基于ADS的微帶天線的設(shè)計與仿真(共69頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上基于ADS的微帶天線的設(shè)計與仿真The design and simulation of PIFA based on ADS王偉堃（Wang Weikun）計算機與通信學院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書基于ADS的微帶天線的設(shè)計與仿真作 者：王偉堃學 號：專 業(yè)：通信工程班 級：06級通信工程（1）班指導教師：侯 亮答辯時間：2010年6月15日專心-專注-專業(yè)前 言平面倒F天線(PIFA,Planar Inverted F Antenna)主要應(yīng)用在手機終端中，由于其體積小、重量輕、成本低、性能好，符合當前無線終端對天線的要求，因而得到廣泛的應(yīng)用，進行了許多研究工作。先進設(shè)計

2、系統(tǒng)(Advanced Design System)，簡稱ADS，是安捷倫科技有限公司(Agilent)為適應(yīng)競爭形勢，為了高效的進行產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)，而設(shè)計開發(fā)的一款EDA軟件。軟件迅速成為工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域EDA軟件的佼佼者，因其強大的功能、豐富的模板支持和高效準確的仿真能力（尤其在射頻微波領(lǐng)域），而得到了廣大IC設(shè)計工作者的支持。ADS可以模擬整個信號通路，完成從電路到系統(tǒng)的各級仿真。它把廣泛的經(jīng)過驗證的射頻、混合信號和電磁設(shè)計工具集成到一個靈活的環(huán)境中，包括從原理圖到PCB 板圖的各級仿真，當任何一級仿真結(jié)果不理想時，都可以回到原理圖中重新進行優(yōu)化，并進行再次仿真，直到仿真結(jié)果滿意為止，保證了實

3、際電路與仿真電路的一致性。本設(shè)計通過ADS軟件對微帶天線進行設(shè)計，設(shè)計了平面倒F天線，即PIFA天線的設(shè)計以及利用Hilbert分型結(jié)構(gòu)對天線小型化設(shè)計。論文主要包括：PIFA天線的介紹，ADS軟件的使用，PIFA天線的設(shè)計以及仿真，優(yōu)化及結(jié)果分析等內(nèi)容。論文結(jié)構(gòu)安排如下：第一章緒論；第二章FIFA天線原理及介紹；第三章ADS軟件的使用；第四章PIFA天線的設(shè)計；第五章仿真優(yōu)化及結(jié)果分析。第一章介紹了本設(shè)計要解決的問題，提出了用ADS軟件設(shè)計PIFA天線。第二章詳細介紹了PIFA天線的工作原理和Hilbert分型結(jié)構(gòu)的原理。第三章介紹本次設(shè)計主要用到的ADS相關(guān)的功能。第四章詳細的介紹了設(shè)計的

4、全過程。第五章就仿真結(jié)果及進一步優(yōu)化做了詳盡的分析。由于水平有限，設(shè)計難免存在漏洞和缺陷，歡迎批評指正。摘 要平面倒F天線(PIFA,Planar Inverted F Antenna)是一種常用的平面天線，平面倒F天線具有體積小，重量輕，低剖面，結(jié)構(gòu)簡單，易于加工制作等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于移動電話等移動通信終端設(shè)備上。本設(shè)計通過ADS軟件對PIFA天線進行仿真設(shè)計，嘗試了一種PIFA天線設(shè)計方法。在文中給出了清晰地設(shè)計的步驟，闡述了設(shè)計中微帶天線參數(shù)的計算方法，結(jié)合設(shè)計方法給出了一個中心頻率為2.4GHz，工作帶寬不小于120MHz，增益大于1.5dB，輸入阻抗接近50, 方向圖接近全向或

5、半全向，具有水平和垂直極化特性的微帶天線的設(shè)計及利用Hilbert分型結(jié)構(gòu)小型化天線 的設(shè)計。仿真結(jié)果的分析驗證了此方法的正確性和可行性。該方法利用ADS仿真軟件進行微帶天線的設(shè)計，可減少工作量，提高設(shè)計的準確性，降低設(shè)計成本，因而可使設(shè)計工作簡單化，能夠達到事半功倍的效果。關(guān)鍵詞：微帶；PIFA；Hilbert；ADSAbstractPlanar inverted F antenna (PIFA, Planar Inverted F Antenna) is a common planar antenna. Planar inverted F antenna has the feature o

6、f 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 communication terminal devices. The simulation design pattern to the PIFA antenna is a new way that used by the ADS software. The text sho

7、ws a clear step of the design, and elaborate the caculating method to the microstrip antenna. Combined 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 desi

8、gn uses Hilbert typing small-structure antennas. Direction pattern is close to full or half-full, which also have horizontal and vertical polarization. The analysis of simulation results shows its correctness and feasibility. The method will be able to advance in reducing the workload, improving des

