實驗三矩形微帶天線設計

1、實驗矩形微帶天線的設計 （一）實驗目的n了解微帶天線設計的基本流程n掌握矩形微帶天線的設計方法n熟悉在ADS的layout中進行射頻電路設計的方法（二）設計要求n用陶瓷基片（r9.8），厚度h1.27mm，設計一個在3GHz附近工作的矩形微帶天線。n基片選擇的理由是：陶瓷基片是比較常用的介質(zhì)基片，其常用的厚度是h1.27mm，0.635mm，0.254mm。其中1.27mm的基片有較高的天線效率，較寬的帶寬以及較高的增益。 （三）微帶天線的技術指標n輻射方向圖n天線增益和方向性系數(shù)n諧振頻率處反射系數(shù)n天線效率（四）設計的總體思路n計算相關參數(shù)n在ADS的Layout中初次仿真n在Schema

2、tic中進行匹配n修改Layout，再次仿真，完成天線設計（五）相關參數(shù)的計算n需要進行計算的參數(shù)有n貼片寬度Wn貼片長度Ln饋電點的位置zn饋線的寬度（五）相關參數(shù)的計算（續(xù)）n貼片寬度W、貼片長度L、饋電點的位置z可由公式計算得出n饋線的寬度可以由Transmission Line Calculator 軟件計算得出（五）相關參數(shù)的計算（續(xù)）（六）用ADS設計過程n有了上述的計算結果，就可以用ADS進行矩形微帶天線的設計了n下面詳細介紹設計過程ADS軟件的啟動軟件的啟動n啟動ADS進入如下界面創(chuàng)建新的工程文件n進入ADS后，創(chuàng)建一個新的工程，命名為rect_prj。打開一個新的layout

3、文件，首先設定度量單位。在ADS中，度量單位的缺省值為mil，把它改為mm。方法是：單擊鼠標右鍵PreferencesLayout Units ，如下圖所示設定度量單位介質(zhì)層設置n在ADS的Layout中進行設計，介質(zhì)層和金屬層的設置很重要n在菜單欄里選擇MomentumSubstrateCreate/Modify， 在Substrate Layer標簽里，保留FreeSpace和/GND/的設置不變，點擊Alumina層，修改其設置為： 介質(zhì)層設置（續(xù)）金屬層設置n點擊Metallization Layers標簽，在Layout Layer下拉框中選擇cond，然后在右邊的Definitio

4、n下拉框中選擇Sigma（Re，thickness），參數(shù)設置如下頁圖。n然后在Substrate Layer欄中選擇“-”后，點擊“Strip”按鈕，這將看到“-Strip cond”。一切完成后，點擊OK。 金屬層設置（續(xù)）在Layout中制版n準備工作做好以后，下面就可以進行Layout中的作圖了。 n先選定當前層為v cond，再按照前面計算出來的尺寸作圖。n最后在饋線端加入端口在Layout中制版（續(xù)）仿真預設置n在進行l(wèi)ayout仿真之前，先要進行預設置。在菜單欄選擇Momentum -Mesh-Setup，選擇Global標簽。 鑒于ADS在Layout中的Momentum仿真是

5、很慢的，在允許的精度下，可以把“Mesh Frequency”和 “Number of Cells per Wavelength” 設置得小一點仿真預設置（續(xù)）進行仿真n點擊Momentum - Simulation - S-parameter彈出仿真設置窗口，該窗口右側的Sweep Type選擇Linear， Start、Stop分別選為2.5GHz、3.5GHz，F(xiàn)requency Step選為0.05GHz。Update后，點擊Simulation按鈕。仿真結果對仿真結果的探討 n由上圖可見，理論上的計算結果與實際的符合還是相當不錯的，中心頻率大約在2.95GHz左右。只是中心頻率處反射

6、系數(shù)S11還比較大，從而匹配不理想，在3GHz處，m1距離圓圖上的坐標原點還有相當?shù)木嚯x。在3GHz下的輸入阻抗是：Z0*（0.103-j0.442）5.15j22.1 總體的2D輻射方向圖在原理圖中進行匹配n為了進一步減小反射系數(shù)，達到較理想的匹配，并且使中心頻率更加精確，可以在Schmatic中進行匹配。 n天線在3GHz下的輸入阻抗是：Z0*（0.103-j0.442）5.15j22.1，這可以等效為一個電阻和電容的串連。 匹配原理n匹配的原理是：串聯(lián)一根50歐姆傳輸線，使得S11參數(shù)在等反射系數(shù)圓上旋轉，到達g=1的等g圓上，然后再并聯(lián)一根50歐姆傳輸線，將S11參數(shù)轉移到接近0處。所

7、需要計算的就是串連傳輸線和并聯(lián)傳輸線的長度 nADS原理圖中優(yōu)化功能可以出色的完成這個任務 匹配過程n新建一個Schematic文件，繪出如下的電路圖： 匹配過程（續(xù)）n其中TL1和TL2的L是待優(yōu)化的參量，初值取10mm，優(yōu)化范圍是1mm到20mm。n設置好MSub的值匹配過程（續(xù)）n插入S參數(shù)優(yōu)化器，一個Goal。其中Goal的參數(shù)設置如下：n這里dB（S（1，1）的最大值設為-50dB，是因為在Schematic中的仿真要比在Layout中的仿真理想得多，所以要求設置得比較高，以期在Layout中有較好的表現(xiàn)。 匹配過程（續(xù)）n設置好OPTIM。n常用的優(yōu)化方法有Random(隨機)、G

8、radient(梯度)等。隨機法通常用于大范圍搜索，梯度法則用于局部收斂。這里選擇Random。n優(yōu)化次數(shù)可以選得大些。這里設為300。n其他的參數(shù)一般設為缺省即可。匹配過程（續(xù)）n優(yōu)化電路圖為：匹配過程（續(xù)）n點擊仿真按鈕，當CurrentEF0時，優(yōu)化目標完成。把它update到原理圖上（SimulateUpdate Opimization Values）。nDeactivate優(yōu)化器。最終原理圖如下： 匹配過程（續(xù)）原理圖中的仿真n點擊仿真按鈕，可以看到仿真結果為：原理圖中的仿真（續(xù)）n放置Marker可以得到更詳細的數(shù)據(jù)n在中心頻率f3GHz處，S(1,1)的幅值是5.539E-4，可

9、見已經(jīng)達到相當理想的匹配。修改Layoutn參照Schematic計算出來的結果，修改Layout圖形如下兩點說明n由于這里是手工布板，而不是由Schematic自動生成的，傳輸線的長度可能需要稍作調(diào)整(但不超過1mm)。注意要把原先的3mm饋線長度也算進去。n為了方便輸入，在電路的左端加了一段50的傳輸線。其長度對最終仿真結果的影響微乎其微。這里取1mm。仿真結果n按照前述的步驟進行仿真，仿真結果是仿真結果（續(xù)）n為了較精確地給出匹配的結果，我們將仿真頻率范圍設為2.9GHz到3.1GHz，步長精確到10MHz。n可見進行原理圖匹配的結果是十分理想的。n下面具體給出一些仿真結果?？傮w的2D輻射方向圖 天線增益和方向性系數(shù) 天線效率（七）設計小結n矩形微帶天線設計是微帶天線設計的基礎，然而作為一名新手，想熟練順利地掌握其設計方法與流程卻也有些路要走。 n多仿照別人的例子操作，多自己動手親自設計，多看幫助文件，是進入射頻與微波設計殿堂的不是捷徑的捷徑。（七）設計小結（續(xù)）n一般來說，按照公式計算出來的矩形天線其反射系數(shù)都