實驗五微帶天線設(shè)計

1、 實驗五 微帶天線設(shè)計、仿真、制作與測試1 實驗?zāi)康?.了解描述天線性能的主要參數(shù)及天線類型2.了解微帶天線的輻射機理和設(shè)計方法3.掌握用ADS進行微帶天線優(yōu)化仿真的方法與步驟2 天線的基本原理1. 天線的輻射原理：將傳輸線中的高頻電磁能轉(zhuǎn)成為自由空間的電磁波將自由空間中的電磁波轉(zhuǎn)化為傳輸線中的高頻電磁能2. 電磁波輻射與場區(qū)的劃分 (a) 感應(yīng)近場 (b) 輻射近場 (c) 輻射遠場 天線實際使用區(qū)域為輻射遠場區(qū)3. 天線的分類從方向性分：有強方向性天線、弱方向性天線、定向天線、全向天線、針狀波束天線、扇形波束天線等。從極化特性分：有線極化天線、圓極化天線和橢圓極化天線。線極化天線又分為垂直

2、極化和水平極化天線。從頻帶特性分：有窄頻帶天線、寬頻帶天線和超寬頻帶天線。按天線上電流分布分: 有行波天線、駐波天線。按使用波段分類: 有長波、超長波天線、中波天線、短波天線、超短波天線和微波天線。按天線外形分類 : 有鞭狀天線、T形天線、形天線、V形天線、菱形天線、環(huán)天線、螺旋天線、波導(dǎo)口天線、波導(dǎo)縫隙天線、喇叭天線、反射面天線等。還有八木天線，對數(shù)周期天線、陣列天線。陣列天線又有直線陣天線、平面陣天線、附在某些載體表面的共形陣列天線等。4. 天線的技術(shù)指標（1）天線的方向性因子方向性因子歸一化方向性因子（2） E面和H面方向圖 工程上常采用通過最大輻射方向的兩個正交平面上的剖面圖來描述天線

3、的方向圖。這兩個相互正交的平面稱之為主面，對于線極化天線來說通常取為E面和H面。E面：指通過天線最大輻射方向并平行于電場矢量的平面。H面：指通過天線最大輻射方向并平行于磁場矢量的平面。（3）主瓣寬度 方向圖主瓣上兩個半功率點之間的夾角，記為20.5。又稱為半功率波束寬度或3dB波束寬度。一般情況下，天線的E面和H面方向圖的主瓣寬度不等，可分別記為20.5E和20.5H。可以描述天線波束在空間的覆蓋范圍，主瓣瓣寬越窄，則方向性越好，抗干擾能力越強。（4）天線方向性系數(shù)Pr：被測天線距離R處所接收到的功率密度,單位為W/m2;Pi：為全向性天線距離R處所接收到的功率密度, 單位為W/m2（5）天線

4、增益GPr：被測天線距離R處所接收到的功率密度,單位為W/m2;Pi：為全向性天線距離R處所接收到的功率密度, 單位為W /m2一個天線與對稱振子相比較的增益用“dBd”表示一個天線與各向同性輻射器相比較的增益用“dBi”表示（6） 輻射效率Pr為天線輻射出的功率；Pin為饋入天線的功率。天線增益、方向性系數(shù)和輻射效率的關(guān)系：（7）天線輸入阻抗（8）天線的極化無線電波在空間傳播時，其電場方向是按一定的規(guī)律而變化的，這種現(xiàn)象稱為無線電波的極化。無線電波的電場方向稱為電波的極化方向。如果電波的電場方向垂直于地面，我們就稱它為垂直極化波。如果電波的電場方向與地面平行，則稱它為水平極化波。天線輻射的電

5、磁場的電場方向就是天線的極化方向（9） 天線帶寬 有幾種不同的定義：一種是指天線增益下降三分貝時的頻帶寬度；一種是指在規(guī)定的駐波比下天線的工作頻帶寬度。在移動通信系統(tǒng)中是按后一種定義的，具體的說，就是當(dāng)天線的輸入駐波比1.4時，天線的工作帶寬。3 微帶天線1. 微帶天線優(yōu)點：體積小，重量輕，能與載體共形，用于便攜式無線電設(shè)備上制造成本低，易于批量生產(chǎn)天線的散射截面較小能得到單方向的寬瓣方向圖，最大輻射方向在平面的法線方向易于和微帶線路集成，便與饋電易于實現(xiàn)線極化和圓極化容易實現(xiàn)雙頻段、雙極化等多功能工作。2. 微波天線分析法：(1)傳輸線法(用于矩形貼片）設(shè)沿貼片寬度和基片厚度方向電場無變化；

6、天線的輻射由貼片四周與接地板間的窄縫形成；沿兩條W邊的磁流是同向的，故其輻射場在貼片法線方向(x軸)同相相加，呈最大值，且隨偏離此方向的角度的增大而減小，形成邊射方向圖。沿L邊的磁流都由反對稱的兩個部分構(gòu)成，它們在H面(xOz面)上各處的輻射互相抵消，在E面(xOy面)上各處，它們的場也都相消。在其它平面上這些磁流的輻射不會完全相消，但與沿兩條W邊的輻射相比，都相當(dāng)弱，成為交叉極化分量。由上可知，矩形微帶天線的輻射主要由沿兩條W邊的縫隙產(chǎn)生，該二邊稱為輻射邊。矩形微帶天線等效電路微帶天線尺寸參數(shù)設(shè)計惠勒（H.A.Wheeler）給出微帶線的特性阻抗Zc的計算公式如下w/h>1：w/h&l

