Pythonでマイクロストリップパッチアンテナの設計ツールを作る(5) これまでをまとめてクラス化・モジュール化した。パッチサイズ、入力インピーダンス、指向性、効率、利得が計算できる。使い方まとめ。

これまでやってきたことを全部まとめてクラス化した。コードは後で説明するとして、まずは使い方から。

クラス名はPatchAntennaで、それをpatchantenna.pyというファイルに記載している。なのでまずそのファイルをパスの通ったところにいれて

import patchantenna as pa

とでもしてインポートする。

①初期化

初期化は

    """

    矩形マイクロストリップパッチアンテナ設計クラス

    Parameters

    ----------

    er : 基板の比誘電率

    h  : 基板の厚み[mm]

    f0 : 共振周波数[GHz]

    tanD : 基板誘電体のtanδ

         （省略すると0.01)

    sigma : パッチ導体の導電率[S/m]

          (省略すると5.8E7)

    """

    def __init__(self, er, h, f0, tanD = 0.01, sigma = 5.8E7):

のようになっているので、

ant = pa.PatchAntenna(2.2, 1.588, 10)

のようにインスタンス化する。ここでtanδとσを省略するとデフォルト値が入る。

この時同時にパッチ幅W、パッチ長さLが設計されて内部に保持される。

②パッチ寸法読み・書き

propertyのwidthとlengthを使う。設計値以外のものを使う場合は代入も可能。

読み取り：

ant.width

11.85033740616217

ant.length

9.053429316199928

書き込み：

ant.width = 12

ant.length = 10

③入力インピーダンス

以下のようにする。

ant.input_impedance()

228.3957073596198

ant.input_impedance(3.12)

50.2343608577977

ここで引数はオフセットを表す。省略すると0。

メソッドの説明は以下の通り。

    def input_impedance(self, offset = 0):

        """

        矩形マイクロストリップパッチアンテナの入力インピーダンスを計算する。

        Parameters

        ----------

        offset : パッチ端からの給電位置[mm]

        Returns

        -------

        入力インピーダンス[Ω]

        """

④指向性

以下のようにする。

ant.directivity()

7.354142436865478

メソッドの説明は以下の通り。

    def directivity(self):

        """

        矩形マイクロストリップパッチアンテナの指向性(Directivity)を計算する。

        Returns

        -------

        指向性[dB]

        """

⑤効率

以前出したものは％で出力したが今回からdBにした。

ant.efficiency()

-0.6529214284080533

    def efficiency(self):

        """

        矩形マイクロストリップパッチアンテナの効率(efficiency)を計算する。

        Returns

        -------

        アンテナ効率[dB]

        """

⑥アンテナ利得（ゲイン）

指向性と効率の和になる。

ant.gain()

6.701221008457425

    def gain(self):

        """

        矩形マイクロストリップパッチアンテナのアンテナ利得(Gain)を計算する。

        Returns

        -------

        アンテナ利得[dB]

        """

⑦寸法パラメータの説明

実はこれが一番気に入っている。ただ環境、フォントによっては崩れるかも…

ant.draw()

