微带天线设计与仿真.docx
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微带天线设计与仿真
实验4微带天线设计与仿真
实验目的：
1.了解矩形微带天线的技术指标和设计方法；
2.掌握在ADS的Layout中进行射频电路设计的方法。
实验内容：
4.1微带天线的基础知识
4.2矩形微带天线的设计与仿真
4.1微带天线的基础知识
1.微带天线简介
微带天线的概念是在1953年提出来的，但在近30年才逐步发展起来，是一种新型天线。
微带贴片天线：
在一个薄的介质板基材上，一面覆上金属薄层作为接地板，另一面采用蚀刻的办法做出各种形状的贴片，利用微带或同轴对贴片进行馈电。
微带缝隙天线：
在接地板上开各种各样的槽，通过微带线进行馈电。
微带天线一般应用在1～50GHz频率范围，特殊的天线也可用于几十兆赫。
和常用微波天线相比，有如下优点：
（1）体积小，重量轻，低剖面，能与载体（如飞行器）共形。
（2）电性能多样化。
不同设计的微带元，其最大辐射方向可以从边射到端射范围内调整；易于得到各种极化。
（3）易集成。
能和有源器件、电路集成为统一的组件。
2.微带天线的主要技术指标
●辐射方向图
●方向性系数和天线增益
●谐振频率处反射系数
●天线效率
●带宽
●极化特性
定义：
在相同的辐射功率下，某天线在空间某点产生的电场强度的平方与理想无方向性点源天线（该天线的方向图为一球面）在同一点产生的电场强度平方的比值。
通常取最大辐射方向上的方向性系数作为天线的方向性系数。
定义：
在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。
3.微带天线设计思路
1根据指标要求和基片参数计算相关参数，如贴片宽度、长度、馈电位置、馈线宽度等。
2在ADS的布局图窗口Layout中初次仿真。
3在原理图窗口Schematic中进行匹配。
4修改Layout，再次仿真，完成天线设计。
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。
当选用小于上式的宽度时辐射元的效率将降低，当选用大于上式的宽度时效率虽然提高，但是会产生高次模引起场的畸变。
微带线馈电时有一种方法，即中心馈电，在矩形辐射元一边的正中心处馈电，将特性阻抗为50欧姆的微带馈线连接在馈电位置处，制作成天线，而后测量天线的输入阻抗，然后根据输入阻抗设计出阻抗匹配变换器，最后在天线贴片元与馈线之间接入该阻抗匹配器，重新做成天线。
本实验在天线设计时选用的是这种方法。
相关参数计算结果
●w=21.52mm
●L=15.81mm
●50馈线宽度：
1.21mm，长度：
3mm
☐建立工程
☐初步仿真
☐匹配优化设计
☐版图仿真
7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，做如下图所示修改。
鉴于ADS在Layout中的Momentum仿真是很慢的，在允许的精度下，可以把“MeshFrequency”和“MeshDensityCells/Wavelength”设置得小一点。
10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，匹配不理想。
首先可以略微调整天线的长度使其中心频率在3.0GHz。
可尝试将贴片的高度由15.81mm调整为15.61mm。
调整后的仿真结果如下图所示。
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，可以在原理图Schmatic中进行匹配。
天线在3GHz下的输入阻抗是：
Z0*（0.212-j0.970）＝10.6-j48.5，这可以等效为一个10.6电阻和1.1pF电容的串联。
匹配原理：
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。
可利用ADS原理图中优化功能完成这个匹配任务。
电路图中TL1和TL2的L是待优化的参量，初值取10mm，优化范围是1mm到20mm。
频率设置为：
Star：
2.5GHzStop：
3.5GHz，Step–size:
0.05GHz
介质基片MSub的设置如下所示。
3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100，其他的参数一般设为缺省即可。
●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。
矩形微带天线的辐射方向图如下图所示。
从图中可看出：
该天线只在半个空间辐射，另外半个空间辐射性很弱。
2D辐射方向图如下图所示。
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