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000实验三矩形微带天线设计


实验 矩形微带天线的设计

(一)实验目的
了解微带天线设计的基本流程 掌握矩形微带天线的设计方法 熟悉在ADS的layout中进行射频电路设计 的方法

(二)设计要求
用陶瓷基片(εr=9.8),厚度h= 1.27mm,设计一个在3GHz附近工作的 矩形微带天线。 基片选择的理由是:陶瓷基片是比较常 用的介质基片

,其常用的厚度是h= 1.27mm,0.635mm,0.254mm。其中 1.27mm的基片有较高的天线效率,较宽 的带宽以及较高的增益。

(三)微带天线的技术指标
辐射方向图 天线增益和方向性系数 谐振频率处反射系数 天线效率

(四)设计的总体思路
计算相关参数 在ADS的Layout中初次仿真 在Schematic中进行匹配 修改Layout,再次仿真,完成天线设计

(五)相关参数的计算
需要进行计算的参数有
贴片宽度W 贴片长度L 馈电点的位置z 馈线的宽度

(五)相关参数的计算(续)
贴片宽度W、贴片长度L、馈电点的位置 z可由公式计算得出 馈线的宽度可以由Transmission Line Calculator 软件计算得出

(五)相关参数的计算(续)

(六)用ADS设计过程
有了上述的计算结果,就可以用ADS进 行矩形微带天线的设计了 下面详细介绍设计过程

ADS软件的启动 软件的启动
启动ADS进入如下界面

创建新的工程文件
进入ADS后,创建一个新的工程,命名 为rect_prj。打开一个新的layout文件, 首先设定度量单位。在ADS中,度量单 位的缺省值为mil,把它改为mm。方法 是:单击鼠标右键->Preferences…- >Layout Units ,如下图所示

设定度量单位

介质层设置
在ADS的Layout中进行设计,介质层和金 属层的设置很重要 在菜单栏里选择Momentum- >Substrate->Create/Modify…, 在 Substrate Layer标签里,保留FreeSpace 和////GND////的设置不变,点击Alumina 层,修改其设置为:

介质层设置(续)

金属层设置
点击Metallization Layers标签,在Layout Layer下拉框中选择cond,然后在右边的 Definition下拉框中选择Sigma(Re, thickness),参数设置如下页图。 然后在Substrate Layer栏中选择“------” 后,点击“Strip”按钮,这将看到“-----Strip cond”。一切完成后,点击OK。

金属层设置(续)

在Layout中制版
准备工作做好以后,下面就可以进行 Layout中的作图了。 先选定当前层为v cond,再按照前面计 算出来的尺寸作图。 最后在馈线端加入端口

在Layout中制版(续)

仿真预设置
在进行layout仿真之前,先要进行预设置。 在菜单栏选择Momentum ->Mesh>Setup,选择Global标签。 鉴于ADS在 Layout中的Momentum仿真是很慢的, 在允许的精度下,可以把“Mesh Frequency”和 “Number of Cells per Wavelength” 设置得小一点

仿真预设置(续)

进行仿真
点击Momentum -> Simulation -> Sparameter弹出仿真设置窗口,该窗口右 侧的Sweep Type选择Linear, Start、 Stop分别选为2.5GHz、3.5GHz, Frequency Step选为0.05GHz。Update后, 点击Simulation按钮。

仿真结果

对仿真结果的探讨
由上图可见,理论上的计算结果与实际 的符合还是相当不错的,中心频率大约 在2.95GHz左右。只是中心频率处反射系 数S11还比较大,从而匹配不理想,在 3GHz处,m1距离圆图上的坐标原点还有 相当的距离。在3GHz下的输入阻抗是: Z0*(0.103-j0.442)=5.15-j22.1

总体的2D辐射方向图

在原理图中进行匹配
为了进一步减小反射系数,达到较理想 的匹配,并且使中心频率更加精确,可 以在Schmatic中进行匹配。 天线在3GHz下的输入阻抗是:Z0* (0.103-j0.442)=5.15-j22.1,这可以 等效为一个电阻和电容的串连。

匹配原理
匹配的原理是:串联一根50欧姆传输线, 使得S11参数在等反射系数圆上旋转,到 达g=1的等g圆上,然后再并联一根50欧 姆传输线,将S11参数转移到接近0处。 所需要计算的就是串连传输线和并联传 输线的长度 ADS原理图中优化功能可以出色的完成 这个任务

匹配过程
新建一个Schematic文件,绘出如下的电路图:

匹配过程(续)
其中TL1和TL2的L是 待优化的参量,初值 取10mm,优化范围 是1mm到20mm。 设置好MSub的值

匹配过程(续)
插入S参数优化器,一个 Goal。其中Goal的参数 设置如下: 这里dB(S(1,1)) 的最大值设为-50dB,是 因为在Schematic中的仿 真要比在Layout中的仿 真理想得多,所以要求 设置得比较高,以期在 Layout中有较好的表现。

匹配过程(续)
设置好OPTIM。
常用的优化方法有Random(随机)、 Gradient(梯度)等。随机法通常用于大范围 搜索,梯度法则用于局部收敛。这里选择 Random。 优化次数可以选得大些。这里设为300。 其他的参数一般设为缺省即可。

匹配过程(续)
优化电路 图为:

匹配过程(续)
点击仿真按钮,当CurrentEF=0时,优 化目标完成。把它update到原理图上 (Simulate->Update Opimization Values)。 Deactivate优化器。最终原理图如下:

匹配过程(续)

原理图中的仿真
点击仿真 按钮,可 以看到仿 真结果为:

原理图中的仿真(续)
放置Marker可以得到更详细的数据 在中心频率f=3GHz处,S(1,1)的幅值是 5.539E-4,可见已经达到相当理想的匹 配。

修改Layout
参照Schematic计算出来的结果,修改Layout图形如下

两点说明
由于这里是手工布板,而不是由 Schematic自动生成的,传输线的长度可 能需要稍作调整(但不超过1mm)。注意 要把原先的3mm馈线长度也算进去。 为了方便输入,在电路的左端加了一段 50 的传输线。其长度对最终仿真结果的 影响微乎其微。这里取1mm。

仿真结果
按照前述的步骤进行仿真,仿真结果是

仿真结果(续)
为了较精确地给出匹配的结果,我们将 仿真频率范围设为2.9GHz到3.1GHz,步 长精确到10MHz。 可见进行原理图匹配的结果是十分理想 的。 下面具体给出一些仿真结果。

总体的2D辐射方向图

天线增益和方向性系数

天线效率

(七)设计小结
矩形微带天线设计是微带天线设计的基础,然 而作为一名新手,想熟练顺利地掌握其设计方 法与流程却也有些路要走。 多仿照别人的例子操作,多自己动手亲自设计, 多看帮助文件,是进入射频与微波设计殿堂的 不是捷径的捷径。

(七)设计小结(续)
一般来说,按照公式计算出来的矩形天线其反 射系数都还会比较大的,在圆图中反映出来的 匹配结果也不是很理想。这也许是由一些公式 的近似导致的,但这也使电路匹配成为设计工 作必不可少的一环。 在用Schematic进行天线的匹配时,以S11为目 标利用仿真优化器来求所需传输线长度的方法 , 是一种省时省力有效的方法。

Thank you!
fugw 2003. 6


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