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应用实例

车身内的贴片天线

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贴片天线的尺寸为 20 毫米(胸前方向)x 32 毫米(头至脚方向),基底为介电常数为 9.5 的无损电介质。贴片厚度为 2 毫米,地平面和贴片辐射器尺寸相同。贴片馈电在垂直(长)方向上偏离贴片中心。 

最初的计算是针对自由空间中的贴片天线。由于预计要使用 2 毫米的人体网格,因此贴片最初使用 2 毫米的 FDTD 单元进行网格划分。网格的 3D 效果图显示了图 1 中的偏移馈电位置。所有计算均在 2.45 GHz 频率下进行。 

 

 图 1:贴片天线的网格表示法,显示偏移馈电。

图 1:贴片天线的网格表示法,显示偏移馈电。

 

对自由空间中的贴片天线进行的初步计算发现,输入阻抗为 0.025 + j 11.8 欧姆,效率为 100%。图 2 显示了水平面各向同性天线的辐射增益模式。 蓝线表示 E theta(垂直)极化,红线表示 E phi(水平)极化。

 

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图 2:自由空间中贴片的远区增益。

 

贴片天线平面上的近区瞬态电场如图 3 所示。近区稳态电场如图 4 所示。

 

 图 3:时域电场。

图 3:时域电场。

 

 图 4:稳态频域电场。

图 4:稳态频域电场。

 

然后,将使用VariPose获得的 2 毫米人体网格作为网格对象导入XFdtd,并将贴片天线插入人体网格。图 5 显示了带有贴片天线的人体网格切片。贴片天线位于胸腔内几毫米处,靠近身体前部。在该图中,身体正对着读者,即从页面外。

 

图 5:主体中的贴片天线网格。

图 5:主体中的贴片天线网格。

 

计算完成后,XFdtd 发现贴片天线在人体内部的阻抗为 5.42 + j 19.1 欧姆,效率为 0.21%。贴片天线在人体内部的远区辐射模式显示,由于人体组织的损耗,增益有所降低。如图 6 所示,人体朝向 0 度角,包含贴片天线的(左)肩膀朝向 90 度角。 

图 7 显示了车身网格外部瞬态电场的三维视图。

 

 图 6:体内贴片的远区增益。

图 6:体内贴片的远区增益。

 

 图 7:穿越胸部的时域场切片。

图 7:穿越胸部的时域场切片。

 

图 8、图 9 和图 10 显示了贴片天线在人体内部不同网格切片中的瞬态电场。关闭人体组织和贴片天线的 CAD 显示,以查看内部电场。

 

 图 8:穿越人体的时域场切片。

图 8:穿越人体的时域场切片。

 

 图 9:穿越胸部的时域场切片(人体渲染已打开)。

图 9:穿越胸部的时域场切片(人体渲染已打开)。

 

 图 10:穿越胸部的时域场切片(人体渲染关闭)。

图 10:穿越胸部的时域场切片(人体渲染关闭)。

 

图 11 和图 12 显示了贴片天线平面上的稳态电场。同样,在其中一张图中,CAD 显示屏是关闭的。 

 图 11:通过胸部的频域场幻灯片(人体渲染已打开)。

图 11:通过胸部的频域场幻灯片(人体渲染已打开)。

 

 图 12:穿过胸部的频域场切片。

图 12:穿过胸部的频域场切片。

 

最后计算的是比吸收率(SAR)。为了缩短计算时间,SAR 计算只使用了网格的胸部部分。图 13 显示了胸部近区瞬态场的视图。

 

 图 13:天线周围 1 克合成孔径雷达平均值的自动区域。

图 13:天线周围 1 克合成孔径雷达平均值的自动区域。

 

 图 14:按 1 瓦输入功率缩放的 SAR 结果。

图 14:按 1 瓦输入功率缩放的 SAR 结果。

本示例仅说明了 XFdtd 在这种几何形状中的最基本应用。XFdtd 可用来改进贴片天线的设计,以便在所需的传输频率上产生谐振,改善辐射并降低 SAR。还可以使用 XFdtd 研究将贴片天线移动到人体不同位置对 SAR 和辐射的影响。

 

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