9、ign accuracy, reducing design costs, so it can simplify the design work, and achieve a betterr effect.Keywords：microstrip； PIFA；Hilbert；Advanced Design System目 錄圖目錄第1章 緒 論現(xiàn)代無線通信的飛速發(fā)展對無線通信設(shè)備的設(shè)計提出了越來越高的要求。平面倒F天線(PIFA)具有尺寸小，重量輕且后向輻射小等優(yōu)點而成為目前內(nèi)置天線的主要形式。不斷縮小的空間對天線性能提高提出了一個巨大挑戰(zhàn)，尤其對帶寬的要求仍然很高，目前PIFA提高帶寬的方法有很

10、多，諸如增加寄生貼片，開矩形凹槽，改變饋點的結(jié)構(gòu)，加多層貼片或多個支路等，其中改變饋點結(jié)構(gòu)是最直接有效的方法，但是此種方法在實際設(shè)計中不易實現(xiàn)，本文利用Hilbert分型結(jié)構(gòu)來小型化平面倒F貼片天線，分形結(jié)構(gòu)的天線具有良好的尺寸縮減特性，可以在有限的空間內(nèi)大幅度提高天線的效率。利用一維的Hilbert分形結(jié)構(gòu)在天線在尺寸的縮減的同時，具有較高的天線效率?，F(xiàn)有已使用的RFID標簽天線，大多數(shù)設(shè)計成單極鞭形天線，其結(jié)構(gòu)簡單，但所占用空間較大?，F(xiàn)代無線通信領(lǐng)域常采用的天線是倒F型單極天線，它結(jié)構(gòu)緊湊，帶寬適中，不容易損壞，而且功耗更低。同時，分形結(jié)構(gòu)的特性之一就是具有空間填充性能，即分形能夠在很小的

11、體積內(nèi)充分地利用空間。而采用分形結(jié)構(gòu)設(shè)計的天線，可以大大減小天線的尺寸，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。下文將設(shè)計一個中心頻率為2.4GHz，工作帶寬不小于120MHz，增益大于1.5dB，輸入阻抗接近50, 方向圖接近全向或半全向，具有水平和垂直極化特性的平面倒F天線。第2章 平面倒F天線原理2.1微帶天線簡介微帶天線最初提出于20世紀50年代，發(fā)展于70年代，成熟于80年代，特別是在航天設(shè)備和便攜式通信系統(tǒng)中。與其他類型的天線相比，微帶天線具有重量輕，剖面小，結(jié)構(gòu)緊湊，外觀優(yōu)美等眾多優(yōu)點，而且能夠做成共形天線，便于制造和集成，成為了天線領(lǐng)域的一個研究熱點。天線理論分析的基本問題就是求解天線在周圍空間輻射

12、的電磁場，求得電磁場數(shù)據(jù)后，進而計算出方向圖，增益以及輸入阻抗等特性參數(shù)。迄今為止已經(jīng)提出了眾多方法對微帶天線進行理論分析，常見的方法有傳輸線模型理論，空腔模型理論等，這些分析方法相對比較簡單，缺點是精度不夠。相對比較嚴格的計算方法也比較復雜的是積分方程法，即全波理論，而對于復雜的微帶天線結(jié)構(gòu)一般都是利用數(shù)值分析的方法。2.1.1微帶天的結(jié)構(gòu)微帶天線的基本結(jié)構(gòu)如圖21所示。其結(jié)構(gòu)一般包括三部分：介質(zhì)基片、接地面和微帶輻射器。基片地板微帶輻射器微帶饋線/2h圖2.1 微帶天線的基本結(jié)構(gòu)輻射貼片和接地面一般采用銅或者其它金屬作為材料，形狀可以設(shè)計成各種各樣來滿足不同的要求。介質(zhì)基片的相對介電常數(shù)通

13、常較小，一般不超過10，通常取dim(A)的集合A，稱為分形集。其中，Dim(A)為集合A的Hausdorff維數(shù)或分維數(shù)，dim(A)為其拓撲維數(shù)。一般說來，Dim(A)不是整數(shù)，而是分數(shù)；(2)部分與整體以某種形式相似的形態(tài)，稱為分形。然而，經(jīng)過理論和應(yīng)用的檢驗，人們發(fā)現(xiàn)這兩個定義很難包括分形如此豐富的內(nèi)容。實際上，對于什么是分形，到目前為止還沒有確切的定義。正如生物學中“生命”的定義一樣，人們只能列出一系列生命體所具有的特征，比如對環(huán)境的適應(yīng)能力、生命能力、運動能力以及繁殖能力等等來說明?，F(xiàn)在，人們一般采用著名分形幾何學家Falconer在分形集幾何學中對分形集合F的描述來判斷某一對象是

14、否是分形。他的觀點是最好把分形看成是具有某些特性的集合，而不用去尋找一個幾乎概括所有情形的精確定義。因此，F(xiàn)alconer列出了五條用不確定性語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細節(jié)，(2)分形集不能用傳統(tǒng)的幾何語言來描述，或者說它具有精細的結(jié)構(gòu)。它既不是滿足某些條件的點的軌跡，也不是某些簡單方程的解集。(3)分形集具有某種自相似形式，可能是近似的自相似或者統(tǒng)計的自相似。(4)一般，分形集的“分形維數(shù)”，嚴格大于它相應(yīng)的拓撲維數(shù)。(5)分形的生成方式很簡單，可以用遞歸迭代產(chǎn)生。其中前三項說明了分形在結(jié)構(gòu)上的內(nèi)在規(guī)律性，第(4)項說明了分形的復雜性，第(5)項則說明了分形

