微带天线设计与仿真.docx

1、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150GHz频率范围，特殊的天线也可

2、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

3、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。 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

4、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 MeshSetup，选择Global标签，做如下图所示修改。 鉴于ADS在Layout中的Momentum

5、仿真是很慢的，在允许的精度下，可以把“Mesh Frequency”和 “Mesh Density Cells/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

6、.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：2.5GHz Stop：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。 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。