7、t;1施奈德（M.V.Schneider）等效相對介電常數(shù)的一個簡單經(jīng)驗公式：縫隙兩端間有一輻射電導(dǎo)Gs：開路端縫隙的等效導(dǎo)納還有一電容部分。可用延伸長度l來表示：哈默斯塔德給出l的經(jīng)驗公式如下：矩形貼片天線的尺寸設(shè)計（2） 空腔理論模型(可用于各種規(guī)則貼片)基于薄微帶天線(h<<0)的假設(shè)，將微帶貼片與接地板之間的空間看成是四周為磁壁、上下為電壁的諧振空腔。微帶矩形天線a b h xyz天線輻射場由空腔四周的等效磁流來得出，天線輸入阻抗可根據(jù)空腔內(nèi)場和饋源邊界條件求得。由諧振腔理論可得如圖矩形天線頻率為: 取基模TM100(a>b)為工作模式時，m=1，n=0 考慮到微帶厚

8、度t 的影響，實際寬度取值為：3. 矩形微帶天線設(shè)計基本公式W>0 W0 4. 微帶天線圓極化技術(shù)單點饋電時, 將方形貼片對角切去一部分, 貼片內(nèi)部就會產(chǎn)生正交共振模, 選擇適當(dāng)?shù)馁N片所切部分面積大小,就會兩正交共振模相位相差90度, 從而實現(xiàn)圓極化輻射.將貼片或接地板開槽, 可實現(xiàn)雙（多）頻天線、展寬頻帶、產(chǎn)生正交共振模, 例：設(shè)計3GHz微帶天線，基板參數(shù)為er=2.2，h=0.762mm，cond=4.1e7，T=0.03mm，并用/4阻抗變換器實現(xiàn)與50饋線的匹配。（1） 計算各項參數(shù)：W=39.53mm, L=33.4mm, Rin=288（2）阻抗變換器的特性阻抗（3）計算w

9、1、l1和w2：w1=0.397879mm，l1=19.1087mm，w2=2.3055mm（4）用ADS仿真天線特性4 ADS仿真步驟：1. 新建一個工程，并命名Patch,長度單位為mm(1)打開新的Degisn，命名為patch_antenna或者在工程開始界面中選New Layout快捷按鈕選擇當(dāng)前的Layout層位cond層(2) 創(chuàng)建貼片模型單擊工具欄中的矩形工具 ，執(zhí)行菜單命令【Insert】à【Coordinate Entry】，在對話框中輸入矩形起始點（0，-19.75），單擊【Apply】按鈕，輸入矩形終點坐標 (33.4，19.75)，單擊【OK】按鈕，完成天線

10、貼片模型。類似上一步，完成阻抗變換傳輸線和50ohm傳輸線貼片的創(chuàng)建。（3）基板設(shè)置執(zhí)行菜單命令【Momentum】 à 【Substrate】 à 【Create/Modify】將”FreeSpace“重命名為“Air”；將介質(zhì)層 “Alumina”命名為“Sub”，如下設(shè)置參數(shù)。把Layout層映射到金屬層，也就是把Cond層粘貼到Sub介質(zhì)板上選擇“Layout Layer”標簽，在“Name”下拉列表中選擇貼片所在的Layout層cond，單擊【Strip】按鈕完成貼片的粘貼。設(shè)置金屬層參數(shù)，單擊【Apply】，然后單擊【 OK 】（4）添加端口執(zhí)行菜單命令【Ins

11、ert】à【Port 】 執(zhí)行菜單命令【Momentum】à【Port Edit】,選擇端口1，設(shè)置端口參數(shù)（5） S參數(shù)仿真執(zhí)行菜單命令【Momentum】 à 【Simulation】 à 【S-Parameters】，參數(shù)設(shè)置完成后，單擊“Update”按鈕，然后單擊“Simulate”按鈕，開始仿真中心頻率偏，3GHz時匹配不好>-10dB（6）優(yōu)化建一新的Layout設(shè)計文件，在Layout窗口中先只畫天線輻射貼片，并在其左邊中央設(shè)置端口，板材參數(shù)同前面所述。進行仿真。(注意：另存、只保留貼片、加端口à、仿真)坐標:（0，-19

12、.75)， (33.4，19.75) S11中心頻率在3.0GHz，但其性能較差！需要進行匹配電路設(shè)計3.0GHz的輸入阻抗為Zin=50*（7.535+j1.252）=(376.75+j62.6)Ohm，需設(shè)計一匹配網(wǎng)絡(luò)，使其與50Ohm特征阻抗傳輸線匹配。 在數(shù)據(jù)顯示窗口，執(zhí)行菜單命令【Tool 】 à【Data File Tool】，彈出“dftool/main Window”，導(dǎo)出Momentum仿真后的S1P數(shù)據(jù)文件。 新建原理圖“patch_matching”，在“Data Item”元件庫中輸入S1P，然后回車，在原理圖中添加一端口控件。雙擊S1P控件，導(dǎo)入之前導(dǎo)出的S