15、的生成機制。2.2.2分形維數(shù)分形維數(shù)是分形理論中最重要的一個概念，它是對非光滑、非規(guī)則、破碎的等極其復雜的分形客體進行定量刻畫的重要參數(shù)，它表征了分形體的復雜程度、粗糙程度，即分形維數(shù)越大，客體就越復雜、越粗糙，反之亦然。維數(shù)概念歷來在數(shù)學和物理學中占據(jù)著重要的地位。按傳統(tǒng)的觀點，維數(shù)是確定系統(tǒng)狀態(tài)的獨立變量，只能取整數(shù)。然而，在分形理論中，對于一個分形客體，它的維數(shù)一般都不限于整數(shù)，而可取任何實數(shù)值。分形維數(shù)是定量刻畫分形特性的常數(shù)，能夠反映分形的基本特征，而且賦予了很多嶄新的內(nèi)涵，但由于側(cè)重面不同，有多種定義和計算方法。常見的有Hausdorff維、信息維、容量維等，它們有各自不同的應(yīng)用

16、。下面介紹幾種常見的分形維數(shù)定義：(1)Hausdorff維數(shù)設(shè)一個客體劃分為個大小和形態(tài)完全相同的小客體，每一個小客體的線度是原客體的6倍，該客體的Hausdorff維數(shù)為： (2.2.1)其中表示整體所包含的小圖形的個數(shù)。如果把一個客體的線度放大L倍，那么得到的新客體是原客體的K倍，則該客體的維數(shù)為 (2.2.2)(2)信息維數(shù)在Hausdorff維數(shù)現(xiàn)的定義中，只考慮了所需覆蓋的個數(shù)，而不考慮每個覆蓋中所含分形集元素的多少。設(shè)表示分形集的元素屬于覆蓋中的概率，則信息維數(shù)為： (2.2.3)在等概率的情況下，即信息維數(shù)等于Hausdorff維數(shù)。(3)并聯(lián)維數(shù)若分形中某兩點之間的距離為，其

17、關(guān)聯(lián)函數(shù)為，則關(guān)聯(lián)維數(shù)為： (2.2.4)式中： (2.2.5)(4)相似維數(shù)設(shè)分形整體S是由N個非重疊的部分組成，如果每一個部分經(jīng)過放大倍后可與S全等(N)，并且，則相似維數(shù)為： (2.2.6)相似維數(shù)風與Hausdorff維數(shù)是一致的，但在某些情況下，特別是對某些分形曲線，用相似維數(shù)似乎要更方便些。(5)容量維數(shù)容量維數(shù)是由Kolmogorov推導的，它的定義類似于Hausdorff維數(shù)，是以包覆為基礎(chǔ)的。假定要考慮的圖形是n維歐氏空間中的有界集合，用半徑為的球填入該圖形，假定是球的個數(shù)最小值，則容量維數(shù)可用下式來定義： (2.2.7)除上述定義的幾種分形維數(shù)外，還有譜維數(shù)、模糊維數(shù)、拓撲

18、維數(shù)、廣義維數(shù)、微分維數(shù)、分配維數(shù)、質(zhì)量維數(shù)、填充維數(shù)等。在分析研究中，之所以對分形維數(shù)有很多定義是因為要找到對任何事物都適用的定義并不容易。由于測定維數(shù)的對象不同，就某一分形維數(shù)的定義而言，有些對象適用，而另外一些就可能完全不適用，因而對不同定義的維數(shù)使用不同的名稱把它們區(qū)分開。為了便于表示，通常把非整數(shù)值的維數(shù)統(tǒng)稱為分形維數(shù)。2.1.3分形結(jié)構(gòu)的描述語言描述分形結(jié)構(gòu)的通用方法是函數(shù)迭代系統(tǒng)(IFS)，它能夠方便地生成各種分形結(jié)構(gòu)。函數(shù)迭代系統(tǒng)(IFS)建立在一系列自仿變換因子W的基礎(chǔ)上，完成對初始幾何結(jié)構(gòu)的迭代。W可用公式表示為： (2.2.8)或者等價于 (2.2.9)式中，a、b、c、

19、d、e、f為實數(shù)，a、b、c、d控制幾何結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)和伸縮，e、f控制幾何結(jié)構(gòu)線性位移。假設(shè)存在一系列自仿變換因子集合W=和一個最初的幾何結(jié)構(gòu)么。那么，將這些自仿變換因子集合形作用于初始幾何結(jié)構(gòu)么，就會生成一系列新的幾何結(jié)構(gòu)，我們將其記為，把這些結(jié)果做并集就可以得到新的幾何結(jié)構(gòu)，表示如下： (2.2.10)式中，稱為H算子(Hutchinson Operator)。將作用于就可以生成下一個幾何結(jié)構(gòu)，依次類推，將反復作用于前一個幾何結(jié)構(gòu)，就可以不斷地生成新的幾何結(jié)構(gòu)。函數(shù)迭代系統(tǒng)就是通過這個迭代方式，可以根據(jù)具體需要，在初始幾何結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，生成任意階的分形結(jié)構(gòu)。例如，設(shè)集合為一個初始幾何結(jié)構(gòu)，則

