实验三矩形微带天线设计

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,实验,矩形微带天线的设计,1,（一）实验目的,了解微带天线设计的基本流程,掌握矩形微带天线的设计方法,熟悉在,ADS,的,layout,中进行射频电路设计的方法,2,（二）设计要求,用陶瓷基片（,r,9.8,），厚度,h,1.27mm,，设计一个在,3GHz,附近工作的矩形微带天线。,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,h,1.27mm,，,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。,3,（三）微带天线的技术指标,辐射方向图,天线增益和方向性系数,谐振频率处反射系数,天线效率,4,（,四）设计的总体思路,计算相关参数,在,ADS,的,Layout,中初次仿真,在,Schematic,中进行匹配,修改,Layout,，再次仿真，完成天线设计,5,（,五）相关参数的计算,需要进行计算的参数有,贴片宽度,W,贴片长度,L,馈电点的位置,z,馈线的宽度,6,（,五）相关参数的计算（续）,贴片宽度,W,、贴片长度,L,、馈电点的位置,z,可由公式计算得出,馈线的宽度可以由,Transmission Line Calculator,软件计算得出,7,（,五）相关参数的计算（续）,8,（,六）用,ADS,设计过程,有了上述的计算结果，就可以用,ADS,进行矩形微带天线的设计了,下面详细介绍设计过程,9,ADS,软件的启动,启动,ADS,进入如下界面,10,创建新的工程文件,进入,ADS,后，创建一个新的工程，命名为,rect_prj,。打开一个新的,layout,文件，首先设定度量单位。在,ADS,中，度量单位的缺省值为,mil,，把它改为,mm,。方法是：单击鼠标右键,Preferences,Layout Units,，如下图所示,11,设定度量单位,12,介质层设置,在,ADS,的,Layout,中进行设计，介质层和金属层的设置很重要,在菜单栏里选择,Momentum,Substrate,Create/Modify,， 在,Substrate Layer,标签里，保留,FreeSpace,和,/GND/,的设置不变，点击,Alumina,层，修改其设置为：,13,介质层设置（续）,14,金属层设置,点击,Metallization Layers,标签，在,Layout Layer,下拉框中选择,cond,，然后在右边的,Definition,下拉框中选择,Sigma,（,Re,，,thickness,），参数设置如下页图。,然后在,Substrate Layer,栏中选择,“,-,”,后，点击,“,Strip,”,按钮，这将看到,“,-Strip cond,”,。一切完成后，点击,OK,。,15,金属层设置（续）,16,在,Layout,中制版,准备工作做好以后，下面就可以进行,Layout,中的作图了。,先选定当前层为,v cond,，再按照前面计算出来的尺寸作图。,最后在馈线端加入端口,17,在,Layout,中制版（续）,18,仿真预设置,在进行,layout,仿真之前，先要进行预设置。在菜单栏选择,Momentum -Mesh-Setup,，选择,Global,标签。 鉴于,ADS,在,Layout,中的,Momentum,仿真是很慢的，在允许的精度下，可以把,“,Mesh Frequency,”,和,“,Number of Cells per Wavelength,”,设置得小一点,19,仿真预设置（续）,20,进行仿真,点击,Momentum - Simulation - S-parameter,弹出仿真设置窗口，该窗口右侧的,Sweep Type,选择,Linear， Start,、,Stop,分别选为,2.5GHz,、,3.5GHz,，,Frequency Step,选为,0.05GHz,。,Update,后，点击,Simulation,按钮。,21,仿真结果,22,对仿真结果的探讨,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，从而匹配不理想，在,3GHz,处，,m1,距离圆图上的坐标原点还有相当的距离。在,3GHz,下的输入阻抗是：,Z0,*,（,0.103-j0.442,）,5.15,j22.1,23,总体的,2D,辐射方向图,24,在原理图中进行匹配,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,Schmatic,中进行匹配。,天线在,3GHz,下的输入阻抗是：,Z0*,（,0.103-j0.442,）,5.15,j22.1,，这可以等效为一个电阻和电容的串连。,25,匹配原理,匹配的原理是：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,ADS,原理图中优化功能可以出色的完成这个任务,26,匹配过程,新建一个,Schematic,文件，绘出如下的电路图：,27,匹配过程（续）,其中,TL1,和,TL2,的,L,是待优化的参量，初值取,10mm,，优化范围是,1mm,到,20mm,。,设置好,MSub,的值,28,匹配过程（续）,插入,S,参数优化器，一个,Goal,。其中,Goal,的参数设置如下：,这里,dB,（,S,（,1,，,1,）的最大值设为,-50dB,，是因为在,Schematic,中的仿真要比在,Layout,中的仿真理想得多，所以要求设置得比较高，以期在,Layout,中有较好的表现。,29,匹配过程（续）,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,300,。,其他的参数一般设为缺省即可。,30,匹配过程（续）,优化电路图为：,31,匹配过程（续）,点击仿真按钮，当,CurrentEF,0,时，优化目标完成。把它,update,到原理图上（,Simulate,Update Opimization Values,）。,Deactivate,优化器。最终原理图如下：,32,匹配过程（续）,33,原理图中的仿真,点击仿真按钮，可以看到仿真结果为：,34,原理图中的仿真（续）,放置,Marker,可以得到更详细的数据,在中心频率,f,3GHz,处，,S(1,1),的幅值是,5.539E-4,，可见已经达到相当理想的匹配。,35,修改,Layout,参照,Schematic,计算出来的结果，修改,Layout,图形如下,36,两点说明,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,。,37,仿真结果,按照前述的步骤进行仿真，仿真结果是,38,仿真结果（续）,为了较精确地给出匹配的结果，我们将仿真频率范围设为,2.9GHz,到,3.1GHz,，步长精确到,10MHz,。,可见进行原理图匹配的结果是十分理想的。,下面具体给出一些仿真结果。,39,总体的,2D,辐射方向图,40,天线增益和方向性系数,41,天线效率,42,（,七）设计小结,矩形微带天线设计是微带天线设计的基础，然而作为一名新手，想熟练顺利地掌握其设计方法与流程却也有些路要走。,多仿照别人的例子操作，多自己动手亲自设计，多看帮助文件，是进入射频与微波设计殿堂的不是捷径的捷径。,43,（,七）设计小结（续）,一般来说，按照公式计算出来的矩形天线其反射系数都还会比较大的，在圆图中反映出来的匹配结果也不是很理想。这也许是由一些公式的近似导致的，但这也使电路匹配成为设计工作必不可少的一环。,在用,Schematic,进行天线的匹配时，以,S11,为目标利用仿真优化器来求所需传输线长度的方法,，是一种省时省力有效的方法。,44,Thank you,！,fugw 2003. 6,45,