設計實驗 微帶貼片天線設計PPT課件

1、（二）設計要求 PCB板材質(zhì)為Duriod5880（r2.2），厚度h0.762mm，設計一個工作頻率為3GHz的矩形微帶天線。 天線采用微帶饋電方式，饋線阻抗為50Ohm第1頁/共52頁（三）微帶天線的技術(shù)指標 輻射方向圖 天線增益和方向性系數(shù) 諧振頻率處反射系數(shù) 天線效率第2頁/共52頁（四）設計的總體思路 計算相關(guān)參數(shù) 在ADS的Layout中初次仿真 在Schematic中進行匹配 修改Layout，再次仿真，完成天線設計第3頁/共52頁（五）相關(guān)參數(shù)的計算 需要進行計算的參數(shù)有 貼片寬度W 貼片長度L 饋電點為貼片中心 饋線的寬度第4頁/共52頁（五）相關(guān)參數(shù)的計算（續(xù)） 貼片寬度W

2、、貼片長度L可由教材上的經(jīng)驗公式計算得出 W=39.6mm；L=33.4mm； 50Ohm饋線的寬度可以用ADS自帶的傳輸線計算工具計算得出第5頁/共52頁（六）用ADS設計過程 有了上述的計算結(jié)果，就可以用ADS進行矩形微帶天線的設計了 下面詳細介紹設計過程第6頁/共52頁ADS軟件的啟動 啟動ADS進入如下界面第7頁/共52頁創(chuàng)建新的工程文件 點擊Create a new project創(chuàng)建一個新的工程，命名為Patch_antenna_prj； 在主窗口中選擇File -New Design，在彈出新建窗口中選擇在Layout窗口中新建一個設計，名稱為antenna。Design Tec

3、hnology Files為ADS Standard，長度單位為mm；把Set as project default勾選上，這樣以后這個工程中的每一個新的設計的長度單位都將默認為mm。 也可以通過點擊主窗口上的按鈕 來新建版圖設計文件。然后選擇Options-Prefernce-Layout Units來進行版圖長度單位的設置第8頁/共52頁創(chuàng)建新的版圖設計文件第9頁/共52頁介質(zhì)層設置 在ADS的Layout中進行設計，介質(zhì)層和金屬層的設置很重要 在菜單欄里選擇MomentumSubstrateCreate/Modify， 在Substrate Layer標簽里，保留FreeSpace和/G

4、ND/的設置不變，點擊Alumina層，修改其設置如下圖所示。這里修改介質(zhì)名字只是為了直觀，不修改對設計沒有影響 第10頁/共52頁介質(zhì)層設置（續(xù)）第11頁/共52頁金屬層設置 金屬層的設置要遵循一定的順序： 1、點擊Metallization Layers標簽，在右邊Layout Layer下拉框中選擇cond； 2、在左邊Substrate Layer欄中選中“-”后，點擊左下角按鈕“Strip”按鈕，這將看到“-”變成“-Strip cond”，同時右邊出現(xiàn)對金屬層性質(zhì)進行定義的對話框； 3、然后在右邊的Model下拉列表中選擇Sheet (No Expansion)，設置金屬厚度為0.

5、018um，Material下拉框中選擇Conductor(Sigma)，參數(shù)設置如下頁圖。 4、點擊OK接受所有設置。第12頁/共52頁金屬層設置（續(xù)）第13頁/共52頁在Layout中制版 準備工作做好以后，下面就可以進行Layout中的作圖了。 在Layout窗口中選擇 ，將 cond設置為當前繪圖層； 首先畫天線的金屬貼片。點擊右上角按鈕 ，然后選擇菜單Insert-Coordinate Entry，彈出坐標輸入對話框。根據(jù)前面計算出來的尺寸分別輸入矩形貼片對角線上的兩個點所對應的x、y坐標，注意輸完一個點的坐標后點擊一下Apply。全部輸入完成后點擊OK，按下鼠標右鍵選擇End Co

6、mmand (或者按下Esc鍵)結(jié)束矩形繪圖操作。 最后在貼片寬邊中間加入長度為3cm的50Ohm饋線。這里先要計算饋線寬度。第14頁/共52頁饋線寬度的計算 在ADS主窗口中點擊 打開一個原理圖窗口； 在原理圖窗口中選擇Tools-LineCalc-Start LineCalc，彈出傳輸線計算工具窗口(下頁圖)； 在LineCalc中選擇Options-Preference將長度單位改為mm； 將介質(zhì)參數(shù)以及工作頻率 、傳輸線特性阻抗設置好 后，點擊 開始計算。第15頁/共52頁饋線寬度的計算(續(xù))第16頁/共52頁完整天線版圖 根據(jù)計算結(jié)果，在矩形貼片寬邊中間畫一條長度為3mm的饋線； 然

