基于ADS的微带天线的设计及仿真

.基于ADS的微带天线的设计与仿真The design and simulation of PIFA based on ADS王伟堃Wang Weikun06250109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 亮辩论时间：2021年6月15日1.前言平面倒F天线(PIFA,Planar Inverted F Antenna)主要应用在手机终端中，由于其体积小、重量轻、本钱低、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，进展了许多研究工作。先进设计系统(Advanced Design System)，简称ADS，是安捷伦科技(Agilent)为适应竞争形势，为了高效的进展产品研发生产，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，而得到了广阔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展优化，并进展再次仿真，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软件对微带天线进展设计，设计了平面倒F天线，即PIFA天线的设计以及利用Hilbert分型构造对天线小型化设计。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，优化及结果分析等容。论文构造安排如下：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分型构造的原理。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。1.摘要平面倒F天线(PIFA,Planar Inverted F Antenna)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，构造简单，易于加工制作等优点，因此被广泛应用于移动等移动通信终端设备上。本设计通过ADS软件对PIFA天线进展仿真设计，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50, 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分型构造小型化天线 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仿真软件进展微带天线的设计，可减少工作量，提高设计的准确性，降低设计本钱，因而可使设计工作简单化，能够到达事半功倍的效果。关键词：微带；PIFA；Hilbert；ADS1.AbstractPlanar inverted F antenna (PIFA, Planar Inverted F Antenna) is a mon planar antenna.Planar inverted F antenna has the feature of small-volumed, lightweight, low-profile,and simple structure and it is easy to manufacture, etc. Therefore, it is widely used in mobile phones and other mobile munication terminal devices. The simulation design pattern to the PIFA antenna is a new way that used by the ADS software. The te*t shows a clear step of the design, andelaborate the caculating method to the microstrip antenna.bined with the design method,the microstrip antenna, its center frequency is 2.4GHz, and working bandwidth is no less than 120MHz,and the gain is larger than 1.5dB, input impedance close to 50. The design uses Hilbert typingsmall-structureantennas. Direction pattern is close to full or