20、由該初始幾何結(jié)構(gòu)生成的第K+1階分形結(jié)構(gòu)可以通過以下迭代得到： (2.2.11)一個函數(shù)迭代系統(tǒng)通過反復作用于一個幾何結(jié)構(gòu)會生成一個收斂的幾何結(jié)構(gòu)序列，這個最終的幾何結(jié)構(gòu)可以由下式表示： (2.2.12)這個幾何結(jié)構(gòu)函數(shù)迭代系統(tǒng)的“吸引子”，代表自仿變換因子集合W的一個“固定點”。由于函數(shù)迭代系統(tǒng)提供了一種描述、分類和操作分形結(jié)構(gòu)的通用方法，所以它是分形結(jié)構(gòu)設(shè)計的強有力工具。2.3倒F原理及結(jié)構(gòu)分析PIFA的典型結(jié)構(gòu)包括一個平面的矩形金屬片、一個大的接地平面、一個窄的短路金屬板(置于矩形平面金屬片長度較短邊的邊緣)。一方面，PIFA可以被認為是一個線性倒F型天線(IFA：InvertedF A

21、ntenna)，將IFA的金屬線輻射體替換為金屬板后，頻寬比原來的IFA寬。另一方面，也可以將PIFA視為一個短路的矩形微帶天線，這種短路的矩形微帶天線其實際共振模態(tài)與矩形微帶天線的共振模態(tài)是一樣的，都是共振在基本模態(tài)。將短路金屬板置于輻射金屬與接地平面之間時，將使矩形輻射金屬的長度減半，從而達到縮小天線的目的，此時在短路會屬板的位置，的電場為零。當短路金屬板的寬度等于平面矩形輻射貼片的寬度時，即為“短路面加載”；當短路金屬板寬度比平面矩形金屬片窄時，即為“短路壁加載”，天線的有效電感增加，共振頻率低于傳統(tǒng)的短路微帶天線。因此，在相同尺寸的平面矩形金屬片下，要得到相同共振頻率，就必須使平面矩形

22、金屬片縮小，從而達到原先將天線縮小的目的。加載短路金屬板，一方面可以實現(xiàn)小型化，另一方面可以使整個天線的有效電感增加，諧振頻率低于傳統(tǒng)的一端短路微帶天線，拓展了微帶天線在頻段方面的使用范圍。倒F天線常用于無線通信系統(tǒng)中，典型的倒F天線結(jié)構(gòu)如圖32(b)所示。倒F天線是在倒L(如圖32(a)所示)天線的垂直元末端加上一個倒L結(jié)構(gòu)而構(gòu)成。使用附加的這個結(jié)構(gòu)可以調(diào)整天線和饋電端的匹配，不需要另外的匹配電路，簡化了天線結(jié)構(gòu)。倒F天線具有低輪廓結(jié)構(gòu)，輻射場具有水平和垂直兩種極化，這些特性對天線的設(shè)計非常重要。圖2.2典型倒L和倒F形天線結(jié)構(gòu)在設(shè)計印刷倒F單極天線時，我們可以通過調(diào)整天線尺寸達到工作頻段所

23、要求的理想匹配效果。一般來說，倒F天線水平單元的尺寸估算值可以由以下經(jīng)驗公式得到： (2.3.1) (2.3.2)其中，表示bc段的長度，為cd段的長度，C為真空中的光速，為介質(zhì)板的有效介電常數(shù)，為相對介電常數(shù)，h和W分別為介質(zhì)板的厚度和天線的線寬。2.4Hilbert分形結(jié)構(gòu)分析Hilbert曲線作為一個連續(xù)圖形不存在任何交叉點，隨著分形階數(shù)的增加，曲線通過自相似迭代從一維空間逐漸填充到二維空間，曲線具有嚴格的自相似性。階Hilbert分形曲線的分形維數(shù)可以按下式計算： (2.4.1)Hilbert曲線的分形維數(shù)隨曲線階數(shù)的增加而增大，表征了分形曲線占據(jù)空間的利用率。由公式(2.2.1)可知

24、，Hilbert分形曲線的分數(shù)維取值范NI為1，2，是一種結(jié)構(gòu)簡單、空間占有率高的分形結(jié)構(gòu)。下面利用函數(shù)迭代系統(tǒng)簡單描述一下Hilbert分形曲線的生成過程，如圖34所示。此處，初始Hilbert分形曲線為一個二維幾何結(jié)構(gòu)： (2.4.2)四個隸屬變換因子分別作用于初始Hilbert分形曲線，經(jīng)四次迭代，依次生成l階Hilbert分形曲線、2階Hilbert分形曲線以及3和4階Hilbert分形曲線。對于Hilbert分形曲線隸屬變換因子集合，如令其中，s表示尺度變換矩陣，r表示旋轉(zhuǎn)變換矩陣，t表示線性位移矩陣。則： (2.4.3) (2.4.4) (2.4.5)式中，為Hilbert分形曲線

