ADS设计缝隙天线1.docx

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ADS设计缝隙天线1

课程设计说明书

题目：

基于ADS的微带缝隙天线的仿真设计

学院（系）：

年级专业：

学号：

学生姓名：

指导教师：

教师职称：

燕山大学课程设计（论文）任务书

院（系）：

基层教学单位：

学号

学生姓名

专业（班级）

设计题目

基于ADS的微带缝隙天线的仿真设计

设计技术参数

计

技

术参数

微带缝隙天线的中心频率工作为900MHz

相对带宽为B=15％

介质板厚度h=1.6mm

损耗角正切tanδ=0.0018

介电常数为Er=2.3

设计要求

1.了解微带天线设计的基本流程，掌握微带缝隙天线的设计方法

2.掌握ADSMomentum在缝隙天线设计中的使用方法。

工作量

两周工作日左右

每个工作日四到六小时

工作计划

2011/11/20-2011/11/23选定课题并查阅相关资料

2011/11/24-2011/11/26设计课题步骤并上机实践

2011/11/27-2011/11/30整理数据，完成分析

2011/12/01-2011/12/03撰写课程设计任务书

参考资料

1.徐兴福.ADS2008射频电路设计与仿真实例.电子工业出版社.2009

2.陈艳华李朝晖夏玮.ADS应用详解——射频电路设计与仿真.人民邮电出版社,2008.9

3.黄玉兰.ADS射频电路设计基础与典型应用.人民邮电出版社，2010.1

4.[美]ReinholdLudwing著.射频电路设计——理论与应用.电子工业出版社，2003.5

指导教师签字

基层教学单位主任签字

说明：

此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。

年月日

基于ADS的微带缝隙天线的仿真设计

ADSbaseddesignandSimulationofmicrostripslotantenna

摘要：

随着新时代高新技术的发展，微带天线已经受到越来越多的关注。

它一般应用在1～50GHz频率范围，特殊的天线也可用于几十兆赫，但和常用微波天线相比其体积小，重量轻，低剖面，能与载体（如飞行器）共形，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；易于得到各种极化易集成。

能和有源器件、电路集成为统一的组件等优点更多的得到社会的青睐。

本文主要介绍了微带缝隙天线的分类，仿真，及分析。

Abstract：

Asthenewera,thedevelopmentofnewandhightechnology,themicrostripantennahasbeenmoreandmoreattention.Itisgenerallyappliedinthefrequencyrangeof1~50GHz,aspecialantennacanalsobeusedforafewtensofmegahertz,butcommonlyusedmicrowaveantennacomparedtoitssmallsize,lightweight,lowprofile,withthecarrier（suchasaircraft）conformal,electricperformancediversification.Differentdesignofmicrostripelement,thedirectionofmaximumradiationfromthebroadsidetoendfirerangeadjustment;easytogetvariouspolarizationeasyintegration.Energyandactivedevices,circuitsintoaunifiedcomponenthastheadvantagesofmorepeopleofallages.Thispapermainlyintroducestheclassificationofmicrostripslotantenna,simulation,andanalysis.

关键词：

ADS微带缝隙天线S参量仿真设计

Keywords：

ADSMicrostripSlotAntennaSparametersSimulationdesign

序言：

　微带天线是近30年来逐渐发展起来的一类新型天线。

早在1953年就提出了微带天线的概念，但并未引起工程界的重视。

在50年代和60年代只有一些零星的研究，真正的发展和使用是在70年代。

常用的一类微带天线是在一个薄介质基（如乙烯玻璃纤维压层）上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀等方法作出一定形状的金属贴片，利用微带线和轴线探针对贴片馈电，这就构成了微带天线。