half-full, which alsohave horizontal and vertical polarization. Theanalysis of simulation results shows its correctness and feasibility.The method will be able to advance in reducing the workload, improving design accuracy, reducing design costs,so it can simplify the design work, and achieve a betterr effect.Keywords：microstrip； PIFA；Hilbert；Advanced Design System1.目 录第1章绪论1第2章平面倒F天线原理22.1微带天线简介2微带天的构造2微带天线的分类3微带天线的馈电方法3徽带天线的优缺点3微带天线的应用42.2分形理论简介4分形的定义4分形维数52.3倒F原理及构造分析82.4Hilbert分形构造分析9第3章 ADS软件的使用123.1 ADS软件简介123.2 ADS的使用13微带线计算器LineCalc133.2.2 幅员仿真工具Momentum13第4章设计说明154.1天线构造设计与分析154.2相关参数的计算154.3 天线设计16绘制幅员16层定义20端口的定义214.3.4 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621.图目录图2.1 微带天线的根本构造2图2.2典型倒L和倒F形天线构造9图2.3IFS生成Hilbert分形曲线的过程10图2.4Hilbert分形迭代构造11图3.1微带线计算器LineCalc13图4.1基于Hilbert分形构造的倒F天线构造15图4.2ADS启动界面16图4.3创立工程对话框17图4.4 ADS主窗口17图4.5 新建幅员设计17图4.6 Layout Unit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119图4.10 倒F天线在Layout中的全貌219图4.9 Substrate Layers中层的参数设置20图4.10 Metallization Layer中层的参数设置21图4.11 端口的设置22图4.12 Mesh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5.3 0度外表电流分布图25图5.4 90度外表电流分布图25图5.5 180度外表电流分布图26图5.6 270度外表电流分布图26图5.7 E面辐射方向图26图5.8 E Theta面辐射方向图27图5.9 E Phi面辐射方向图271.第1章 绪 论现代无线通信的飞速开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，改变馈点的构造，加多层贴片或多个支路等，其中改变馈点构造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分型构造来小型化平面倒F贴片天线，分形构造的天线具有良好的尺寸缩减特性，可以在有限的空间大幅度提高天线的效率。利用一维的Hilbert分形构造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，其构造简单，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，它构造紧凑，带宽适中，不容易损坏，而且功耗更低。同时，分形构造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充分地利用空间。而采用分形构造设计的天线，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50, 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。1.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，开展于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，构造紧凑，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。天线理论分析的根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展理论分析，常见的方法有传输线模型理论，空腔模型理论等，这些分析方法相比照拟简单，缺点是精度不够。