25、的階數(shù)，為Hilbert分形曲線旋轉(zhuǎn)角度，分別對應(yīng)隸屬變換因子集合礦中的四個元素，則Hilbert分形曲線的隸屬變換因子集合為： (2.4.6)圖2.3IFS生成Hilbert分形曲線的過程圖2.2.1為0-3階的Hilbert分形迭代結(jié)構(gòu)。從圖中可以看出，Hilbert是13等邊分形曲線，若0階Hilbert曲線各邊長均為h，則n階Hilbert曲線總長度為： (2.4.7) 由等式(2.2.7)可知，隨著Hilbert分形迭代次數(shù)的增加，Hilbert曲線的長度呈指數(shù)上升，趨近于無窮大，逐漸填充整個輪廓。當?shù)螖?shù)為5時，X4單極天線長度為原來的65倍，由于耦合效應(yīng)的存在天線的諧振頻率并沒

26、有降為原來的165而是111，但仍然具有很強的尺寸壓縮能力。因此，Hilbert曲線非常適合用于小型化分形天線的設(shè)計。目前，Hilbert分形曲線已應(yīng)用于VHF他HF通信的天線設(shè)計中。圖2.4Hilbert分形迭代結(jié)構(gòu)第3章 ADS軟件的使用3.1 ADS軟件簡介先進設(shè)計系統(tǒng)(Advanced Design System)，簡稱ADS，是安捷倫科技有限公司(Agilent)為適應(yīng)競爭形勢，為了高效的進行產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)，而設(shè)計開發(fā)的一款EDA軟件。軟件迅速成為工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域EDA軟件的佼佼者，因其強大的功能、豐富的模板支持和高效準確的仿真能力（尤其在射頻微波領(lǐng)域），而得到了廣大IC設(shè)計工作者的支持。

27、ADS是高頻設(shè)計的工業(yè)領(lǐng)袖。它支持系統(tǒng)和射頻設(shè)計師開發(fā)所有類型的射頻設(shè)計，從簡單到最復雜，從射頻微波模塊到用于通信和航空航天國防的MMIC。通過從頻域和時域電路仿真到電磁場仿真的全套仿真技術(shù)，ADS讓設(shè)計師全面表征和優(yōu)化設(shè)計。單一的集成設(shè)計環(huán)境提供系統(tǒng)和電路仿真器，以及電路圖捕獲、布局和驗證能力 因此不需要在設(shè)計中停下來更換設(shè)計工具。先進設(shè)計系統(tǒng)是強大的電子設(shè)計自動化軟件系統(tǒng)。它為蜂窩和便攜電話、尋呼機、無線網(wǎng)絡(luò)，以及雷達和衛(wèi)星通信系統(tǒng)這類產(chǎn)品的設(shè)計師提供完全的設(shè)計集成。ADS電子設(shè)計自動化功能十分強大，包含時域電路仿真(SPICE-like Simulation)、頻域電路仿真(Harmon

28、ic Balance、Linear Analysis)、三維電磁仿真 (EM Simulation)、通信系統(tǒng)仿真(Communication System Simulation)、數(shù)字信號處理仿真設(shè)計(DSP)；ADS支持射頻和系統(tǒng)設(shè)計工程師開發(fā)所有類型的RF設(shè)計，從簡單到復雜，從離散的射頻/微波模塊到用于通信和航天/國防的集成MMIC，是當今國內(nèi)各大學和研究所使用最多的微波/射頻電路和通信系統(tǒng)仿真軟件軟件。此外Agilent公司和多家半導體廠商合作建立ADS Design Kit及Model File供設(shè)計人員使用。使用者可以利用Design Kit及軟件仿真功能進行通信系統(tǒng)的設(shè)計、規(guī)劃與

29、評估，及MMIC/RFIC、模擬與數(shù)字電路設(shè)計。除上述仿真設(shè)計功能外，ADS軟件也提供輔助設(shè)計功能，如Design Guide是以范例及指令方式示范電路或系統(tǒng)的設(shè)計流程，而Simulation Wizard是以步驟式界面進行電路設(shè)計與分析。ADS還能提供與其他EDA軟件，如SPICE、Mentor Graphics的ModelSim、Cadence的NC-Verilog、Mathworks的Matlab等做協(xié)仿真(Co-Simulation)，加上豐富的元件應(yīng)用模型Library及測量/驗證儀器間的連接功能，將能增加電路與系統(tǒng)設(shè)計的方便性、速度與精確性。ADS軟件版本有ADS2008、ADS2