当贴片是一面积单元时，称它为微带天线；若贴片是一细长带条则称其为微带阵子天线。

另一类微带天线是微带缝隙天线。

它是把上述接地板刻出窗口即缝隙，而在介质基片的另一面印刷出微带线对缝隙馈电。

按结构特征把微带天线分为两大类，即微带贴片天线和微带缝隙天线；按形状分类，可分为矩形、圆形、环形微带天线等。

按工作原理分类，无论那一种天线都可分成谐振型（驻波型）和非揩振型（行波型）微带天线。

前一类天线有特定的谐振尺寸，一般只能工作在谐振频率附近；而后一类天线无谐振尺寸的限制，它的末端要加匹配负载以保证传输行波。

但随着无线通信技术的不断发展，传统的设计方法已经不能满足射频电路和系统设计的需要，使用射频EDA软件工具进行射频电路设计已经成为必然趋势。

目前，射频领域主要的EDA工具首推的是Agilent公司的ADS。

ADS是在HPEESOF系列EDA软件基础上发展完善起来的大型综合设计软件。

由于其功能强大，仿真手段和方法多样化，基本上能满足现在射频电路设计的需要，已经得到国内射频同行的认可，成为现今射频电路和系统设计研发过程中最常用的辅助设计工具。

正文

一.天线基础

天线的性能直接影响着整个无线通信的性能，一般来说，表征天线性能的主要参数有方向特性、增益、输入阻抗、驻波比、极化特性等。

1.1天线的极化方式

所谓天线的极化，就是指天线辐射时形成的电场强度方向。

当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波。

由于电波的特性，决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减，而垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。

在通信领域还经常应用到极化分集，将两个极化正交的天线用来同时接受同一个信号，产生极化分集增益。

若电场矢量具有两个不同幅度且相位相互正交的分量，则在空间某定点上合成的电场矢量的方向将以场的频率旋转，其电场矢量端点的轨迹为椭圆，而随着波的传播，电场矢量在空间的轨迹为一条椭圆螺旋线，这种波称为椭圆极化波。

若电场矢量具有两个相同幅度且相位相互正交的分量，则空间某定点上合成的电场矢量的方向将以场的频率旋转，其电场矢量端点的轨迹为圆，此时称为圆极化波。

1.2天线的增益

天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它是选择基站天线最重要的参数之一。

一般来说，增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。

天线增益对移动通信系统的运行质量极为重要，因为它决定蜂窝边缘的信号电平。

增加增益就可以在一确定方向上增大网络的覆盖范围，或者在确定范围内增大增益余量。

任何蜂窝系统都是一个双向过程，增加天线的增益能同时减少双向系统增益预算余量。

另外，表征天线增益的参数有dBd和dBi。

DBi是相对于点源天线的增益，在各方向的辐射是均匀的；dBd相对于对称阵子天线的增益dBi=dBd+2.15。

相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。

一般地，GSM定向基站的天线增益为18dBi，全向的为11dBi。

1.3天线的阻抗

天线的输入阻抗：

是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。

天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。

天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。

匹配的优劣一般用四个参数来衡量即反射系数，行波系数，驻波比和回波损耗，四个参数之间有固定的数值关系，使用那一个纯出于习惯。

在我们日常维护中，用的较多的是驻波比和回波损耗。

一般移动通信天线的输入阻抗为50Ohm或75Ohm。

驻波比：

它是行波系数的倒数，其值在1到无穷大之间。

驻波比为1，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。

在移动通信系统中，一般要求驻波比小于1.5，但实际应用中VSWR应小于1.2。

过大的驻波比会减小基站的覆盖并造成系统内干扰加大，影响基站的服务性能。

回波损耗：

它是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。

回波损耗的值在0dB的到无穷大之间，回波损耗越大表示匹配越差，回波损耗越大表示匹配越好。

0表示全反射，无穷大表示完全匹配。

在移动通信系统中，一般要求回波损耗大于14dB。

1.4天线的波瓣宽度

波瓣宽度是定向天线常用的一个很重要的参数，它是指天线的辐射图中低于峰值3dB处所成夹角的宽度（天线的辐射图是度量天线各个方向收发信号能力的一个指标，通常以图形方式表示为功率强度与夹角的关系）。

天线垂直的波瓣宽度一般与该天线所对应方向上的覆盖半径有关。

因此，在一定范围内通过对天线垂直度（俯仰角）的调节，可以达到改善小区覆盖质量的目的，这也是我们在网络优化中经常采用的一种手段。

主要涉及两个方面水平波瓣宽度和垂直平面波瓣宽度。

水平平面的半功率角（H－PlaneHalfPowerbeamwidth）45°,60°,90°等）定义了天线水平平面的波束宽度。

角度越大,在扇区交界处的覆盖越好，但当提高天线倾角时，也越容易发生波束畸变,形成越区覆盖。

角度越小，在扇区交界处覆盖越差。

提高天线倾角可以在移动程度上改善扇区交界处的覆盖，而且相对而言，不容易产生对其他小区的越区覆盖。

二．关于ADS：

1．ADS简介

先进设计系统（AdvancedDesignSystem），简称ADS，是安捷伦科技有限公司（Agilent）为适应竞争形势，为了高效的进行产品研发生产，而设计开发的一款EDA软件。

软件迅速成为工业设计领域EDA软件的佼佼者，因其强大的功能、丰富的模板支持和高效准确的仿真能力（尤其在射频微波领域），而得到了广大IC设计工作者的支持。

ADS是高频设计的工业领袖。

ADS支持射频和系统设计工程师开发所有类型的RF设计，从简单到复杂，从离散的射频/微波模块到用于通信和航天/国防的集成MMIC，是当今国内各大学和研究所使用最多的微波/射频电路和通信系统仿真软件软件。

2．ADS软件的的基本工作原理及应用

ADS软件集成了四大仿真平台:

模拟/射频仿真平台、数字信号处理仿真平台、Momentum电磁仿真平台和EMDS电磁仿真平台。

ADS主要操作窗口包括主窗口、原理图窗口、数据显示窗口和Momentum/Layout窗口等，每个设计窗口又主要包括菜单栏、工具栏和元器件面板三大部分。

ADS的基本操作有原理图参数的设置、工程的相关操作、下载和安装DesignKit、搜索ADS中的范例和模板的使用。

主要仿真控制器包括直流（DC）仿真控制器、交流（AC）仿真控制器、S参数仿真控制器、谐波平衡（HB）仿真控制器、大信号S参数（LSSP）仿真控制器、增益压缩（XDB）仿真控制器、包络（Envelope）仿真控制器、和瞬态（Transient）仿真控制器。

从实际的工程技术参数入手，ADS在匹配电路设计、滤波器的设计、低噪声放大电路设计、功率放大器的设计、混频器设计、频率合成器的设计、功分器与定向耦合器的设计、射频控制电路设计、RFIC电路设计、TDR瞬态电路仿真、通信系统链路仿真、Momentum电磁仿真和微带天线仿真上具有很强的实用性。

三．微带缝隙天线的仿真

设计一个中心频率工作在700MHz的微带缝隙天线，相对带宽为15％的宽带缝隙天线。

介质板的介电常数为Er=2.3，损耗角正切tanδ=0.0018，介质板厚度h=1.6mm。

本例中的微带缝隙天线采用的是偏心双线馈电方式，这种馈电方式有利于扩展天线的带宽，天线的模型如图1所示。

图1偏心双线馈电的微带缝隙天线

1.新建工程

在开始菜单中选择“AdvancedDesignSystem2009→AdvancedDesignSystem”，在主窗口，通过点击下拉菜单“File→NewProject…”创建新项目，命名为“aperture_antenna”,并把单位选择成“millimeter”。

如图2，在该工程中新建一个layout文件，命名为“aperture”。

图2创建新工程对话框

3.设置Layout层

本例中需要用到两个Layout层，因此首先设置两个Layout层，分别命名为cond1和cond2。

其中，cond1是微带馈线所在的Layout层；cond2层是开缝的接地板所在的Layout层。

在Layout工作区单击鼠标右键，从弹出的的快捷菜单中单击【Layers】命令，弹出“LayerEditor”对话框，单击【Cut】按钮将默认的所有Layout层全部删除。

单击【New】按钮创建两个金属层cond1和cond2，同时为了观察方便，选择Layout中的图形以轮廓线方式显示，如图3所示。

图3Layout层设置窗口

4.创建接地板模型

（1）单击工具栏中的画矩形的工具

，执行菜单命令【Insert】→【CoordinateEntry】，在弹出的对话框中输入矩形接地板初始坐标值（0,0），单击【Apply】按钮，输入接地板的终点（220，145），单击【OK】按钮，如图所示。

双击已经创建好的接地板图形，弹出该图形的属性对话框，如图4所示，在下拉列表中选择Layout层“cond2”。

图4输入接地板坐标

（2）利用矩形或多边形绘图工具创建矩形的缝隙，输入缝隙的始末坐标（57，62）和（163，83.5）。

注意，这里缝隙不能和之前创建好的接地板的Layout层在同一层上。

双击创建好缝隙，在属性对话框中的层选项中选为“cond1”。

因为接下来将要使用BooleanLogical工具在接地板上剪出一个缝隙，而在运用BooleanLogical工具时要求两个做布尔代数的图形必须是在不同Layout层上，如图5所示是已经创建好的接地板和缝隙。

因为之前选择的是以轮廓线的方式显示图形，所以图5所示是以线条的形式显示的。

图5创建接地板和缝隙

（3）下面运用BooleanLogical工具来创建开缝隙的接地板。

按住【Ctrl】键，选择图所示中创建好的缝隙与接地板，执行菜单命令【Edit】→【BooleanLogical】，弹出“BooleanLogicalOperationBetweenLayers”对话框，如图6所示。

Cond2层的图形减去cond1层的图形，布尔减之后的图形选择cond2作为其Layout层。

做完布尔减之后的图形如图7所示。

如图8所示是将cond2层在层设置中改成实心显示后的图。

从图中可以清晰地看出，在接地板的中心剪出了一个缝隙。

图6布尔代数选项框

图7做完布尔减之后的接地板图8改为实心显示后的接地板

5.创建微带馈线模型

首先用ADS中的Linecacl工具计算50Ohm的线宽和100Ohm的线宽。

经过Linecacl计算，50Ohm的线宽为5.3mm，100Ohm的线宽为1.54mm。

按照图1所示的馈线尺寸，可以使用矩形工具或多边形工具，仿照前面方法创建微带馈线，如图9所示。

确保馈线的层属性为cond1,如果Layout层不是cond1，请按前面的方法在属性对话框中将其改为cond1。

图9微带缝隙天线模型

6.基板设置

执行菜单命令【Momentum】→【Substrate】→【Creat/Modify】,在弹出的对话框里设置基板的基本参数。

将介质板的厚度设置为1.6mm，介质板的介电常数设为2.3，损耗角正切设置为0.0018，如图10所示。

图10设置基板参数

7.Layout层映射

选择“LayoutLayers”标签页，按照图11所示，将cond1、cond2分别粘贴在介质板两面上，完成映射后，单击【OK】按钮。

图11Layout层映射

8.端口设置

（1）单击工具栏中的

图标，分别在cond1层及cond2层上添加一个端口。

注意：

端口所在的Layout层必须和其对应的物体在同一层上，如果端口要加在cond1层上，那么该端口的Layout层属性也要设置成cond1。

（2）执行菜单命令【Momentum】→【PortEditor】，然后回到Layout工作区，单击添加的端口，将Port1的类型设置成“Internal”，将Port2的类型设置成“GroundReference”。

9.S参数仿真设置

执行菜单命令【Momentum】→【Simulation】→【S-parameters】，弹出S参数仿真控制界面，在仿真控制界面上设置频率起始点如图12所示。

图12仿真控制窗口

单击【Simulate】按钮，进行S参数仿真。

电磁仿真需要的时间和天线的尺寸有很大的关系，天线越大，仿真需要的时间越长。

最终仿真的S参数如图13所示。

图13仿真后的S11性能

从图中可以看出，该天线的中心频率为900MHz，中心频率出的S11达到-22.5dB，带宽范围为834.4～982.6MHz，相对带宽达到15%。

工程上习惯看电压驻波比（VSWR）,因此需要在ADS中编辑VSWR公式，将S11性能转化为VSWR性能。

在数据显示窗口中，单击

图标，并将其拖曳到空白的工作区，将出现如图14所示的公式编译器，在公示栏中输入VSWR公式。

图14公式编译器

编辑完VAWR公式之后，单击【OK】按钮。

回到工具栏单击

图标，将其拖曳到空白的工作区，弹出如图15所示对话框。

最终的VSWR曲线如图16所示。

在射频领域需要把一些常用数值的转换记住，如回波损耗为10dB的对应着VSWR为2.0

图15“PlotTraces&Attributes”对话框

图16VSWR曲线

10.后处理（Post-processing）

执行菜单命令【Momentum】→【Post-processing】→【RadiationPattern】，在弹出的对话框中选择所需要考察的频率、可视方式、激励源幅度和相位、端口阻抗，单击【Compute】按钮进行运算，如图17所示。

