实验矩形微带天线的设计

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 • 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 -> S-parameter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50Ω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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