30、006A、ADS2005A、ADS2004A、ADS2003C、ADS2003A、ADS2002C和ADS2002A以及ADS1.5等。3.2 ADS的使用3.2.1微帶線計算器LineCalc對于ADS 微帶線計算器LineCalc，根據(jù)微帶線的偶模和奇模阻抗，按照給定的微帶線路板的參數(shù)，使用ADS中的微帶線計算器LineCalc計算得到微帶線的幾何尺寸W、S、L。圖3.1微帶線計算器LineCalcZE Zeven即耦合線偶模阻抗ZO Zodd即耦合線奇模阻抗Z0 指耦合線端接傳輸線特性阻抗（一般為50歐）C_DB用dB表示的耦合度C(dB) = 20log10 (ZE-ZO)/(ZE+Z

31、O)E_eff 耦合線有效電長度，單位度，即相位延遲Hu 指微帶線上部空間高度Mur磁導率計算耦合線時，只需按設(shè)計參數(shù)和板材條件設(shè)置即可，其中Z0選定后，輸入ZO、ZE ，C_DB是自動計算出的。點擊上箭頭，軟件即會給出耦合線的物理尺寸，即W線寬、S耦合線間距、L耦合線長度。3.2.2 版圖仿真工具MomentumADS軟件提供了一個2.5D的平面電磁仿真分析功能Momentum（ADS2005A版本Momentum已經(jīng)升級為3D電磁仿真器），可以用來仿真微帶線、帶狀線、共面波導等的電磁特性，天線的輻射特性，以及電路板上的寄生、耦合效應(yīng)。所分析的S參數(shù)結(jié)果可直接使用于些波平衡和電路包絡(luò)等電路分

32、析中，進行電路設(shè)計與驗證。把電路圖導入到Layout界面注意事項：要關(guān)閉Term以及接地去掉，不可以讓他們出現(xiàn)在原理圖中。去掉的方法與關(guān)閉優(yōu)化控件的方法相同，即使用按鈕，把這些元件打上紅叉。然后用Layout Generate/update Layout命令完成導入。Momentum中options preference的常用設(shè)置：網(wǎng)格（Grid）的間距和顯示，端口（port）和地（ground）在layout中的顯示大小，layout窗口背景色（background color），絲印層文字的顯示大小，layout的單位（unit）等。第4章 設(shè)計說明4.1天線結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析圖4.1(b)為

33、水平單元cd段(見圖32(b)被Hilbert分形結(jié)構(gòu)取代的倒F單極天線。該天線印刷在厚度為16 mm的FR4介質(zhì)板(相對介電常數(shù)為4.4)的上表面，而底面為接地板(注意，天線所在介質(zhì)板部分的底面沒有地板)，如圖4.1(a)所示。圖4.1(b)為標簽天線的俯視圖，從圖中我們可以看到天線的短路點a直接與接地板相連，而饋電點e直接與射頻模塊的匹配電路輸出端相連。圖4.1基于Hilbert分形結(jié)構(gòu)的倒F天線結(jié)構(gòu)Hilbert分形倒F單極天線的abc段可等效成電阻和電感的串聯(lián)(諧振時短路，故a端可看作短路點)。dce段可等效為電容和電阻的并聯(lián)(相當于負載，諧振時開路，故d端可看作開路的諧振器)。所以d

34、端電壓最大，電流為零；a端電壓為零，電流最大。因此，在仿真與優(yōu)化天線時，我們可以調(diào)整動和ce段的長度和線寬來實現(xiàn)與輸出電路的匹配。4.2相關(guān)參數(shù)的計算對于單極印制天線來說，其線寬可由以下等式得到： (4.2.1)其中 (4.2.2) (4.2.3)研究表明，當Hilbert分形單極天線的饋電點在線端時，其輸入阻抗實部很小。例如，尺寸為70mmx70mm的3階Hilbert分形天線，在諧振頻點處實部值僅為2。同時，文獻43指出Hilbert分形天線的輸出阻抗取決于饋電點到天線一個端點的距離與天線總長度的比值。對于具有同一階數(shù)的Hilbert分形天線，無論外圍尺寸和導線寬度如何變化，在饋電點位置不

35、變的情況下，天線的輸出阻抗不會改變。由于本論文所要設(shè)計的天線必須與芯片的前端電路直接連接，所以Hilbert單極天線的饋電點只能選擇在線端處。為了驗證文獻42的結(jié)果，下面僅對1階的Hilbert分形單極天線進行仿真分析。同樣，天線印刷在厚度為1.6 mm的FR4介質(zhì)板(相對介電常數(shù)為4.4)上。由(1)式可得，Hilbert分形單極天線的線寬w=15mm。根據(jù)公式(39)，當n=1時，Hilbert分形曲線長度L=5h。由于耦合效應(yīng)的存在，Hilbert天線的長度L并不等于。取初始值h=7mm，則Hilbert曲線L=35mm。經(jīng)計算各單元的尺寸如下：，。4.3 天線設(shè)計4.3.1繪制版圖啟動

