基于ADS的微带天线的设计与仿真.docx

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基于ADS的微带天线的设计与仿真

基于ADS的微带天线的设计与仿真

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。

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

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

图目录

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。

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，其厚度h远小于工作波长，一般在0.001名~0.1之间。

2.1.2微带天线的分类

由定义可知，微带天线贴片和接地板可以根据应用需要设计成各种不同的形状，但总体来讲，都可以将其分为以下三种基本类型：

微带贴片天线、微带行波天线和微带缝隙天线。

微带贴片天线简称MPA（MicrostripPatchAntenna），是结构最简单的微带天线。

常见的贴片几何形状有：

正方形、矩形、圆形、三角形、五角形、环形等。

微带行波天线简称MTA（MicrostripTraveling-waveAntenna），其贴片为链形周期结构或TEM波传输线结构。

TEM波传输线的末端接匹配负载，当天线上维持行波时，可以从天线结构设计上使主波束位于从边射到端射的任意方向。

微带缝隙天线简称MSA（MicrostripSlotAntenna）由微带馈线和开在地板上的缝隙组成。

缝隙可以是矩形（根据矩形的窄或宽可分为窄缝天线和宽缝天线），圆形或环形等。

微带行波天线简称MTA（MicrostripTraveling-waveAntenna），由基片、在基片一面上的链形周期结构或普通的长TEM波传输线（也维持一个TE模）和基片另一面上的接地板组成。

原则上，任何一个TEM波传输体都可以改造成一个行波天线。

对徽带线前言，TEM波传输线天线分为两种：

微带线终端接匹配负载的行波天线和微带线终端为开路或短路的驻波天线。

通常驻波天线为边射，而行波天线的辐射则可设计成从后射直到端射之间的任一方向上。

因此，当波瓣指向边射方向时，行波天线就成为驻波天线。

微带行波天线一般为周期性结构，可预先计算其辐射特性。

同其它行波天线一样，可以用频率来控制主辐射方向。

微带缝隙天线简称MSA（MicrostripSlotAntenna），由微带馈线和开在接地板上的缝隙组成。

其概念是由带状线缝隙天线发展丽来的，更确切地说，是由三板传输线发展过来的。

带状线缝隙天线的研究和应用都已比较成熟，但要注意抑制在“开槽”的接地板和外导体之间产生电位差的那些不希望的模。

窄缝宽缝圆环缝MSA的优点是能产生双向或者单向方向图。

在微带天线的设计中，采用贴片和缝隙的组合结构，可以额外增添一个自由度。

沿着微带馈线一边排列的导带和缝隙的组合可以产生圆极化辐射场。

微带缝隙天线能产生所希望获得的极化，且对制造公差的敏感度比微带贴片天线要低。

2.1.3微带天线的馈电方法

微带天线馈电方法可以分为间接馈电和直接馈电两种。

间接馈电是指无需微带线连接，而是通过电磁耦合的方式进行馈电；直接馈电是指通过将馈线与金属贴片相连而进行馈电。

直接馈电又分两种方式：

同轴线馈电（Probefeed）和微带线馈电（MicrostripLinefeed）。

2.1.4徽带天线的优缺点

微带天线具有很多的优点，如：

1.剖面薄，体积小，重量轻；

2.具有平面结构，并可制成与导弹、卫星等载体表面帽共形的结构；

3.便于获得圆极化波：

4.可以设计成多频和双极化天线；

5.不需要后面加腔体；

6.天线的馈电结构和匹配网络可以和天线同时制作；

7.馈电网络可与天线结构一起制成，适合于用印刷电路技术大批量生产；

8.可以做得很薄，因此，不影响装载于飞行器上的空气动力学性能；

9.适合