图17方向图控制窗口

在右侧显示区中可以观察到天线的三维图及远场三维方向图，如图18所示。

图18f=900MHz的远场方向图

在“SolutionSetup”里面将频率选择为750MHz，并在画图属性对话框中选择电流显示方式为带箭头显示，电流幅度按照对数尺度显示，如图所示。

在右边的显示图像区域可以看到电流分布，如图19所示。

图19f=900MHz缝隙天线的电流分布

通常选取两个正交面来描述天线，这里将画出XOZ面和YOZ面的二维图。

执行菜单命令【Momentum】→【Post-processing】→【RadiationPattern】，在弹出的对话框中选择可视方式为2D方式。

选择“2DSettings”标签页，如图20所示，在图中设置XOZ面和YOZ面。

其中，XOZ面对应着切割角度为00，YOZ面对应着切割角度为900。

图20二维图设置

以XOZ面为例，单击【Compute】按钮，将弹出数据显示窗口，看到天线在这个面上的极化特性、功率特性等，如图28所示。

这里看一下该天线在XOZ面上的极化特性及增益情况，选择“Datadisplay”中的轴比图，如图28所示。

从图中可以看出，该天线在XOZ面上是线极化，轴比大于3dB就认为是线极化。

如图21所示为XOZ面上天线的方向性系数及增益。

从图中可以看出，在XOZ面上最大的增益为dB。

图21XOZ面上二维特性（f=900MHz）

11.优化设计

在使用ADS2009进行平面微带天线设计时，经常要用到优化工具来对天线进行优化。

通过设置优化变量及优化目标，可以得到需要的性能。

本节将使用ADS2009的优化工具将微带缝隙天线优化成中心频率为860MHz。

将偏心双馈电的两枝节之间的距离L设为变量，通过优化该变量来移动天线的中心频率。

执行菜单命令【File】→【SaveDesignAs】，将前面的微带缝隙天线的Layout

文件另外保存一份，并命名为“aperture_opt”。

执行菜单命令【Momentum】→【Component】→【Parameters】，弹出变量设置对话框，如图22所示。

图22设置变量参数

按照上图所示，设置好L的初始值及扰动值，单击下方的【Edit/Viewperturbation】按钮，将出现一个新的Layout界面，其名称为“aperture_op_L”，接下来需要让ADS软件识别变量L是指的哪个长度，在“Edit/Viewperturbation”对话框中Perturbation的类型有3中，它们扰动的方式是不一样的。

本例采用线性拉伸（Linearstretch）的扰动方式。

因为在图中已经设置了初始值mm，扰动值为mm，这就是说需要设置L在初始值的基础上增加mm来让软件识别变量L，那么可以分别设置左分支线向左扰动10mm，右分支线向右扰动10mm，这样就正好使得L在原初始值的范围上增加了20mm。

在Layout中按住【Ctrl】键选中左分支线的四个点，如图所示，同时在“Edit/Viewperturbation”对话框中设置detalX=10mm，detalY=0mm，单击【Apply】按钮，使得左分支线向左移动mm。

同样的方法可以使得右分支线向右移动mm。

在执行完右分支线向右移动mm的操作后，单击【OK】按钮，回到图所示的界面，单击【Add】按钮将变量L增加到左边空白的列表中。

执行菜单命令【Momentum】→【Creat/Update】，将弹出创建Layout原件的对话框，设置如图23所示。

单击【OK】按钮。

图23创建Layout元件

新建一个原理图文件，并命名为“opt_co_simulation”，单击图标，从元件库中选择“aperture_opt”元件，如图24所示，将该Layout元件拖曳至原理图中，并在原理图中加上S参数仿真控制控件及端口，如图25所示。

图24元器件中选择Layout元件

图25添加Layout元件后的原理图

在元件库列表中选择Optim/Stat/Yield/DOE，如图所示。

从中选择和两个控件，并将其拖曳至原理图中，最终原理图如图26所示。

图26最终原理图

设置优化变量的范围。

双击原理图中的Layout元件，在弹出的对话框中选择参数标签页，单击【OptimizationSetup】按钮，在弹出的对话框中“OptimizationStatus”选择为“Enabled”