設(shè)計實驗1微帶貼片天線設(shè)計課件

設(shè)計實驗1

微帶貼片天線設(shè)計

（一）實驗?zāi)康牧私馕炀€設(shè)計的基本流程掌握矩形微帶天線的設(shè)計方法熟悉在ADS的layout中進(jìn)行射頻電路設(shè)計的方法掌握用ADS進(jìn)行阻抗匹配的方法（二）設(shè)計要求PCB板材質(zhì)為Duriod5880（εr＝2.2），厚度h＝0.762mm，設(shè)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（四）設(shè)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(jìn)行匹配修改Layout，再次仿真，完成天線設(shè)計（五）相關(guān)參數(shù)的計算需要進(jìn)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（五）相關(guān)參數(shù)的計算（續(xù)）貼片寬度W、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ADS軟件的啟動啟動ADS進(jìn)入如下界面創(chuàng)建新的工程文件點擊Createanewproject創(chuàng)建一個新的工程，命名為Patch_antenna_prj；在主窗口中選擇File->NewDesign，在彈出新建窗口中選擇在Layout窗口中新建一個設(shè)計，名稱為antenna。DesignTechnologyFiles為ADSStandard，長度單位為mm；把Setasprojectdefault勾選上，這樣以后這個工程中的每一個新的設(shè)計的長度單位都將默認(rèn)為mm。也可以通過點擊主窗口上的按鈕來新建版圖設(shè)計文件。然后選擇Options->Prefernce->LayoutUnits來進(jìn)行版圖長度單位的設(shè)置創(chuàng)建新的版圖設(shè)計文件介質(zhì)層設(shè)置（續(xù)）金屬層設(shè)置金屬層的設(shè)置要遵循一定的順序：1、點擊MetallizationLayers標(biāo)簽，在右邊LayoutLayer下拉框中選擇cond；2、在左邊SubstrateLayer欄中選中“------”后，點擊左下角按鈕“Strip”按鈕，這將看到“------”變成“------Stripcond”，同時右邊出現(xiàn)對金屬層性質(zhì)進(jìn)行定義的對話框；3、然后在右邊的Model下拉列表中選擇Sheet(NoExpansion)，設(shè)置金屬厚度為0.018um，Material下拉框中選擇Conductor(Sigma)，參數(shù)設(shè)置如下頁圖。4、點擊OK接受所有設(shè)置。金屬層設(shè)置（續(xù)）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->StartLineCalc，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(shè)置好后，點擊開始計算。饋線寬度的計算(續(xù))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(biāo)會自動對準(zhǔn)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。仿真預(yù)設(shè)置（續(xù)）進(jìn)行仿真點擊Momentum->Simulation->S-parameter彈出仿真設(shè)置窗口，該窗口右側(cè)的SweepType選擇Linear，Start、Stop分別選為2.0GHz、4.0GHz，F(xiàn)requencyStep選為0.05GHz。Update后，點擊Simulation按鈕。仿真結(jié)果在原理圖中進(jìn)行匹配為了進(jìn)一步減小反射系數(shù)，達(dá)到較理想的匹配，并且使中心頻率更加精確，可以在Schmatic中進(jìn)行匹配。天線在3GHz下的輸入阻抗是：Z0*（0.416-j1.012）=20.8－j50.6，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(yīng)的電容為C=1/(w*Xc)。這里w為中心角頻率。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(dá)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(wù)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。匹配過程（續(xù)）插入S參數(shù)優(yōu)化器，一個Goal。其中Goal的參數(shù)設(shè)置如下：這里dB（S（1，1））的最大值設(shè)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(shè)置得比較高，以期在Layout中有較好的表現(xiàn)。匹配過程（續(xù)）設(shè)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(shè)為300。其他的參數(shù)一般設(shè)為缺省即可。匹配過程（續(xù)）優(yōu)化電路圖為：匹配過程（續(xù)）點擊仿真按鈕，當(dāng)CurrentEF＝0時，優(yōu)化目標(biāo)完成。把它update到原理圖上（Simulate－>UpdateOpimizationValues）。選中優(yōu)化控件OPTIM1，點擊使其不再起作用。并對線長參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，保留兩位小數(shù)。最終原理圖如下：匹配過程（續(xù)）原理圖中的仿真點擊按鈕進(jìn)行仿真，結(jié)果如右圖所示；在中心頻率f＝3GHz處,S(1,1)的幅值小于-64dB，可見已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)理想的匹配修改Layout參照Schematic計算出來的結(jié)果，修改Layout圖形如下：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作調(diào)整(但不超過1mm)。注意要把原先的3mm饋線長度也算進(jìn)去。為了方便輸入，在電路的左端加了一段50Ω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1～2mm即可。仿真結(jié)果按照前述的步驟進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果是仿真結(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(shè)為2.9GHz到3.1GHz，步長精確到10MHz。可見進(jìn)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(shè)計基本上就完成了，下面具體介紹一下查看其它仿真結(jié)果的方法。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->RadiationPattern彈出下圖窗口。在下拉列表中選擇頻率為3GHz，VisualizationType為2DDataDisplay。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(yīng)區(qū)域。點擊Compute開始進(jìn)行天線參數(shù)計算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(dá)到89%以上。觀察遠(yuǎn)區(qū)輻射方向圖選擇Momentum->Post-Processing->RadiationPattern。下拉列表中選擇頻率為3GHz，VisualizationType為3DVisualization。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->SetPortSolutionWeights對端口中輸入電流的頻率分量進(jìn)行權(quán)重設(shè)置。這里設(shè)置頻率為3.0GHz的分量為1，其余的為0，點擊OK接收設(shè)置。觀察遠(yuǎn)區(qū)輻射方向圖(續(xù))觀察遠(yuǎn)區(qū)輻射方向圖(續(xù))選擇FarField->FarFieldPlot,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、ETheta、EPhi的遠(yuǎn)區(qū)方向圖如下圖所示觀察遠(yuǎn)區(qū)輻射方向圖(續(xù))EEThetaEPhi觀察天線的2D截面方向圖PlanarCut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。ConicalCut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平面平行觀察天線的2D截面方向圖(續(xù))選擇FarField->Cut3DFarField,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(dāng)設(shè)定好一組截面方案后，點擊Apply，所設(shè)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(jìn)度條或者點擊進(jìn)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PhiCut，因此對Theta值的設(shè)定是沒有意義的。觀察天線的2D截面方向圖(續(xù))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(jìn)行觀察。選中每個窗口，選擇Widows->Preferences將窗口背景變成白色；選擇FarField->PlotFarFieldCut，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(biāo)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。觀察天線的2D截面方向圖(續(xù))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（七）設(shè)計小結(jié)矩形微帶天線設(shè)計是微帶天線設(shè)計的基礎(chǔ)，然而作為一名新手，想熟練順利地掌握其設(shè)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(shè)計，多看幫助文件。熟練掌握基礎(chǔ)知識和手中的設(shè)計工具是進(jìn)入射頻與微波設(shè)計殿堂的不是捷徑的捷徑。（七）設(shè)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，在圓圖中反映出來的匹配結(jié)果也不是很理想。這也許是由一些公式的近似導(dǎo)致的，但這也使電路匹配成為設(shè)