manifes sebagai variasi impedansi cepat atau diskontinuitas.

Kecocokan Kepadanan Menggunakan Jaringan Selim

Untuk FSS yang tertanam dalam lapisan dielektrik, impedansi efektif yang dilihat oleh gelombang dapat diubah menggunakan quarter ⁇ wave transformator atau shunt stubs. Pada Smith Chart, seperempat ⁇ gelombang transformator berputar impedansi titik sebesar 180° di sekitar konstan VSWR circle. Insinyur dapat dengan cepat menentukan impedansi yang diperlukan dari lapisan intermediate untuk membawa impedansi FSS ke pusat bagan.

Analisis Polaganisasi Kutub

Banyak FSS yang anisotropik. Dengan merencanakan Smith Chart untuk kedua polarisasi TE dan TM, asimetri dalam lintasan impedance menjadi nyata. Ini sangat penting untuk sistem dual ⁇ polarisasi seperti array komunikasi satelit. The Smith Chart membantu dalam merancang FSS yang mempertahankan kinerja konsisten untuk kedua polarisasi.

Contoh Praktis Praktis: Analisis FSS Lintas ⁇ Banduan

Menilai sebuah cross ⁇ dipole FSS yang dirancang untuk respon bandstop pada 5 GHz. Sel unit berukuran 12 mm persegi, dengan lengan dipol 8 mm panjang dan lebar 1 mm pada FR ⁇ 4 substrat tebal 0,5 mm (Telah]r=4.4, tanDD=0.02). Simulasi gelombang penuh dari 4 hingga 6 GHz menghasilkan data impedansi. Plotting pada Smith Chart menunjukkan lintasan yang melintasi sumbu nyata pada 5. GHz dengan impansi normal sekitar 2,5 + 0, menunjukkan reson yang digeser karena pemuatan. ⁇ 10 Bandwidth dari lintasan yang membaca lintasan dari lintasan melalui jalur lintasan yang melintasi lintasan disupsi 5. Dengan demikian, GHz dengan penambahan defect defectinging dari grafik yang tipis (16)

Manfaat dan Batas Metode Bagan Smith

Manfaatnya

  • [O]GAL Intuitif visualisasi: Complex impedance variasi segera dapat dipahami.
  • Garaphical match: Tidak ada iterasi algebraik yang diperlukan untuk tugas pencocokan sederhana.
  • Estimasi lebar lebar: Bacaan langsung dari konstanta ⁇ lingkaran.
  • [[COLT:0]] Nilai pendidikan: Membina pemahaman mendalam tentang sirkuit setara FSS.

Batasan

  • [5] [5] [5] Dicatat ke perwakilan tunggal ⁇ port: Tabel Smith memperlakukan FSS sebagai beban satu ⁇ port; untuk analisis transmisi, harus dikombinasikan dengan teori jaringan.
  • [Frequency penskalaan:] Pemplotan langsung mengasumsikan impedansi referensi konstan; untuk FSS dengan kondisi batas periodik, ini mungkin tidak sepenuhnya memperhitungkan sudut ⁇ dari ⁇ efek insidendensi.
  • [GALALT:0]]Manual proses dapat berupa waktu ⁇ mengkonsumsi untuk ratusan titik frekuensi; software automasi disarankan untuk data padat.
  • Does not direct show angle ⁇ dependence: Oblique incidence membutuhkan plot Smith Chart terpisah atau ekstensi 3D.

Kekecualian Kesimpulan

Bagan Smith tetap menjadi alat vital untuk analisis FSS, mengekang kesenjangan antara data impedance dan intuisi desain. Dengan merencanakan trajectories impedance, insinyur dapat dengan cepat mengidentifikasi resonansi, bandwidth, dan persyaratan yang cocok. Alat simulasi modern tidak membuat Smith Chart usang; sebaliknya, mereka telah membuatnya lebih mudah diakses oleh perencanaan otomasi dan mengaktifkan eksplorasi interaktif. Untuk siapa pun yang bekerja dengan frekuensi ⁇ pendapat permukaan frequent ⁇ selective ⁇ whether untuk radomes, filter, atau sistem antena ⁇ mengajinsi Smith Chart membayar dividesd dalam desain dan wawasan efisiensi. Desain FSS menjadi lebih kompleks dengan lebih multifungsi dan rekonfigurable elemen yang dapat digrafi, kesederhanaan grafik akan dilanjutkan ke perangkat pintar microwave.

Sumber Daya Eksternal: