基于ADS的微带天线的设计与仿真.doc
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基于ADS的微带天线的设计与仿真
ThedesignandsimulationofPIFAbasedonADS
王伟堃（WangWeikun）06250109
计算机与通信学院
本科生毕业设计说明书
基于ADS的微带天线的设计与仿真
作者：
王伟堃
学号：
06250109
专业：
通信工程
班级：
06级通信工程
（1）班
指导教师：
侯亮
答辩时间：
2010年6月15日
前言
平面倒F天线（PIFA,PlanarInvertedFAntenna）主要应用在手机终端中，由于其体积小、重量轻、成本低、性能好，符合当前无线终端对天线的要求，因而得到广泛的应用，进行了许多研究工作。
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可以模拟整个信号通路，完成从电路到系统的各级仿真。
它把广泛的经过验证的射频、混合信号和电磁设计工具集成到一个灵活的环境中，包括从原理图到PCB板图的各级仿真，当任何一级仿真结果不理想时，都可以回到原理图中重新进行优化，并进行再次仿真，直到仿真结果满意为止，保证了实际电路与仿真电路的一致性。
本设计通过ADS软件对微带天线进行设计，设计了平面倒F天线，即PIFA天线的设计以及利用Hilbert分型结构对天线小型化设计。
论文主要包括：
PIFA天线的介绍，ADS软件的使用，PIFA天线的设计以及仿真，优化及结果分析等内容。
论文结构安排如下：
第一章绪论；第二章FIFA天线原理及介绍；第三章ADS软件的使用；第四章PIFA天线的设计；第五章仿真优化及结果分析。
第一章介绍了本设计要解决的问题，提出了用ADS软件设计PIFA天线。
第二章详细介绍了PIFA天线的工作原理和Hilbert分型结构的原理。
第三章介绍本次设计主要用到的ADS相关的功能。
第四章详细的介绍了设计的全过程。
第五章就仿真结果及进一步优化做了详尽的分析。
由于水平有限，设计难免存在漏洞和缺陷，欢迎批评指正。
Ⅰ
摘要
平面倒F天线（PIFA,PlanarInvertedFAntenna）是一种常用的平面天线，平面倒F天线具有体积小，重量轻，低剖面，结构简单，易于加工制作等优点，因此被广泛应用于移动电话等移动通信终端设备上。
本设计通过ADS软件对PIFA天线进行仿真设计，尝试了一种PIFA天线设计方法。
在文中给出了清晰地设计的步骤，阐述了设计中微带天线参数的计算方法，结合设计方法给出了一个中心频率为2.4GHz，工作带宽不小于120MHz，增益大于1.5dB，输入阻抗接近50Ω,方向图接近全向或半全向，具有水平和垂直极化特性的微带天线的设计及利用Hilbert分型结构小型化天线的设计。
仿真结果的分析验证了此方法的正确性和可行性。
该方法利用ADS仿真软件进行微带天线的设计，可减少工作量，提高设计的准确性，降低设计成本，因而可使设计工作简单化，能够达到事半功倍的效果。
关键词：
微带；PIFA；Hilbert；ADS
Ⅱ
Abstract
PlanarinvertedFantenna（PIFA,PlanarInvertedFAntenna）isacommonplanarantenna.PlanarinvertedFantennahasthefeatureofsmall-volumed,lightweight,low-profile,andsimplestructureanditiseasytomanufacture,etc.Therefore,itiswidelyusedinmobilephonesandothermobilecommunicationterminaldevices.ThesimulationdesignpatterntothePIFAantennaisanewwaythatusedbytheADSsoftware.Thetextshowsaclearstepofthedesign,andelaboratethecaculatingmethodtothemicrostripantenna.Combinedwiththedesignmethod,themicrostripantenna,itscenterfrequencyis2.4GHz,andworkingbandwidthisnolessthan120MHz,andthegainislargerthan1.5dB,inputimpedancecloseto50Ω.ThedesignusesHilberttypingsmall-structureantennas.Directionpatternisclosetofullorhalf-full,whichalsohavehorizontalandverticalpolarization.Theanalysisofsimulationresultsshowsitscorrectnessandfeasibility.Themethodwillbeabletoadvanceinreducingtheworkload,improvingdesignaccuracy,reducingdesigncosts,soitcansimplifythedesignwork,andachieveabetterreffect.
