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[分享]中文__矩形微带天线设计教程~

离线jdcjp

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0楼发表于: 2007-03-31 14:06:06

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 ..

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