相比照拟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构造一般都是利用数值分析的方法。2.1.1微带天的构造微带天线的根本构造如图21所示。其构造一般包括三局部：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/2h图2.1 微带天线的根本构造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dim(A)的集合A，称为分形集。其中，Dim(A)为集合A的Hausdorff维数或分维数，dim(A)为其拓扑维数。一般说来，Dim(A)不是整数，而是分数；(2)局部与整体以*种形式相似的形态，称为分形。然而，经过理论和应用的检验，人们发现这两个定义很难包括分形如此丰富的容。实际上，对于什么是分形，到目前为止还没有确切的定义。正如生物学中“生命的定义一样，人们只能列出一系列生命体所具有的特征，比方对环境的适应能力、生命能力、运动能力以及繁殖能力等等来说明。现在，人们一般采用著名分形几何学家Falconer在?分形集几何学?中对分形集合F的描述来判断*一对象是否是分形。他的观点是最好把分形看成是具有*些特性的集合，而不用去寻找一个几乎概括所有情形的准确定义。因此，Falconer列出了五条用不确定性语言描述的分形集的特性：(1)分形集都具有任意小尺度下的比例细节，(2)分形集不能用传统的几何语言来描述，或者说它具有精细的构造。它既不是满足*些条件的点的轨迹，也不是*些简单方程的解集。(3)分形集具有*种自相似形式，可能是近似的自相似或者统计的自相似。(4)一般，分形集的“分形维数，严格大于它相应的拓扑维数。(5)分形的生成方式很简单，可以用递归迭代产生。其中前三项说明了分形在构造上的在规律性，第(4)项说明了分形的复杂性，第(5)项则说明了分形的生成机制。2.2.2分形维数分形维数是分形理论中最重要的一个概念，它是对非光滑、非规则、破碎的等极其复杂的分形客体进展定量刻画的重要参数，它表征了分形体的复杂程度、粗糙程度，即分形维数越大，客体就越复杂、越粗糙，反之亦然。维数概念历来在数学和物理学中占据着重要的地位。按传统的观点，维数是确定系统状态的独立变量，只能取整数。然而，在分形理论中，对于一个分形客体，它的维数一般都不限于整数，而可取任何实数值。分形维数是定量刻画分形特性的常数，能够反映分形的根本特征，而且赋予了很多崭新的涵，但由于侧重面不同，有多种定义和计算方法。常见的有Hausdorff维、信息维、容量维等，它们有各自不同的应用。下面介绍几种常见的分形维数定义：(1)Hausdorff维数设一个客体划分为个大小和形态完全一样的小客体，每一个小客体的线度是原客体的6倍，该客体的Hausdorff维数为：(2.2.1)其中表示整体所包含的小图形的个数。如果把一个客体的线度放大L倍，则得到的新客体是原客体的K倍，则该客体的维数为(2.2.2)(2)信息维数在Hausdorff维数现的定义中，只考虑了所需覆盖的个数，而不考虑每个覆盖中所含分形集元素的多少。设表示分形集的元素属于覆盖中的概率，则信息维数为：(2.2.3)在等概率的情况下，即信息维数等于Hausdorff维数。(3)并联维数假设分形中*两点之间的距离为，其关联函数为，则关联维数为：(2.2.4)式中：(2.2.5)(4)相似维数设分形整体S是由N个非重叠的局部组成，如果每一个局部经过放大倍后可与S全等(N)，并且，则相似维数为：(2.2.6)相似维数风与Hausdorff维数是一致的，但在*些情况下，特别是对*些分形曲线，用相似维数似乎要更方便些。(5)容量维数容量维数是由Kolmogorov推导的，它的定义类似于Hausdorff维数，是以包覆为根底的。假定要考虑的图形是n维欧氏空间中的有界集合，用半径为的球填入该图形，假定是球的个数最小值，则容量维数可用下式来定义： (2.2.7)除上述定义的几种分形维数外，还有谱维数、模糊维数、拓扑维数、广义维数、微分维数、分配维数、质量维数、填充维数等。在分析研究中，之所以对分形维数有很多定义是因为要找到对任何事物都适用的定义并不容易。由于测定维数的对象不同，就*一分形维数的定义而言，有些对象适用，而另外一些就可能完全不适用，因而对不同定义的维数使用不同的名称把它们区分开。为了便于表示，通常把非整数值的维数统称为分形维数。2.1.3分形构造的描述语言描述分形构造的通用方法是函数迭代系统(IFS)，它能够方便地生成各种分形构造。函数迭代系统(IFS)建立在一系列自仿变换因子W的根底上，完成对初始几何构造的迭代。W可用公式表示为：(2.2.8)或者等价于(2.2.9)式中，a、b、c、d、e、f为实数，a、b、c、d控制几何构造的旋转和伸缩，e、f控制几何构造线性位移。假设存在一系列自仿变换因子集合W=和一个最初的几何构造么。则，将这些自仿变换因子集合形作用于初始几何构造么，就会生成一系列新的几何构造，我们将其记为，把这些结果做并集就可以得到新的几何构造，表示如下：(2.2.10)式中，称为H算子(Hutchinson Operator)。将作用于就可以生成下一个几何构造，依次类推，将反复作用于前一个几何构造，就可以不断地生成新的几何构造。函数迭代系统就是通过这个迭代方式，可以根据具体需要，在初始几何构造的根底上，生成任意阶的分形构造。例如，设集合为一个初始几何构造，则由该初始几何构造生成的第K+1阶分形构造可以通过以下迭代得到：(2.2.11)一个函数迭代系统通过反复作用于一个几何构造会生成一个收敛的几何构造序列，这个最终的几何构造可以由下式表示： (2.2.12)这个几何构造函数迭代系统的“吸引子，代表自仿变换因子集合W的一个“固定点。由于函数迭代系统提供了一种描述、分类和操作分形构造的通用方法，所以它是分形构造设计的强有力工具。2.3倒F原理及构造分析PIFA的典型构造包括一个平面的矩形金属片、一个大的接地平面、一个窄的短路金属板(置于矩形平面金属片长度较短边的边缘)。一方面，PIFA可以被认为是一个线性倒F型天线(IFA：InvertedF Antenna)，将IFA的金属线辐射体替换为金属板后，频宽比原来的IFA宽。另一方面，也可以将PIFA视为一个短路的矩形微带天线，这种短路的矩形微带天线其实际共振模态与矩形微带天线的共振模态是一样的，都是共振在根本模态。将短路金属板置于辐射金属与接地平面之间时，将使矩形辐射金属的长度减半，从而到达缩小天线的目的，此时在短路会属板的位置，的电场为零。当短路金属板的宽度等于平面矩形辐射贴片的宽度时，即为“短路面加载；当短路金属板宽度比平面矩形金属片窄时，即为“短路壁加载，天线的有效电感增加，共振频率低于传统的短路微带天线。因此，在一样尺寸的平面矩形金属片下，要得到一样共振频率，就必须使平面矩形金属片缩小，从而到达原先将天线缩小的目的。加载短路金属板，一方面可以实现小型化，另一方面可以使整个天线的有效电感增加，谐振频率低于传统的一端短路微带天线，拓展了微带天线在频段方面的使用围。倒F天线常用于无线通信系统中，典型的倒F天线构造如图32(b)所示。倒F天线是在倒L(如图32(a)所示)天线的垂直元末端加上一个倒L构造而构成。使用附加的这个构造可以调整天线和馈电端的匹配，不需要另外的匹配电路，简化了天线构造。倒F天线具有低轮廓构造，辐射场具有水平和垂直两种极化，这些特性对天线的设计非常重要。图2.2典型倒L和倒F形天线构造在设计印刷倒F单极天线时，我们可以通过调整天线尺寸到达工作频段所要求的理想匹配效果。一般来说，倒F天线水平单元的尺寸估算值可以由以下经历公式得到：(2.3.1)(2.3.2)其中，表示bc段的长度，为cd段的长度，C为真空中的光速，为介质板的有效介电常数，为相对介电常数，h和W分别为介质板的厚度和天线的线宽。2.4Hilbert分形构造分析Hilbert曲线作为一个连续图形不存在任何穿插点，随着分形阶数的增加，曲线通过自相似迭代从一维空间逐渐填充到二维空间，曲线具有严格的自相似性。阶Hilbert分形曲线的分形维数可以按下式计算：()Hilbert曲线的分形维数随曲线阶数的增加而增大，表征了分形曲线占据空间的利用率。由公式()可知，Hilbert分形曲线的分数维取值NI为1，2，是一种构造简单、空间占有率高的分形构造。下面利用函数迭代系统简单描述一下Hilbert分形曲线的生成过程，如图34所示。此处，初始Hilbert分形曲线为一个二维几何构造：(2.4.2)四个隶属变换因子分别作用于初始Hilbert分形曲线，经四次迭代，依次生成l阶Hilbert分形曲线、2阶Hilbert分形曲线以及3和4阶Hilbert分形曲线。对于Hilbert分形曲线隶属变换因子集合，如令其中，s表示尺度变换矩阵，r表示旋转变换矩阵，t表示线性位移矩阵。则：(2.4.3)(2.4.4)(2.4.5)式中，为Hilbert分形曲线的阶数，为Hilbert分形曲线旋转角度，分别对应隶属变换因子集合矿中的四个元素，则Hilbert分形曲线的隶属变换因子集合为：(2.4.6)图2.3IFS生成Hilbert分形曲线的过程图2.2.1为0-3阶的Hilbert分形迭代构造。从图中可以看出，Hilbert是13等边分形曲线，假设0阶Hilbert曲线各边长均为h，则n阶Hilbert曲线总长度为：(2.4.7)由等式()可知，随着Hilbert分形迭代次数的增加，Hilbert曲线的长度呈指数上升，趋近于无穷大，逐渐填充整个轮廓。当迭代次数为5时，*4单极天线长度为原来的65倍，由于耦合效应的存在天线的谐振频率并没有降为原来的165而是111，但仍然具有很强的尺寸压缩能力。因此，Hilbert曲线非常适合用于小型化分形天线的设计。目前，Hilbert分形曲线已应用于VHF他HF通信的天线设计中。图2.4Hilbert分形迭代构造1.第3章 ADS软件的使用3.1 ADS软件简介先进设计系统(Advanced Design System)，简称ADS，是安捷伦科技(Agilent)为适应竞争形势，为了高效的进展产品研发生产，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，而得到了广阔IC设计工作者的支持。ADS是高频设计的工业领袖。它支持系统和射频设计师开发所有类型的射频设计，从简单到最复杂，从射频微波模块到用于通信和航空航天国防的MMIC。通过从频域和时域电路仿真到电磁场仿真的全套仿真技术，ADS让设计师全面表征和优化设计。单一的集成设计环境提供系统和电路仿真器，以及电路图捕获、布局和验证能力 因此不需要在设计中停下来更换设计工具。先进设计系统是强大的电子设计自动化软件系统。它为蜂窝和便携、寻呼机、无线网络，以及雷达和卫星通信系统这类产品的设计师提供完全的设计集成。ADS电子设计自动化功能十分强大，包含时域电路仿真(SPICE-like Simulation)、频域电路仿真(Harmonic Balance、Linear Analysis)、三维电磁仿真 (EM Simulation)、通信系统仿真(munication System Simulation)、数字信号处理仿真设计(DSP)；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。此外Agilent公司和多家半导体厂商合作建立ADS Design Kit及Model File供设计人员使用。使用者可以利用Design Kit及软件仿真功能进展通信系统的设计、规划与评估，及MMIC/RFIC、模拟与数字电路设计。除上述仿真设计功能外，ADS软件也提供辅助设计功能，如Design Guide是以例及指令方式示电路或系统的设计流程，而Simulation Wizard是以步骤式界面进展电路设计与分析。ADS还能提供与其他EDA软件，如SPICE、Mentor Graphics的ModelSim、Cadence的NC-Verilog、Mathworks的Matlab等做协仿真(Co-Simulation)，加上丰富的元件应用模型Library及测量/验证仪器间的连接功能，将能增加电路与系统设计的方便性、速度与准确性。ADS软件版本有ADS2021、ADS2006A、ADS2005A、ADS2004A、ADS2003C、ADS2003A、ADS2002C和ADS2002A以及ADS1.5等。3.2 ADS的使用微带线计算器LineCalc对于ADS 微带线计算器LineCalc，根据微带线的偶模和奇模阻抗，按照给定的微带线路板的参数，使用ADS中的微带线计算器LineCalc计算得到微带线的几何尺寸W、S、L。图3.1微带线计算器LineCalcZE Zeven即耦合线偶模阻抗ZO Zodd即耦合线奇模阻抗Z0 指耦合线端接传输线特性阻抗一般为50欧C_DB用dB表示的耦合度C(dB) = 20log10 (ZE-ZO)/(ZE+ZO)E_eff 耦合线有效电长度，单位度，即相位延迟Hu指微带线上部空间高度Mur磁导率计算耦合线时，只需按设计参数和板材条件设置即可，其中Z0选定后，输入ZO、ZE ，C_DB是自动计算出的。点击上箭头，软件即会给出耦合线的物理尺寸，即W线宽、S耦合线间距、L耦合线长度。3.2.2 幅员仿真工具MomentumADS软件提供了一个2.5D的平面电磁仿真分析功能MomentumADS2005A版本Momentum已经升级为3D电磁仿真器，可以用来仿真微带线、带状线、共面波导等的电磁特性，天线的辐射特性，以及电路板上的寄生、耦合效应。所分析的S参数结果可直接使用于些波平衡和电路包络等电路分析中，进展电路设计与验证。把电路图导入到Layout界面本卷须知：要关闭Term以及接地去掉，不可以让他们出现在原理图中。去掉的方法与关闭优化控件的方法一样，即使用按钮，把这些元件打上红叉。然后用Layout Generate/update Layout命令完成导入。Momentum中options preference的常用设置：网格Grid的间距和显示，端口port和地ground在layout中的显示大小，layout窗口背风光background color，丝印层文字的显示大小，layout的单位unit等。1.第4章 设计说明4.1天线构造设计与分析图4.1(b)为水平单元cd段(见图32(b)被Hilbert分形构造取代的倒F单极天线。该天线印刷在厚度为16 mm的FR4介质板(相对介电常数为4.4)的上外表，而底面为接地板(注意，天线所在介质板局部的底面没有地板)，如图4.1(a)所示。图4.1(b)为标签天线的俯视图，从图中我们可以看到天线的短路点a直接与接地板相连，而馈电点e直接与射频模块的匹配电路输出端相连。图4.1基于Hilbert分形构造的倒F天线构造Hilbert分形倒F单极天线的abc段可等效成电阻和电感的串联(谐振时短路，故a端可看作短路点)。dce段可等效为电容和电阻的并联(相当于负载，谐振时开路，故d端可看作开路的谐振器)。所以d端电压最大，电流为零；a端电压为零，电流最大。因此，在仿真与优化天线时，我们可以调整动和ce段的长度和线宽来实现与输出电路的匹配。4.2相关参数的计算对于单极印制天线来说，其线宽可由以下等式得到：()其中()()研究说明，当Hilbert分形单极天线的馈电点在线端时，其输入阻抗实部很小。例如，尺寸为70mm*70mm的3阶Hilbert分形天线，在谐振频点处实部值仅为2。同时，文献43指出Hilbert分形天线的输出阻抗取决于馈电点到天线一个端点的距离与天线总长度的比值。对于具有同一阶数的Hilbert分形天线，无论外围尺寸和导线宽度如何变化，在馈电点位置不变的情况下，天线的输出阻抗不会改变。由于本论文所要设计的天线必须与芯片的前端电路直接连接，所以Hilbert单极天线的馈电点只能选择在线端处。为了验证文献42的结果，下面仅对1阶的Hilbert分形单极天线进展仿真分析。同样，天线印刷在厚度为1.6 mm的FR4介质板(相对介电常数为4.4)上。由(1)式可得，Hilbert分形单极天线的线宽w=15mm。根据公式(39)，当n=1时，Hilbert分形曲线长度L=5h。由于耦合效应的存在，Hilbert天线的长度L并不等于。取初始值h=7mm，则Hilbert曲线L=35mm。经计算各单元的尺寸如下：，。4.3 天线设计4.3.1绘制幅员启动ADS进入如下界面图4.2ADS启动界面点击FileNew Project设置工程文件名称(本设计为biyesheji)及存储路径图4.3创立工程对话框工程创立完毕后主窗口变为图4.4图4.4 ADS主窗口同时幅员打设计开为图4.5 新建幅员设计直接在Main窗口中点击，翻开Layout窗口，在Layout中，选择option-preference，对系统设计的背景参数进展设置。我们选择其中的Layout Unit，设置如图4.6，选择Layout Unit为mm，Resolution填写为0.0001表示准确到小数点后四位。以确保在天线设计过程中的精度。其他子菜单设置一般选择默认。图4.6 Layout Unit窗口因为我们设计的是贴片天线，所以在介质板上只有一层，设计cond层，如图4.7图4.7选择层窗口在Layout中绘制天线。由于我们设计的矩形天线，所以我们选择 ，然后在窗口中选择一点，开场画矩形，矩形大小的控制可以看右下角的右边的坐标，它表示相对位置的距离。同样，点击鼠标右键的“measure，可以测量相对尺寸，如图4.8所示：图4.8天线尺寸测量经过绘制倒F天线的全图如以下列图4.9所示：图4.9 倒F天线在Layout中的全貌1选择：Option=Layers,将cond的Shape Display由filled改为outlined，这样便于测量尺寸。可得以下列图：图4.10 倒F天线在Layout中的全貌24.3.2层定义层定义是至关重要的一步。由Momentum=Substrate=Create/Modify，进入层定义对话窗口。作如下设置：定义Alumina中的各个参数，将Alumina的名字改为RF4，因为我们用的介质板的材料叫RF4即定义Thickness为1.6mm，表示介质板的厚度为1.6mm；Real为4.4，表示介质板的相对介电常数为4.4；Loss Tangent为0.018，表示损耗正切为0.018。最后点击Apply。我们需要的天线的层构造设置如图4.9所示：图4.9 Substrate Layers中层的参数设置Metallization Layer层的参数设置，在Conductivity选择Sigma(Re,Im)中填电导率，Thickness中填金属厚度。其中铜的电导率为5.78E006，厚度为0.018mm。在这些都设置完毕以后点击Apply 和 OK就可以了。设置层参数图如图4.10所示。图4.10 Metallization Layer中层的参数设置4.3.3端口的定义选中增加Port。Port加在cond层天线的接地端，也就是天线的a端。可以选择Options=Midpoint Snap，使得Port加在物体的中间位置。