实验矩形微带天线设计幻灯片.ppt

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1、实验矩形微带天线设计第1页，共45页，编辑于2022年，星期五（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第2页，共45页，编辑于2022年，星期五（二）设计要求n用陶瓷基片（r9.8），厚度h1.27mm，设计一个在3GHz附近工作的矩形微带天线。n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h1.27mm，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。第3页，共45页，编辑于2022年，星期五（三）微带天线的技术指标n辐射方向图n天线增益和方向

2、性系数n谐振频率处反射系数n天线效率第4页，共45页，编辑于2022年，星期五（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，完成天线设计第5页，共45页，编辑于2022年，星期五（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馈电点的位置zn馈线的宽度第6页，共45页，编辑于2022年，星期五（五）相关参数的计算（续）n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n馈线的宽度可以由Transmission Line Calculator 软件计算得出第7页，共45页，编辑于2022

3、年，星期五（五）相关参数的计算（续）第8页，共45页，编辑于2022年，星期五（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第9页，共45页，编辑于2022年，星期五ADS软件的启动软件的启动n启动ADS进入如下界面第10页，共45页，编辑于2022年，星期五创建新的工程文件n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PreferencesLayout Units，如下图所示第11页，共45页，编辑于20

4、22年，星期五设定度量单位第12页，共45页，编辑于2022年，星期五介质层设置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，修改其设置为：第13页，共45页，编辑于2022年，星期五介质层设置（续）第14页，共45页，编辑于2022年，星期五金属层设置n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

5、Sigma（Re，thickness），参数设置如下页图。n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。第15页，共45页，编辑于2022年，星期五金属层设置（续）第16页，共45页，编辑于2022年，星期五在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先选定当前层为v cond，再按照前面计算出来的尺寸作图。n最后在馈线端加入端口第17页，共45页，编辑于2022年，星期五在Layout中制版（续）第18页，共45页，编辑于2022年，星期五仿真预设置n在进行layo

6、ut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”设置得小一点第19页，共45页，编辑于2022年，星期五仿真预设置（续）第20页，共45页，编辑于2022年，星期五进行仿真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2.5GHz、3.5GHz，F

7、requency Step选为0.05GHz。Update后，点击Simulation按钮。第21页，共45页，编辑于2022年，星期五仿真结果第22页，共45页，编辑于2022年，星期五对仿真结果的探讨 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）5.15j22.1 第23页，共45页，编辑于2022年，星期五总体的2D辐射方向图第24页，共45页，编辑于2022年，星期五在原理

8、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*（0.103-j0.442）5.15j22.1，这可以等效为一个电阻和电容的串连。第25页，共45页，编辑于2022年，星期五匹配原理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 第26页，共45页，编辑于2022年，星期五匹配过程n新建一个S

9、chematic文件，绘出如下的电路图：第27页，共45页，编辑于2022年，星期五匹配过程（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的值第28页，共45页，编辑于2022年，星期五匹配过程（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-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。第29页，共45页，编辑于2022年，星期五匹配过程（续）n设置好OPTIM。n常用的优化方法有Rand

10、om(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。第30页，共45页，编辑于2022年，星期五匹配过程（续）n优化电路图为：第31页，共45页，编辑于2022年，星期五匹配过程（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）。nDeactivate优化器。最终原理图如下：第32页，共45页，编辑于2022年，星期五匹配过程（续）第33页，共45页，编辑于2

11、022年，星期五原理图中的仿真n点击仿真按钮，可以看到仿真结果为：第34页，共45页，编辑于2022年，星期五原理图中的仿真（续）n放置Marker可以得到更详细的数据n在中心频率f3GHz处，S(1,1)的幅值是5.539E-4，可见已经达到相当理想的匹配。第35页，共45页，编辑于2022年，星期五修改Layoutn参照Schematic计算出来的结果，修改Layout图形如下第36页，共45页，编辑于2022年，星期五两点说明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

12、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。第37页，共45页，编辑于2022年，星期五仿真结果n按照前述的步骤进行仿真，仿真结果是第38页，共45页，编辑于2022年，星期五仿真结果（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的结果是十分理想的。n下面具体给出一些仿真结果。第39页，共45页，编辑于2022年，星期五总体的2D辐射方向图 第40页，共45页，编辑于2022年，星期五天线增益和方向性系数 第41页，共45页，编辑于2022年，星期五天线效率第42页，共45页

13、，编辑于2022年，星期五（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，是进入射频与微波设计殿堂的不是捷径的捷径。第43页，共45页，编辑于2022年，星期五（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。第44页，共45页，编辑于2022年，星期五Thank you！fugw 2003.6第45页，共45页，编辑于2022年，星期五