13、1P文件建立如下電路原理圖，添加變量l1、w設(shè)置優(yōu)化方式和優(yōu)化目標，進行優(yōu)化。生成版圖執(zhí)行菜單命令【Layout】 【Generate/Update Layout】在版圖窗口執(zhí)行菜單命令【Momentum】 【Substrate】【Update From Schematic】，將原理圖的基板和微帶參數(shù)更新到版圖中。選擇（TL1、TL2），Ctrl+c；打開前面仿真過的微帶貼片的Layout文件；Ctrl+v，將（TL1、TL2）復(fù)制到該文件。完成完整的微帶天線設(shè)計?；蛘甙凑招碌某叽缰匦略贚ayout文件中畫出相應(yīng)的微帶天線、阻抗變化線和50ohm的微帶線。版圖S參數(shù)仿真。執(zhí)行菜單命令【Mome

14、ntum】 à 【Simulation】 à 【S-Parameters】。參數(shù)設(shè)置完成后，單擊“Update”按鈕、然后單擊“Simulate”按鈕，開始仿真。中心頻率還是發(fā)生了偏移！改進方法：減少匹配線長度，減少貼片長度后處理：結(jié)果輸出執(zhí)行菜單命令【Momentum】 【Post-Processing】 【Radiation Pattern】設(shè)置完畢后單擊【compute】按鈕。觀看電流分布：選擇“Solution setup”頁，在里面選擇要查看電流的頻率；然后選擇“Plot properties”頁，選擇要觀看的電流的顯示方式，通過調(diào)節(jié)“Phase”，查看不同相位的

15、電流分布。增加對比度，可以選中“Log scale”?？梢赃x擇“Animate”觀看動畫。還可以這么做，原理圖優(yōu)化，然后生成版圖。五單機天線駐波和輸入阻抗的測量（1） 設(shè)置激勵參數(shù)（2） 進行測量校準（3） 進行測量，照相記錄波形接上單極天線平面接地板，接地板上的內(nèi)導(dǎo)體孔中分別插上粗細不同的單極天線，分別測試和記錄各個天線的輸入阻抗、駐波和回波損耗。記錄21個頻點；計算中心頻率(分別用輸入阻抗、駐波及3dB帶寬確定)；畫出駐波曲線。天線參數(shù)測量記錄表頻率/MHz細天線駐波比/dB細天線對數(shù)幅度/dB粗天線駐波比/dB粗天線對數(shù)幅度/dB80030.756-0.56715.302-1.14283

16、029.236-0.59513.241-1.34186027.4500.62111.257-1.60689022.748-0.7757.902-2.26792015.982-1.0835.562-3.25695010.512-1.6213.812-4.8219807.162-2.3713.002-6.26310104.902-3.6822.281-8.29010403.251-5.5611.823-10.18710702.452-7.8891.638-11.90411001.756-11.1211.498-14.20111301.438-14.2501.442-14.80211601.402-

17、14.9021.451-14.52011901.518-13.6241.402-15.21812201.815-10.5981.517-13.92512502.078-9.2341.612-12.50312802.184-8.4121.602-12.72113102.565-7.3141.704-11.95613402.624-7.0311.675-12.30213702.988-6.1201.802-10.81214003.042-5.8821.761-10.79814303.468-5.1421.851-10.13414603.925-4.3921.952-9.582Smith圓圖：細天線

18、：1.101GHz 對應(yīng)87.6歐，1.25150Ghz對應(yīng)24.3歐粗天線：999.5MHz 對應(yīng)124.1歐，1.206Ghz對應(yīng)34.9歐細單極天線：Smith圓圖：駐波比：對數(shù)幅度粗單極天線：Smith圓圖：駐波比：對數(shù)幅度：六、練習(xí)題設(shè)計、制作一中心頻率為2.45GHz的微帶天線,天線采用50Ohm微帶線饋電，掃頻范圍：2.2GHz-2.7GHz。板材參數(shù)：H:基板厚度(1.5 mm)， Er:基板相對介電常數(shù)(2.65)Mur:磁導(dǎo)率(1)， Cond:金屬電導(dǎo)率(5.88E+7)Hu:封裝高度(1.0e+33 mm)， T:金屬層厚度(0.035 mm)TanD:損耗角正切(1e-4)， Roungh:表面粗糙度(0 mm)解：原理圖優(yōu)化結(jié)果及仿真圖 生成變換傳輸線版圖，再畫上貼片部分版圖版圖仿真結(jié)果如下圖：中心頻率還是發(fā)生了偏移，改進方法：減少匹配線長度，減少貼片長度后處理：結(jié)果輸出中心頻率設(shè)為2.45GHz，阻值設(shè)為50歐姆，七思考題1.天線工作在