Antennengewinn Ergebnisvergleich mit Eckreflektor

Dieses Beispiel besteht aus einem halbwelligen vertikalen Dipol bei 300 MHz innerhalb eines Eckreflektors, wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt. Der Eckreflektor besteht aus drei orthogonalen Platten, die sich auf einer Seite fünf Meter (fünf Wellenlängen bei 300 MHz) befinden. Die Mitte des vertikalen Dipols liegt über den Mittelpunkten aller drei Platten. Damit liegt die Einspeisung des Dipols bei 2,5 Wellenlängen von jeder Platte aus. Es wurden drei Varianten dieses Testfalls modelliert.

 

  1. Perfekt leitende dünne Metallplatten
  2. Perfekt leitende Metallplatten, die beidseitig mit einer 14 cm dicken verlustbehafteten dielektrischen Beschichtung (relative Permittivität = 4, Leitfähigkeit = 0,1 S/m) bedeckt sind.
  3. 28 cm dicke dielektrische Platten (relative Permittivität = 4, Leitfähigkeit = 0,05 S/m).

Die Fernzonenfähigkeit von XGtd ermöglicht es, den Antennengewinn in dBi auf Kreisen mit konstantem Polarwinkel-Theta oder konstantem Azimutwinkel phi zu berechnen, wobei die Winkel Theta und Phi mit dem herkömmlichen kugelförmigen Koordinatensystem definiert sind (siehe Abbildung 3). Die theta-polarisierte Verstärkung wird auf sieben Kreisen verglichen, vier Kreisen mit konstanter phi = 0, 45, 90, 135 Grad und drei Kreisen mit konstanter theta = 45, 90, 135 Grad. Die Ergebnisse der XGtd-Fern-Zonenverstärkung werden mit FDTD-Berechnungen verglichen, die mit einer Zellgröße von 5,556 cm (18 Zellen/Wellenlänge bei 300 MHz) durchgeführt wurden.

Abbildung 1 zeigt die Geometrie des Eckreflektors. Jede Platte misst fünf Wellenlängen auf einer Seite bei 300 MHz. Der Dipol (nicht dargestellt) befindet sich 2,5 Wellenlängen über den Mittelpunkten der Platten. Der Dipol ist eine halbe Wellenlänge lang bei 300 MHz.

In Abbildung 2 zeigt das grüne Kästchen die Position der Mitte des Dipols an. Die vertikale weiße Linie dient nur als Referenz und ist nicht Teil des Modells.

Abbildung 3 zeigt das in XGtd verwendete sphärische Koordinatensystem.

Fernzonenantenne erzielt Ergebnisse für Metallplatten

Die Ergebnisse der Fernzone und der empfangenen Leistung für den Eckreflektor aus perfekt elektrisch leitenden Metallplatten wurden mit dem Full-3D-Modell von XGtd mit maximal 2 Reflexionen und 1 Beugung berechnet. Die empfangene Leistung für einen horizontalen Bogen von Empfängern zusammen mit den Ausbreitungswegen zu einem Empfänger auf dem Bogen ist in Figur 4 dargestellt. Die Ergebnisse der Fernzone werden mit den Ergebnissen der Vollwellen-FDTD in Abbildung 5, Abbildung 6, Abbildung 7, Abbildung 8, Abbildung 9, Abbildung 10 und Abbildung 11 verglichen.

Fernzonenantenne erzielt Ergebnisse für verlustbehaftete beschichtete Metallplatten

XGtd implementiert eine modifizierte Version von UTD, die die Anwendbarkeit von UTD über perfekt leitende Metalloberflächen hinaus erweitert. Dieser Abschnitt des Beispiels zeigt die Fähigkeit von XGtd, Reflexionen und Beugungen für Platten zu modellieren, die mit einer verlustbehafteten dielektrischen Schicht beschichtet sind. Die Ergebnisse der Fernzone und der empfangenen Leistung für den Eckreflektor wurden mit dem Full-3D-Modell von XGtd mit maximal 2 Reflexionen und 1 Beugung berechnet. Die aufgenommene Leistung für einen horizontalen Bogen von Empfängern sowie die Ausbreitungspfade zu einem der Empfänger auf dem Bogen sind in Figur 4 dargestellt. Die Ergebnisse der Fernzone werden mit den Ergebnissen der Vollwellen-FDTD in Abbildung 13, Abbildung 14, Abbildung 15, Abbildung 16, Abbildung 17, Abbildung 18 und Abbildung 19 verglichen.

Fernzonenantenne erzielt Ergebnisse für verlustbehaftete dielektrische Platten

Die Modellierung eines Eckreflektors aus verlustbehafteten dielektrischen Platten erhöht die Komplexität dieses Beispiels. Zusätzlich zur Modellierung von Reflexionen und Beugungen mit einem verlustbehafteten Material ist eine genaue Modellierung der Transmission durch die dielektrischen Platten erforderlich, um die korrekten Ergebnisse der Fernzone zu erhalten. Der Antennengewinn und die empfangene Leistung der Fernzone wurden unter Verwendung des Full-3D-Ausbreitungsmodells von XGtd mit 2 Reflexionen, 1 Transmission und 1 Diffraktion berechnet. Die empfangene Leistung für einen horizontalen Bogen und die Strahlenpfade zu einem einzelnen Empfänger entlang des Bogens sind in Abbildung 20 dargestellt. Die Übertragung von Energie durch die verlustbehaftete dielektrische Platte ist in dieser Abbildung deutlich zu sehen. Die Ergebnisse der Fernzone werden mit den FDTD-Ergebnissen in Figur 21, Figur 22, Figur 23, Figur 24, Figur 25, Figur 26 und Figur 27 verglichen.

Fazit

Für alle drei Fälle zeigen die Ergebnisse der XGtd-Zonenantennenverstärkung eine gute Übereinstimmung mit den Vollwellen-FDTD-Ergebnissen. Die allgemeine Form und Größe des Musters wird in der XGtd-Lösung erfasst. Unterschiede zwischen den Mustern bestehen darin, dass XGtd nur die Effekte von Pfaden beinhaltet, die maximal 2 Reflexionen, 1 Beugung und 1 Übertragung (für das dielektrische Plattengehäuse) durchlaufen. FDTD löst direkt die Maxwell-Gleichungen und beinhaltet somit alle relevanten Wechselwirkungen, sofern die Geometrie durch ein Netz mit ausreichender Auflösung dargestellt wird. Selbst wenn man nur Pfade mit maximal 2 Reflexionen und 1 Beugung betrachtet, stimmt XGtd eng mit den FDTD-Ergebnissen überein, die anzeigen, dass diese Pfade der Hauptfaktor für die Felder der Fernzone sind.