これを作ったのはまたAI・機械学習の例題にするため。それはまた後日。

ではそのファイルと、ソースコードを示す。

ダウンロード - patchantenna.py

import numpy as np from scipy.integrate import quad from scipy.special import sici, j0 from scipy.integrate import dblquad class PatchAntenna:     """     矩形マイクロストリップパッチアンテナ設計クラス     Parameters     ----------     er : 基板の比誘電率     h  : 基板の厚み[mm]     f0 : 共振周波数[GHz]     tanD : 基板誘電体のtanδ          （省略すると0.01)     sigma : パッチ導体の導電率[S/m]           (省略すると5.8E7)     """     def __init__(self, er, h, f0, tanD = 0.01, sigma = 5.8E7):         self.er = er         self.h = h * 1.0E-3         self.f0 = f0 * 1.0E9         self.u0 = 4.0 * np.pi * 1.E-7         self.e0 = 8.85418782E-12         self.tanD = tanD         self.sigma = sigma         self.lambda0 = 1 /(self.f0 * np.sqrt(self.e0 * self.u0))         #パッチ幅         self.W = (1.0 / (2 * self.f0 * np.sqrt(self.e0 * self.u0))) * np.sqrt(2.0 / (self.er + 1.0))         #有効比誘電率ereff         self.ereff = (self.er + 1.0) / 2.0 + ((self.er - 1.0) / 2.0) / np.sqrt(1.0 + 12.0 * self.h / self.W)         #フリンジングΔL         self.dL = self.h * 0.412 * (self.ereff + 0.3) * (self.W / self.h + 0.264) / ((self.ereff - 0.258) * (self.W / self.h + 0.8))         #基板内波長         self.wave_length = 1 /(self.f0 * np.sqrt(self.ereff * self.e0 * self.u0))         #パッチ長さ         self.L = self.wave_length / 2 - 2 * self.dL     @property     def width(self):         """         パッチ幅を読み書きするプロパティ         """         return self.W * 1000     @width.setter     def width(self, W):           self.W = W * 1.0E-3     @property     def length(self):             """         パッチ長さを読み書きするプロパティ         """         return self.L * 1000     @length.setter     def length(self, L):         self.L = L * 1.0E-3     def input_impedance(self, offset = 0):         """         矩形マイクロストリップパッチアンテナの入力インピーダンスを計算する。         Parameters         ----------         offset : パッチ端からの給電位置[mm]         Returns         -------         入力インピーダンス[Ω]         """         k0=2.0 * np.pi / self.lambda0         X = k0 * self.W         siX, _ = sici(X)         I1 = -2 + np.cos(X) +  X * siX + np.sin(X)/X         G1 = I1 / (120 * np.pi**2)         def f(t, X, Y):             return ((np.sin(X*np.cos(t) / 2.0) / np.cos(t))**2) * j0(Y * np.sin(t)) * np.sin(t)**3         I2, _ = quad(f, 0, np.pi, args = (X, k0*self.L))         G12 = I2 / (120* np.pi **2)         Rin = 1 / (2 * (G1 + G12))         return Rin * np.cos(np.pi * offset * 1.0E-3 / self.L) ** 2     def directivity(self):         """         矩形マイクロストリップパッチアンテナの指向性(Directivity)を計算する。         Returns         -------         指向性[dB]         """         k0 = 2.0 * np.pi / self.lambda0         X = k0 * self.W         def f(theta, phi, X, Y):             return (np.sin(X*np.cos(theta)/2) / np.cos(theta)) **2 * (np.sin(theta) **3) * (np.cos(Y*np.sin(theta)*np.sin(phi)/2)) ** 2         I2, _ = dblquad(f, 0, np.pi, 0, np.pi, args=(X, k0 * self.wave_length /2))         self.D2 = (2* np.pi * self.W / self.lambda0) **2 * (np.pi / I2)         return 10 * np.log10(self.D2)     def efficiency(self):         """         矩形マイクロストリップパッチアンテナの効率(efficiency)を計算する。         Returns         -------         アンテナ効率[dB]         """         #放射Qの近似式         if self.er > 2:             self.Qr = 3 * self.er * self.lambda0 / (8 * self.h)         else:             self.Qr = (np.pi * np.pi * np.sqrt(self.er) / (4 * np.pi * np.pi - 16 * np.sqrt(self.er))) * (self.lambda0 / self.h)         #導体Q         ds = np.sqrt(2 / (2 * np.pi * self.f0 * self.u0 * self.sigma))         self.Qc = self.h / ds         #誘電体Q         self.Qd = 1 / self.tanD         #無負荷Q         self.Qt = 1 / (1 / self.Qc + 1 / self.Qd + 1 / self.Qr)         self.eta = self.Qt / self.Qr         return 10 * np.log10(self.eta)     def gain(self):         """         矩形マイクロストリップパッチアンテナのアンテナ利得(Gain)を計算する。         Returns         -------         アンテナ利得[dB]         """         D2 = self.directivity()         eta = self.efficiency()         return D2 + eta     def draw(self):         """         矩形マイクロストリップアンテナの寸法説明         """         print("     　　　←------　W　--------→　")         print("　　　　↑　┌────────────────────┐")         print("　　　　|　│　　　　　　　　　　　　　　│")         print("　　　　|　│　　　　　　　　　　　　　　│")         print("　　　　　 │　　　　　　　　　　　　　　│")         print("　　　　L　│　　　　　　　　　　　　　　│")         print("　　　　　 │　　　　　　　　　　　　　　│")         print("　　　　|　│　　　　　　　〇　　　　　　│")         print("　　　　|　│         　　　　|  　　  　      │")         print("　　　　|　│        　　　　 | offset   　　│")         print("　　　　↓　└────────────────────┘")         print("               　　Thickness: h")