设计实验1微带贴片天线设计.ppt

设计实验1 微带贴片天线设计 （一）实验目的n了解微带天线设计的基本流程n掌握矩形微带天线的设计方法n熟悉在ADS的layout中进行射频电路设计的方法n掌握用ADS进行阻抗匹配的方法（二）设计要求nPCB板材质为Duriod5880（r2.2），厚度h0.762mm，设计一个工作频率为3GHz的矩形微带天线。n天线采用微带馈电方式，馈线阻抗为50Ohm（三）微带天线的技术指标n辐射方向图n天线增益和方向性系数n谐振频率处反射系数n天线效率（四）设计的总体思路n计算相关参数n在ADS的Layout中初次仿真n在Schematic中进行匹配n修改Layout，再次仿真，完成天线设计（五）相关参数的计算n需要进行计算的参数有n贴片宽度Wn贴片长度Ln馈电点为贴片中心n馈线的宽度（五）相关参数的计算（续）n贴片宽度W、贴片长度L可由教材上的经验公式计算得出nW=39.6mm；L=33.4mm；n50Ohm馈线的宽度可以用ADS自带的传输线计算工具计算得出（六）用ADS设计过程n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n下面详细介绍设计过程ADS软件的启动软件的启动n启动ADS进入如下界面创建新的工程文件n点击Create a new project创建一个新的工程，命名为Patch_antenna_prj；n在主窗口中选择File-New Design，在弹出新建窗口中选择在Layout窗口中新建一个设计，名称为antenna。Design Technology Files为ADS Standard，长度单位为mm；把Set as project default勾选上，这样以后这个工程中的每一个新的设计的长度单位都将默认为mm。n也可以通过点击主窗口上的按钮 来新建版图设计文件。然后选择Options-Prefernce-Layout Units来进行版图长度单位的设置创建新的版图设计文件介质层设置n在ADS的Layout中进行设计，介质层和金属层的设置很重要n在菜单栏里选择MomentumSubstrateCreate/Modify，在Substrate Layer标签里，保留FreeSpace和/GND/的设置不变，点击Alumina层，修改其设置如下图所示。这里修改介质名字只是为了直观，不修改对设计没有影响 介质层设置（续）金属层设置n金属层的设置要遵循一定的顺序：n1、点击Metallization Layers标签，在右边Layout Layer下拉框中选择cond；n2、在左边Substrate Layer栏中选中“-”后，点击左下角按钮“Strip”按钮，这将看到“-”变成“-Strip cond”，同时右边出现对金属层性质进行定义的对话框；n3、然后在右边的Model下拉列表中选择Sheet(No Expansion)，设置金属厚度为0.018um，Material下拉框中选择Conductor(Sigma)，参数设置如下页图。n4、点击OK接受所有设置。金属层设置（续）在Layout中制版n准备工作做好以后，下面就可以进行Layout中的作图了。n在Layout窗口中选择 ，将 cond设置为当前绘图层；n首先画天线的金属贴片。点击右上角按钮 ，然后选择菜单Insert-Coordinate Entry，弹出坐标输入对话框。根据前面计算出来的尺寸分别输入矩形贴片对角线上的两个点所对应的x、y坐标，注意输完一个点的坐标后点击一下Apply。全部输入完成后点击OK，按下鼠标右键选择End Command(或者按下Esc键)结束矩形绘图操作。n最后在贴片宽边中间加入长度为3cm的50Ohm馈线。这里先要计算馈线宽度。馈线宽度的计算n在ADS主窗口中点击 打开一个原理图窗口；n在原理图窗口中选择Tools-LineCalc-Start LineCalc，弹出传输线计算工具窗口(下页图)；n在LineCalc中选择Options-Preference将长度单位改为mm；n将介质参数以及工作频率 、传输线特性阻抗设置好 后，点击 开始计算。馈线宽度的计算(续)完整天线版图n根据计算结果，在矩形贴片宽边中间画一条长度为3mm的馈线；n然后给天线加上激励端口。首先点击右上方的按钮 ，这样操作的时候鼠标会自动对准边长的中点。然后点击 在馈线一端的中间加上激励端口。n这样整个天线的版图就完成了，如右图所示。仿真预设置n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。本例中设为3.5GHz。仿真预设置（续）进行仿真n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2.0GHz、4.0GHz，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 n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3GHz左右。只是中心频率处反射系数S11还比较大，因此要进行阻抗变换。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*（），其中Z0 为端口阻抗50Ohm。在原理图中进行匹配n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。n天线在3GHz下的输入阻抗是：Z0*（）=20.8j50.6，这可以等效为一个电阻和电容的串连。电容的电抗Xc=1/(w*C)，则由电抗大小可以得到相应的电容为C=1/(w*Xc)。这里w为中心角频率。匹配原理n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 nADS原理图中优化功能可以出色的完成这个任务 匹配过程n新建一个Schematic文件，分别在Lumped-Components、Tlines-Microstrip以及Simulation-S_Param中选择合适元件和仿真控件，绘出电路图如下所示。