36、ADS進入如下界面圖4.2ADS啟動界面點擊FileNew Project設(shè)置工程文件名稱(本設(shè)計為biyesheji)及存儲路徑圖4.3創(chuàng)建工程對話框工程創(chuàng)建完畢后主窗口變?yōu)閳D4.4圖4.4 ADS主窗口同時版圖打設(shè)計開為圖4.5 新建版圖設(shè)計直接在Main窗口中點擊，打開Layout窗口，在Layout中，選擇option-preference，對系統(tǒng)設(shè)計的背景參數(shù) 進行設(shè)置。我們選擇其中的Layout Unit ，設(shè)置如圖4.6，選擇Layout Unit為mm，Resolution填寫為0.0001表示精確到小數(shù)點后四位。以確保在天線設(shè)計過程中的精度。其他子菜單設(shè)置一般選擇默認。 圖4

37、.6 Layout Unit窗口因為我們設(shè)計的是貼片天線，所以在介質(zhì)板上只有一層，設(shè)計cond層，如圖4.7圖4.7選擇層窗口在Layout中繪制天線。由于我們設(shè)計的矩形天線，所以我們選擇 ，然后在窗口中選擇一點，開始畫矩形，矩形大小的控制可以看右下角的右邊的坐標，它表示相對位置的距離。同樣，點擊鼠標右鍵的“measure”，可以測量相對尺寸，如圖4.8所示：圖4.8天線尺寸測量經(jīng)過繪制倒F天線的全圖如下圖4.9所示：圖4.9 倒F天線在Layout中的全貌1選擇：Option=Layers,將cond的Shape Display由filled改為outlined，這樣便于測量尺寸?？傻孟聢D：

38、 圖4.10 倒F天線在Layout中的全貌24.3.2層定義層定義是至關(guān)重要的一步。由Momentum=Substrate=Create/Modify，進入層定義對話窗口。作如下設(shè)置：定義Alumina中的各個參數(shù)，將Alumina的名字改為RF4，因為我們用的介質(zhì)板的材料叫RF4即定義Thickness為1.6mm，表示介質(zhì)板的厚度為1.6mm；Real為4.4，表示介質(zhì)板的相對介電常數(shù)為4.4；Loss Tangent為0.018，表示損耗正切為0.018。最后點擊Apply。我們需要的天線的層結(jié)構(gòu)設(shè)置如圖4.9所示：圖4.9 Substrate Layers中層的參數(shù)設(shè)置Metalli

39、zation Layer層的參數(shù)設(shè)置，在Conductivity選擇Sigma(Re,Im)中填電導率，Thickness中填金屬厚度。其中銅的電導率為5.78E006，厚度為0.018mm。在這些都設(shè)置結(jié)束以后點擊Apply 和 OK就可以了。設(shè)置層參數(shù)圖如圖4.10所示。圖4.10 Metallization Layer中層的參數(shù)設(shè)置4.3.3端口的定義選中增加Port。Port加在cond層天線的接地端，也就是天線的a端。可以選擇Options=Midpoint Snap，使得Port加在物體的中間位置。由Momentum = Port Editor,再用鼠標選中端口，進行編輯。在Por

40、t Type中選擇Single。點擊Apply就OK了。編輯如圖4.11所示。圖4.11 端口的設(shè)置4.3.4 參數(shù)仿真Mesh設(shè)置 在Momentum = Mesh =Setup中設(shè)置Mesh，Mesh的設(shè)置決定了仿真的精度。通常，Mesh Frequency和 Number of Cells Per Wavelength 越大，精度越高。但是這是以仿真時間的增加為代價的。有時不得不以精度的降低換取仿真時間的減小。在本例中，我們采用Mesh的默認值，即：Mesh Frequency為后面S仿真中的頻率上限值， Number of Cells Per Wavelength 為30。選擇Mome

41、ntum中的SimulationSparameters 出現(xiàn)一個對話框在Sweep Type 中可以選擇Single，Adaptive，Linear。Single表示對單個頻率點進行仿真，Adaptive表示根據(jù)曲線變化的幅度選擇不同頻率下的Sample Point，以用最少的Sample Point來描述圖形，因此在對大范圍的頻率掃描時，推薦使用Adaptive Type；對于Linear，是選擇上下頻率的范圍和步長，在規(guī)定頻率段和規(guī)定步長下進行取點。這里選擇adaptive。Start里為掃描的起始頻率，Stop為掃描的結(jié)束頻率。Sample Points Limt為掃描的取樣個數(shù)。這里一

42、般設(shè)置為25，設(shè)置好點擊Add Frequency Plan List添加。最后點擊Simulate進行仿真。圖4.12 Mesh的設(shè)置圖4.13 仿真進程狀態(tài)顯示窗口第5章 仿真結(jié)果及分析基本版圖繪制好后，對天線的基本性能進行仿真，結(jié)果如圖5.1所示：圖5.1經(jīng)過Simulation的仿真圖從S11圖中看出天線的中心頻率在2.4GHz處，達到設(shè)計要求。天線將在2.4GHz的頻率處工作。但是從下圖的紅線中看出天線在中心頻率初的增益只有-10dB遠沒有達到設(shè)計的要求，經(jīng)過了多次修改天線的增益也不符合標準。圖5.2天線的增益對天線表面電流的分布的觀察選擇Current Set Port Solut