7、后給天線加上激勵端口。首先點擊右上方的按鈕 ，這樣操作的時候鼠標會自動對準邊長的中點。然后點擊 在饋線一端的中間加上激勵端口。 這樣整個天線的版圖就完成了，如右圖所示。第17頁/共52頁仿真預設置 在進行l(wèi)ayout仿真之前，先要進行預設置。在菜單欄選擇Momentum -Mesh-Setup，選擇Global標簽。 鑒于ADS在Layout中的Momentum仿真是很慢的，在允許的精度下，可以把“Mesh Frequency”和 “Number of Cells per Wavelength” 設置得小一點。本例中設為3.5GHz。第18頁/共52頁仿真預設置（續(xù)）第19頁/共52頁進行仿真

8、 點擊Momentum - Simulation - S-parameter彈出仿真設置窗口，該窗口右側(cè)的Sweep Type選擇Linear， Start、Stop分別選為2.0GHz、4.0GHz，F(xiàn)requency Step選為0.05GHz。Update后，點擊Simulation按鈕。第20頁/共52頁仿真結(jié)果第21頁/共52頁對仿真結(jié)果的探討 由上圖可見，理論上的計算結(jié)果與實際的符合還是相當不錯的，中心頻率大約在3GHz左右。只是中心頻率處反射系數(shù)S11還比較大，因此要進行阻抗變換。在3GHz處，m1距離圓圖上的坐標原點還有相當?shù)木嚯x。在3GHz下的輸入阻抗是：Z0*（0.416-

9、j1.012），其中Z0 為端口阻抗50Ohm。第22頁/共52頁在原理圖中進行匹配 為了進一步減小反射系數(shù)，達到較理想的匹配，并且使中心頻率更加精確，可以在Schmatic中進行匹配。 天線在3GHz下的輸入阻抗是： Z0*（0.416-j1.012）=20.8j50.6，這可以等效為一個電阻和電容的串連。電容的電抗Xc=1/(w*C)，則由電抗大小可以得到相應的電容為C=1/(w*Xc)。這里w為中心角頻率。第23頁/共52頁匹配原理 匹配的原理是：串聯(lián)一根50歐姆傳輸線，使得S11參數(shù)在等反射系數(shù)圓上旋轉(zhuǎn)，到達g=1的等g圓上，然后再并聯(lián)一根50歐姆傳輸線，將S11參數(shù)轉(zhuǎn)移到接近0處。所

10、需要計算的就是串連傳輸線和并聯(lián)傳輸線的長度 ADS原理圖中優(yōu)化功能可以出色的完成這個任務 第24頁/共52頁匹配過程 新建一個Schematic文件，分別在Lumped-Components、Tlines-Microstrip以及Simulation-S_Param中選擇合適元件和仿真控件，繪出電路圖如下所示。第25頁/共52頁匹配過程（續(xù)） 其中TL1和TL2的L是待優(yōu)化的參量，初值取10mm，優(yōu)化范圍是1mm到20mm。 設置好MSub的值如右圖所示。其中微帶線的寬度為50Ohm微帶線寬度，這里定義為變量w=2.32mm。 第26頁/共52頁匹配過程（續(xù)） 插入S參數(shù)優(yōu)化器，一個Goal。

11、其中Goal的參數(shù)設置如下： 這里dB（S（1，1）的最大值設為-70dB，是因為在Schematic中的仿真要比在Layout中的仿真理想得多，所以要求設置得比較高，以期在Layout中有較好的表現(xiàn)。 第27頁/共52頁匹配過程（續(xù)） 設置好OPTIM。 常用的優(yōu)化方法有Random(隨機)、Gradient(梯度)等。隨機法通常用于大范圍搜索，梯度法則用于局部收斂。這里選擇Random。 優(yōu)化次數(shù)可以選得大些。這里設為300。 其他的參數(shù)一般設為缺省即可。第28頁/共52頁匹配過程（續(xù)） 優(yōu)化電路圖為：第29頁/共52頁匹配過程（續(xù)） 點擊仿真按鈕，當CurrentEF0時，優(yōu)化目標完成。

12、把它update到原理圖上（SimulateUpdate Opimization Values）。 選中優(yōu)化控件OPTIM 1，點擊 使其不再起作用。并對線長參數(shù)進行調(diào)整，保留兩位小數(shù)。最終原理圖如下： 第30頁/共52頁匹配過程（續(xù)）第31頁/共52頁原理圖中的仿真 點擊按鈕 進行仿真，結(jié)果如右圖所示； 在中心頻率f3GHz處,S(1,1)的幅值小于-64dB，可見已經(jīng)達到相當理想的匹配第32頁/共52頁修改Layout 參照Schematic計算出來的結(jié)果，修改Layout圖形如下：第33頁/共52頁兩點說明 由于這里是手工布板，而不是由Schematic自動生成的，傳輸線的長度可能需要稍