Keywords：
microstrip；PIFA；Hilbert；AdvancedDesignSystem
Ⅲ
目录
第1章绪论 1
第2章平面倒F天线原理 2
2.1微带天线简介 2
2.1.1微带天的结构 2
2.1.2微带天线的分类 3
2.1.3微带天线的馈电方法 3
2.1.4徽带天线的优缺点 3
2.1.5微带天线的应用 4
2.2分形理论简介 4
2.2.1分形的定义 4
2.2.2分形维数 5
2.3倒F原理及结构分析 8
2.4Hilbert分形结构分析 9
第3章ADS软件的使用 12
3.1ADS软件简介 12
3.2ADS的使用 13
3.2.1微带线计算器LineCalc 13
3.2.2版图仿真工具Momentum 13
第4章设计说明 15
4.1天线结构设计与分析 15
4.2相关参数的计算 15
4.3天线设计 16
4.3.1绘制版图 16
4.3.2层定义 20
4.3.3端口的定义 21
4.3.4Ｓ参数仿真—Mesh设置 22
第5章仿真结果及分析 24
第6章设计总结 28
参考文献 29
英文原文 30
中文翻译 49
致谢 62
Ⅳ
图目录
图2.1微带天线的基本结构 2
图2.2典型倒L和倒F形天线结构 9
图2.3IFS生成Hilbert分形曲线的过程 10
图2.4Hilbert分形迭代结构 11
图3.1微带线计算器LineCalc 13
图4.1基于Hilbert分形结构的倒F天线结构 15
图4.2ADS启动界面 16
图4.3创建工程对话框 17
图4.4ADS主窗口 17
图4.5新建版图设计 17
图4.6LayoutUnit窗口 18
图4.7选择层窗口 18
图4.8天线尺寸测量 19
图4.9倒F天线在Layout中的全貌1 19
图4.10倒F天线在Layout中的全貌2 19
图4.9SubstrateLayers中层的参数设置 20
图4.10MetallizationLayer中层的参数设置 21
图4.11端口的设置 22
图4.12Mesh的设置 23
图4.13仿真进程状态显示窗口 23
图5.1经过Simulation的仿真图 24
图5.2天线的增益 24
图5.30度表面电流分布图 25
图5.490度表面电流分布图 25
图5.5180度表面电流分布图 26
图5.6270度表面电流分布图 26
图5.7E面辐射方向图 26
图5.8ETheta面辐射方向图 27
图5.9EPhi面辐射方向图 27
Ⅴ
第1章绪论
现代无线通信的飞速发展对无线通信设备的设计提出了越来越高的要求。
平面倒F天线（PIFA）具有尺寸小，重量轻且后向辐射小等优点而成为目前内置天线的主要形式。
不断缩小的空间对天线性能提高提出了一个巨大挑战，尤其对带宽的要求仍然很高，目前PIFA提高带宽的方法有很多，诸如增加寄生贴片，开矩形凹槽，改变馈点的结构，加多层贴片或多个支路等，其中改变馈点结构是最直接有效的方法，但是此种方法在实际设计中不易实现，本文利用Hilbert分型结构来小型化平面倒F贴片天线，分形结构的天线具有良好的尺寸缩减特性，可以在有限的空间内大幅度提高天线的效率。
利用一维的Hilbert分形结构在天线在尺寸的缩减的同时，具有较高的天线效率。
现有已使用的RFID标签天线，大多数设计成单极鞭形天线，其结构简单，但所占用空间较大。
现代无线通信领域常采用的天线是倒F型单极天线，它结构紧凑，带宽适中，不容易损坏，而且功耗更低。
同时，分形结构的特性之一就是具有空间填充性能，即分形能够在很小的体积内充分地利用空间。
而采用分形结构设计的天线，可以大大减小天线的尺寸，提高系统的稳定性。
下文将设计一个中心频率为2.4GHz，工作带宽不小于120MHz，增益大于1.5dB，输入阻抗接近50Ω,方向图接近全向或半全向，具有水平和垂直极化特性的平面倒F天线。
62
第2章平面倒F天线原理
2.1微带天线简介
微带天线最初提出于20世纪50年代，发展于70年代，成熟于80年代，特别是在航天设备和便携式通信系统中。
与其他类型的天线相比，微带天线具有重量轻，剖面小，结构紧凑，外观优美等众多优点，而且能够做成共形天线，便于制造和集成，成为了天线领域的一个研究热点。
天线理论分析的基本问题就是求解天线在周围空间辐射的电磁场，求得电磁场数据后，进而计算出方向图，增益以及输入阻抗等特性参数。
迄今为止已经提出了众多方法对微带天线进行理论分析，常见的方法有传输线模型理论，空腔模型理论等，这些分析方法相对比较简单，缺点是精度不够。
相对比较严格的计算方法也比较复杂的是积分方程法，即全波理论，而对于复杂的微带天线结构一般都是利用数值分析的方法。
2.1.1微带天的结构
微带天线的基本结构如图2．1所示。
其结构一般包括三部分：
介质基片、接地面和微带辐射器。
基片
地板
微带辐射器
微带馈线
λ/2
h
图2.1微带天线的基本结构
辐射贴片和接地面一般采用铜或者其它金属作为材料，形状可以设计成各种各样来满足不同的要求。
介质基片的相对介电常数通常较小，一般不超过10，通常取<2．5，这样可以增加天线贴片的边缘效应来提高微带天线的辐射能力。
但是其它的性能则要求使用介电常数大于5的介质基片材料。
目前，已制成了介电常数范围较大和损耗角正切低的各种类型的介质基片。
介质基片很薄，
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