由Momentum = Port Editor,再用鼠标选中端口，进展编辑。在Port Type中选择Single。点击Apply就OK了。编辑如图4.11所示。图4.11 端口的设置4.3.4 参数仿真Mesh设置在Momentum = Mesh =Setup中设置Mesh，Mesh的设置决定了仿真的精度。通常，Mesh Frequency和 Number of CellsPer Wavelength 越大，精度越高。但是这是以仿真时间的增加为代价的。有时不得不以精度的降低换取仿真时间的减小。在本例中，我们采用Mesh的默认值，即：Mesh Frequency为后面S仿真中的频率上限值，Number of CellsPer Wavelength 为30。选择Momentum中的SimulationSparameters 出现一个对话框在Sweep Type 中可以选择Single，Adaptive，Linear。Single表示对单个频率点进展仿真，Adaptive表示根据曲线变化的幅度选择不同频率下的Sample Point，以用最少的Sample Point来描述图形，因此在对大围的频率扫描时，推荐使用Adaptive Type；对于Linear，是选择上下频率的围和步长，在规定频率段和规定步长下进展取点。这里选择adaptive。Start里为扫描的起始频率，Stop为扫描的完毕频率。Sample Points Limt为扫描的取样个数。这里一般设置为25，设置好点击Add Frequency Plan List添加。最后点击Simulate进展仿真。图4.12 Mesh的设置图4.13 仿真进程状态显示窗口1.第5章 仿真结果及分析根本幅员绘制好后，对天线的根本性能进展仿真，结果如图5.1所示：图5.1经过Simulation的仿真图从S11图中看出天线的中心频率在2.4GHz处，到达设计要求。天线将在2.4GHz的频率处工作。但是从以下列图的红线中看出天线在中心频率初的增益只有-10dB远没有到达设计的要求，经过了屡次修改天线的增益也不符合标准。图5.2天线的增益对天线外表电流的分布的观察选择Current Set Port Solution Weights，单击OK。然后，选择Current =Plot Currents。按照相位从-，观察天线的外表电流分布，分布图如图5.25.5所示：图5.3 0度外表电流分布图图5.4 90度外表电流分布图图5.5 180度外表电流分布图图5.6 270度外表电流分布图从上图中我们可以看出天线在不同照相位，天线上的电流强弱的不同。图5.7 E面辐射方向图图5.8E Theta面辐射方向图图5.9E Phi面辐射方向图从上面图5.7中我们可以看出天线的E平面图接近全向，图5.8的E Theta和图5.9的E Phi可以看出天线的辐射接近半全向，符合了平面倒F天线对方向图的要求。1.第6章设计总结基于ADS的微带天线的设计，这一课题主要涉及到两方面的容：微带天线的设计和ADS软件的使用，通过本次设计我对ADS软件有了一个初步的认识，ADS是一个很强大的射频仿真软件，可以对射频通信的各个局部都可以仿真，但是我只是使用到了他的一小局部功能，使用了他的幅员仿真功能，经过3个月的学习和使用也只是初窥门径，用到的是它的皮毛而已。本次毕业设计我利用了ADS软件经行了一个中心频率在2.4GHz，工作带宽不小于120MHz，增益大于1.5dB，输入阻抗接近50的平面倒F形微带天线。在设计的过程中，我遇到了很多的问题，现在总结如下：在天线的设计上，我通过查阅了很多资料，了解了有关平面倒F天线的根本构造，倒F天线其实就是在倒L天线的垂直元末端上再加了一个倒L构造构成的。使用附加的这一个倒L形构造可以调节天线的馈电端的匹配，而不需要另外的匹配电路，从而简化了天线的构造。了解了天线的根本构造后，最重要的就是在ADS软件下对天线的设计与仿真， 在这之前我都觉得天线的设计也还是很简单的，天线的理论设计无非就是对参数的计算，而且计算得公式又都是给定的。但是到了仿真阶段，我就发现天线设计的难度远比我想象的要大，对天线参数的各个细节都要注意，天线的层的设定，层与层之间的介质材料的相对介电常数的设定，天线的馈电点以及天线参数的设定不同而天线的接地也有不同的类型。这些都是我在幅员设计过程中遇到的问题，这些问题一一解决后，就开场了仿真，在仿真图形出来后，就要用到Hilbert分形构造对倒F天线的“臂要开场小型化，倒F天线唯一的缺点就是这个F的“臂太长，Hilbert分形正是在不改变天线的各个参数的情况下对天线的“臂经行小型化，从而使天线实用化，但是我计算后对天线的“臂进展改变后发现这一构造对我的天线的影响还是很大的，因此我只能在天线的幅员里对天线的臂长进展逐渐优化，从而使我的天线接近要求的指标参数。