匹配过程（续）n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。n设置好MSub的值如右图所示。其中微带线的宽度为50Ohm微带线宽度，这里定义为变量w=2.32mm。匹配过程（续）n插入S参数优化器，一个Goal。其中Goal的参数设置如下：n这里dB（S（1，1）的最大值设为-70dB，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）n设置好OPTIM。n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。n优化次数可以选得大些。这里设为300。n其他的参数一般设为缺省即可。匹配过程（续）n优化电路图为：匹配过程（续）n点击仿真按钮，当CurrentEF0时，优化目标完成。把它update到原理图上（SimulateUpdate Opimization Values）。n选中优化控件OPTIM 1，点击 使其不再起作用。并对线长参数进行调整，保留两位小数。最终原理图如下：匹配过程（续）原理图中的仿真n点击按钮 进行仿真，结果如右图所示；n在中心频率f3GHz处,S(1,1)的幅值小于-64dB，可见已经达到相当理想的匹配修改Layoutn参照Schematic计算出来的结果，修改Layout图形如下：两点说明n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。n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12mm即可。仿真结果n按照前述的步骤进行仿真，仿真结果是仿真结果（续）n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。n可见进行原理图匹配后3.0GHz出S11已经基本处于圆图中心。此时天线阻抗为，基本匹配到了50Ohm。n矩形至此微带天线的设计基本上就完成了，下面具体介绍一下查看其它仿真结果的方法。2D辐射方向图、天线增益和天线效率n在版图窗口中选择Momentum-Post-Processing-Radiation Pattern弹出下图窗口。n在下拉列表中选择频率为3GHz，Visualization Type为2D Data Display。将前面仿真得出的天线阻抗的实部和虚部分别填入右边对话框的相应区域。点击Compute开始进行天线参数计算2D辐射方向图、天线增益和天线效率(续)n右图所示为天线在不同极化方式下的二维方向图以及天线的方向增益等参数。从右下的功率增益图中可以看出天线的最大增益为7.39dB,辐射效率达到89%以上。观察远区辐射方向图n选择Momentum-Post-Processing-Radiation Pattern。下拉列表中选择频率为3GHz，Visualization Type为3D Visualization。同样填入端口阻抗参数后点击Compute计算。n弹出窗口中选择Current-Set Port Solution Weights对端口中输入电流的频率分量进行权重设置。这里设置频率为3.0GHz的分量为1，其余的为0，点击OK接收设置。观察远区辐射方向图(续)观察远区辐射方向图(续)n选择Far Field-Far Field Plot,弹出对话框中选择要plot的电场分量和显示的区域 点击OK后绘图区就显示出天线的3D辐射方向图；n分别画出E、E Theta、E Phi的远区方向图如下图所示观察远区辐射方向图(续)EE ThetaE Phi观察天线的2D截面方向图vPlanar Cut又称为垂直截面，如下图，Phi是一定的，Theta从0-3600变化。这样截 取 的 平 面 是 与Layout平面相垂直的。Conical Cut又称为水平截面，它的Theta是确定的，而Phi是可以从0-3600变化。与Layout平面平行观察天线的2D截面方向图(续)n选择Far Field-Cut 3D Far Field,以观察垂直截面为例，分别观察Phi=0度、30度、60度、90度时电场分量的2D截面方向图。n当设定好一组截面方案后，点击Apply，所设定的截面计划就加入右边的列表中，供后面画图时使用。通过拖动进度条或者点击进度条两端的箭头按钮来改变角度。注意由于这里我们选择的是Phi Cut，因此对Theta值的设定是没有意义的。观察天线的2D截面方向图(续)观察天线的2D截面方向图(续)n选择Windows-Tile，这样原来的一个绘图窗口便被分割成四个，以便我们同时对四个方向图进行观察。选中每个窗口，选择Widows-Preferences将窗口背景变成白色；n选择Far Field-Plot Far Field Cut，在下图所示弹出对话框中分别选择截面方案和绘图区，绘图方式选择极坐标Polar，将四种不同Phi值情况下的2D截面方向图画在四个绘图区中，如后面的几页图所示。观察天线的2D截面方向图(续)观察天线的2D截面方向图(续)Phi=30度Phi=60度Phi=90度Phi=0度（七）设计小结n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。n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。熟练掌握基础知识和手中的设计工具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）n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。n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。（八）实验要求n要求大家按以下指标独立完成一个矩形微带天线的设计：n工作频率:12GHz；n介质介电常数：2.2；n基片厚度：0.762mm；n通过阻抗匹配使得12GHz时|S11|-15dB；n给出版图仿真结果：S11，天线2D增益图，辐射效率图、3D远区辐射方向图、2D辐射方向图。