13、作調(diào)整(但不超過1mm)。注意要把原先的3mm饋線長度也算進去。 為了方便輸入，在電路的左端加了一段50的傳輸線。其長度對最終仿真結(jié)果的影響微乎其微。這里取12mm即可。第34頁/共52頁仿真結(jié)果 按照前述的步驟進行仿真，仿真結(jié)果是第35頁/共52頁仿真結(jié)果（續(xù)） 為了較精確地給出匹配的結(jié)果，我們將仿真頻率范圍設為2.9GHz到3.1GHz，步長精確到10MHz。 可見進行原理圖匹配后3.0GHz出S11已經(jīng)基本處于圓圖中心。此時天線阻抗為Z0*(1.052-j0.056)=52.6-j2.8，基本匹配到了50Ohm。 矩形至此微帶天線的設計基本上就完成了，下面具體介紹一下查看其它仿真結(jié)果的方

14、法。第36頁/共52頁2D輻射方向圖、天線增益和天線效率 在版圖窗口中選擇Momentum-Post-Processing-Radiation Pattern彈出下圖窗口。 在下拉列表中選擇頻率為3GHz，Visualization Type為2D Data Display。將前面仿真得出的天線阻抗的實部和虛部分別填入右邊對話框的相應區(qū)域。點擊Compute開始進行天線參數(shù)計算第37頁/共52頁2D輻射方向圖、天線增益和天線效率(續(xù)) 右圖所示為天線在不同極化方式下的二維方向圖以及天線的方向增益等參數(shù)。從右下的功率增益圖中可以看出天線的最大增益為7.39dB, 輻射效率達到89%以上。第38頁

15、/共52頁觀察遠區(qū)輻射方向圖 選擇Momentum-Post-Processing-Radiation Pattern。下拉列表中選擇頻率為3GHz，Visualization Type為3D Visualization。同樣填入端口阻抗參數(shù)后點擊Compute計算。 彈出窗口中選擇Current-Set Port Solution Weights對端口中輸入電流的頻率分量進行權(quán)重設置。這里設置頻率為3.0GHz的分量為1，其余的為0，點擊OK接收設置。第39頁/共52頁觀察遠區(qū)輻射方向圖(續(xù))第40頁/共52頁觀察遠區(qū)輻射方向圖(續(xù)) 選擇Far Field-Far Field Plot,

16、彈出對話框中選擇要plot的電場分量和顯示的區(qū)域 點擊OK后繪圖區(qū)就顯示出天線的3D輻射方向圖； 分別畫出E、E Theta、E Phi的遠區(qū)方向圖如下圖所示第41頁/共52頁觀察遠區(qū)輻射方向圖(續(xù))EE ThetaE Phi第42頁/共52頁觀察天線的2D截面方向圖vPlanar Cut又稱為垂直截面，如下圖，Phi是一定的，Theta從0-3600變化。這樣截取的平面是與Layout平面相垂直的。Conical Cut又稱為水平截面，它的Theta是確定的，而Phi是可以從0-3600變化。與Layout平面平行第43頁/共52頁觀察天線的2D截面方向圖(續(xù)) 選擇Far Field- C

17、ut 3D Far Field,以觀察垂直截面為例，分別觀察Phi=0度、30度、60度、90度時電場分量的2D截面方向圖。 當設定好一組截面方案后，點擊Apply，所設定的截面計劃就加入右邊的列表中，供后面畫圖時使用。通過拖動進度條或者點擊進度條兩端的箭頭按鈕來改變角度。注意由于這里我們選擇的是Phi Cut，因此對Theta值的設定是沒有意義的。第44頁/共52頁觀察天線的2D截面方向圖(續(xù))第45頁/共52頁觀察天線的2D截面方向圖(續(xù)) 選擇Windows-Tile，這樣原來的一個繪圖窗口便被分割成四個，以便我們同時對四個方向圖進行觀察。選中每個窗口，選擇Widows-Preferen

18、ces將窗口背景變成白色； 選擇Far Field-Plot Far Field Cut，在下圖所示彈出對話框中分別選擇截面方案和繪圖區(qū)，繪圖方式選擇極坐標Polar，將四種不同Phi值情況下的2D截面方向圖畫在四個繪圖區(qū)中，如后面的幾頁圖所示。第46頁/共52頁觀察天線的2D截面方向圖(續(xù))第47頁/共52頁觀察天線的2D截面方向圖(續(xù))Phi=30度Phi=60度Phi=90度Phi=0度第48頁/共52頁（七）設計小結(jié) 矩形微帶天線設計是微帶天線設計的基礎，然而作為一名新手，想熟練順利地掌握其設計方法與流程卻也有些路要走。 多仿照別人的例子操作，多自己動手親自設計，多看幫助文件。熟練掌握基礎知識和手中的設計工具是進入射頻與微波設計殿堂的不是捷徑的捷徑。第49頁/共52頁（七）設計小結(jié)（續(xù)） 一般來說，按照公式計算出來的矩形天線其反射系數(shù)都還會比較大的，在圓圖中反映出來