43、ion Weights，單擊OK。然后，選擇Current =Plot Currents。按照相位從-，觀察天線的表面電流分布，分布圖如圖5.25.5所示：圖5.3 0度表面電流分布圖圖5.4 90度表面電流分布圖圖5.5 180度表面電流分布圖 圖5.6 270度表面電流分布圖從上圖中我們可以看出天線在不同照相位，天線上的電流強弱的不同。圖5.7 E面輻射方向圖 圖5.8 E Theta面輻射方向圖圖5.9 E Phi面輻射方向圖從上面圖5.7中我們可以看出天線的E平面圖接近全向，圖5.8的E Theta和圖5.9的E Phi可以看出天線的輻射接近半全向，符合了平面倒F天線對方向圖的要求。第

44、6章設(shè)計總結(jié)基于ADS的微帶天線的設(shè)計，這一課題主要涉及到兩方面的內(nèi)容：微帶天線的設(shè)計和ADS軟件的使用，通過本次設(shè)計我對ADS軟件有了一個初步的認識，ADS是一個很強大的射頻仿真軟件，可以對射頻通信的各個部分都可以仿真，但是我只是使用到了他的一小部分功能，使用了他的版圖仿真功能，經(jīng)過3個月的學習和使用也只是初窺門徑，用到的是它的皮毛而已。本次畢業(yè)設(shè)計我利用了ADS軟件經(jīng)行了一個中心頻率在2.4GHz，工作帶寬不小于120MHz，增益大于1.5dB，輸入阻抗接近50的平面倒F形微帶天線。在設(shè)計的過程中，我遇到了很多的問題，現(xiàn)在總結(jié)如下：在天線的設(shè)計上，我通過查閱了很多資料，了解了有關(guān)平面倒F天

45、線的基本結(jié)構(gòu)，倒F天線其實就是在倒L天線的垂直元末端上再加了一個倒L結(jié)構(gòu)構(gòu)成的。使用附加的這一個倒L形結(jié)構(gòu)可以調(diào)節(jié)天線的饋電端的匹配，而不需要另外的匹配電路，從而簡化了天線的結(jié)構(gòu)。了解了天線的基本結(jié)構(gòu)后，最重要的就是在ADS軟件下對天線的設(shè)計與仿真， 在這之前我都覺得天線的設(shè)計也還是很簡單的，天線的理論設(shè)計無非就是對參數(shù)的計算，而且計算得公式又都是給定的。但是到了仿真階段，我就發(fā)現(xiàn)天線設(shè)計的難度遠比我想象的要大，對天線參數(shù)的各個細節(jié)都要注意，天線的層的設(shè)定，層與層之間的介質(zhì)材料的相對介電常數(shù)的設(shè)定，天線的饋電點以及天線參數(shù)的設(shè)定不同而天線的接地也有不同的類型。這些都是我在版圖設(shè)計過程中遇到的問

46、題，這些問題一一解決后，就開始了仿真，在仿真圖形出來后，就要用到Hilbert分形結(jié)構(gòu)對倒F天線的“臂”要開始小型化，倒F天線唯一的缺點就是這個F的“臂”太長，Hilbert分形正是在不改變天線的各個參數(shù)的情況下對天線的“臂”經(jīng)行小型化，從而使天線實用化，但是我計算后對天線的“臂”進行改變后發(fā)現(xiàn)這一結(jié)構(gòu)對我的天線的影響還是很大的，因此我只能在天線的版圖里對天線的臂長進行逐漸優(yōu)化，從而使我的天線接近要求的指標參數(shù)。在這次設(shè)計中，我的天線的基本指標都還是符合要求的，但是在天線的增益和天線的輸入阻抗這兩個部分沒有達到設(shè)計要求，所以我的設(shè)計只能算是成功了一半，這是我本次設(shè)計遺留的問題，由于時間緊迫，這

47、兩個問題我只能放到我以后的工作和學習中將它們解決。畢業(yè)設(shè)計作為對大學所學知識的綜合考察，把所學知識應(yīng)用到實際當中去。知識積累和能力在這次畢業(yè)設(shè)計中得到體現(xiàn)，同時也發(fā)現(xiàn)了自己欠缺和不足。更重要的是在近三個月的時間里，養(yǎng)成了我獨立思考問題的習慣，同時也體會到嚴謹?shù)膶W習態(tài)度、團隊合作意識和務(wù)實創(chuàng)新的精神對學習和工作的重要，這是我們今后應(yīng)該倍加珍惜的財富。參考文獻1 雷振亞編著，射頻/微波電路導論，西安：西安電子科技大學出版社，2005.82 逯貴禎等編著，射頻電路的分析和設(shè)計，北京：北京廣播學院出版社，2003.6 3 Richard Chi-Hsi Li 著 ，射頻電路和射頻集成電路設(shè)計中的關(guān)鍵課題，北京：高等教育出版社，20054 (美)Pavel Bretchko著；王子宇等譯，射頻電路設(shè)計：理論與應(yīng)用 (美)Peinhold Ludwig，北京：電子工業(yè)出版社，2002.5 5 (美) W. Alan Davis, Krishna