在这次设计中，我的天线的根本指标都还是符合要求的，但是在天线的增益和天线的输入阻抗这两个局部没有到达设计要求，所以我的设计只能算是成功了一半，这是我本次设计遗留的问题，由于时间紧迫，这两个问题我只能放到我以后的工作和学习中将它们解决。毕业设计作为对大学所学知识的综合考察，把所学知识应用到实际当中去。知识积累和能力在这次毕业设计中得到表达，同时也发现了自己欠缺和缺乏。更重要的是在近三个月的时间里，养成了我独立思考问题的习惯，同时也体会到严谨的学习态度、团队合作意识和务实创新的精神对学习和工作的重要，这是我们今后应该倍加珍惜的财富。1.参考文献1 雷振亚编著，射频/微波电路导论，：电子科技大学，2005.82 逯贵祯等编著，射频电路的分析和设计，：播送学院，2003.6 3 Richard Chi-Hsi Li 著 ，射频电路和射频集成电路设计中的关键课题，：高等教育，20054 (美)Pavel Bretchko著；王子宇等译，射频电路设计：理论与应用 (美)Peinhold Ludwig，：电子工业，2002.5 5 (美) W. Alan Davis, Krishna K. Agarwal著；福乐等译，射频电路设计，：机械工业6 娜，分形天线在多频无线通信中的研究与应用，硕士学位论文，电子科技大学，20067 钧，微带天线理论与工程M，：国防工业，19888?2007平安生产优秀科技成果论坛?国家平安生产监视管理总局规划科技司2007，99周晓光，王晓华，王伟编著射频识别(RFD)系统设计、仿真与应用M：人民邮电，202110游战清，克胜，义强，吴谷无线射频识别技术(RFID)规划与实施M：电子工业，200611游战清，剑等无线射频识别技术(RFID)理论与应用M：电子工业，2004，1012Kluas Fiknneezller(德)著，吴晓峰、大才译射频识别技术M：电子工业，20061013王显政等煤矿平安新技术M：煤炭工业，200214成海，铎现代自动识别技术与应用M：清华大学，200315游战清，克胜，吴翔，林汉宏等编著无线射频识别(RFID)与条形码技术M：机械工业，20071英文原文Chapter 1: Momentum BasicsMomentum is a part of Advanced Design System and gives you the simulation tools you need to evaluate and design modern munications systems products. Momentum is an electromagnetic simulator that putes S-parameters for general planar circuits, including microstrip, slotline, stripline, coplanar waveguide, and other topologies. Vias and airbridges connect topologies between layers, so you can simulate multilayer RF/microwave printed circuit boards, hybrids, multichip modules, and integrated circuits. Momentum gives you a plete tool set to predict the performance of high-frequency circuit boards, antennas, and ICs.Momentum Optimization e*tends Momentum capability to a true design automation tool. The Momentum Optimization process varies geometry parameters automatically to help you achieve the optimal structure that meets the circuit or device performance goals. By using (parameterized) layout ponents you can also perform Momentum optimizations form the schematic page.Momentum Visualization is an option that gives users a 3-dimensional perspective of simula