實驗印刷偶極子天線設(shè)計

實驗印刷偶極子天線設(shè)計第1頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六（一）實驗?zāi)康牧私庥∷⑴紭O子天線的結(jié)構(gòu)和工作原理學(xué)習(xí)使用ADSMomentum設(shè)計天線的基本方法仿真，調(diào)試，優(yōu)化印刷偶極子天線第2頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六（二）實驗內(nèi)容熟悉ADSLayout的使用環(huán)境。使用ADS軟件設(shè)計一個1.8GHz的印刷偶極子天線。通過仿真分析該天線的性能。第3頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六（三）微帶天線的技術(shù)指標(biāo)諧振頻率(ResonanceFrequency)帶寬(Bandwidth)反射損耗(ReturnLoss)輸入阻抗(Impedance)增益(Gain)第4頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六（四）印刷偶極子天線簡介

——結(jié)構(gòu)圖立體圖平面圖第5頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六（四）印刷偶極子天線簡介

——組成部分天線的組成包括偶極子天線臂巴倫線地板饋線通孔

箭頭的方向表示了電流的流向第6頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六1.8GHz印刷偶極子天線的尺寸偶極子天線臂

Ld=29mmWd=6mmGapg2=3mm

微帶巴倫

Lb=25mmLh=3mm

Gapg1=1mm

Wf=3mmWb=5mmWh=3mm

通孔

r=0.4mm

地板

Lg=12mmWg=19mm

第7頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六（五）ADS軟件的使用本節(jié)內(nèi)容是介紹使用ADS軟件設(shè)計印刷偶極子天線的方法：包括Layout繪制、層定義、端口定義、仿真，優(yōu)化等。下面開始按順序詳細(xì)介紹ADS軟件的使用方法。第8頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六ADS軟件的啟動啟動ADS進入如下界面第9頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六創(chuàng)建新的工程文件點擊File->NewProject設(shè)置工程文件名稱（本例中為Antenna）及存儲路徑點擊LengthUnit設(shè)置長度單位為毫米第10頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六創(chuàng)建新的工程文件（續(xù)）工程文件創(chuàng)建完畢后主窗口變?yōu)橄聢D第11頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六Layout中的背景設(shè)置直接在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LayoutUnit

，設(shè)置如右圖，選擇LayoutUnit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(rèn)。

第12頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六在Layout中繪制天線

由于我們設(shè)計的是雙面天線，在一個介質(zhì)板上貼有上下兩層，上層為饋線，下層為偶極子天線和地板。首先設(shè)計底層，選擇cond2，如圖

第13頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六在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(biāo)，它表示相對位置的距離。同樣，點擊鼠標(biāo)右鍵的“measure”，可以測量相對尺寸，如右圖：

第14頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六在Layout中繪制天線完成對底層cond2的全部設(shè)計，如下圖

第15頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六在Layout中繪制天線選擇：Option=>Layers,將cond2的ShapeDisplay由filled改為outlined，這樣便于測量尺寸?？傻糜覉D：

第16頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六在Layout中繪制天線將設(shè)計的層面改為cond，重復(fù)上面的設(shè)計，完成對于頂層cond的設(shè)計，可以得到右圖：

圖中，紅色是對應(yīng)cond層（頂層），黃色對應(yīng)cond2（底層），下面在頂層與底層之間加上一個通孔第17頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六在Layout中繪制天線

下面在cond與cond2層之間加一個通孔（Via），選擇層為：加通孔，因為是圓形的通孔，所以選擇，如下圖：

這樣就完成了天線尺寸的基本設(shè)計。

第18頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六層定義

這是至關(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：將地面GND的邊界由Closed改為Open（1），然后點擊左下角的Add，增加一層Alumina_0（2），并且把這一層重新定義如下所示（3），即跟上面的FreeSpace定義完全一樣，重新命名為FreeSpace_bottom，當(dāng)然命名為其他名字也是沒有問題的。這樣上下形成了對稱的結(jié)構(gòu)。最后定義Alumina中的各個參數(shù)，即定義Real為4.6，LossTangent為0.018（4），表示損耗正切為0.018。我們需要的天線的層結(jié)構(gòu)如下圖所示：

第19頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六第20頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六第21頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六第22頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六第23頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六層定義—MetallizationLayer設(shè)置去掉通常微帶天線的地面（GND）而加FreeSpace_bottom，與上面的FreeSpace向?qū)ΨQ，這樣更加符合移動通信下天線的實際情況，對于移動通信總是希望全向的天線，這樣可以克服一般的微帶天線只能向半空輻射的缺點而成為全向天線。第24頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六層定義—MetallizationLayer設(shè)置在Conductivity中填電導(dǎo)率，Thickness中填金屬厚度。其中銅的電導(dǎo)率為5.78E＋006，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。

第25頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六端口定義有兩個解決的辦法，采用：兩個Differentialport一個Internalport配合一個GroundReferencePort由于在前面的層定義中取消了GND，所以不能定義SinglePort（NotAvailable）本例中采用第二種方案第26頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六端口定義選中加Port。第一個Ｐort加在cond上，第二個Port加在cond2上。此時，可以選擇Options=>MidpointSnap，使得Port加在物體的中間位置。

第27頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六端口定義可以雙擊端口對端口進行修改，選擇Port對應(yīng)的層：第28頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六端口定義由Momentum=>PortEditor,再用鼠標(biāo)選中端口，進行編輯。在Port2的設(shè)置中，Associatewithportnumber中，寫入1，表示Port2是Port1的參考地。如右圖：

第29頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六在Layout中設(shè)計天線全貌第30頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六Ｓ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，MeshFrequency和NumberofCells

PerWavelength

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(rèn)值，即：MeshFrequency為后面S仿真中的頻率上限值，NumberofCells

PerWavelength

為30。第31頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六Ｓ參數(shù)仿真選擇Momentum中的Simulation―Sparameters

出現(xiàn)一個對話框如右圖。在SweepType中可以選擇Single，Adaptive，Linear

第32頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六Ｓ參數(shù)仿真

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SamplePoint，以用最少的SamplePoint來描述圖形，因此在對大范圍的頻率掃描時，推薦使用AdaptiveType；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

第33頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六Ｓ參數(shù)仿真如下圖對S參數(shù)仿真進行設(shè)置：點擊update，Simulate，開始仿真。第34頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六Ｓ參數(shù)仿真仿真結(jié)果：諧振頻率是剛好位于1.800GHz的，反射波損耗為-28.161dB輸入阻抗為Z0*（0.933+j0.036）=46.65+j1.8第35頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六天線的帶寬對于VSWR<1.5,天線帶寬為13%(1.683GHz—1.917GHz)

對于VSWR<2.0,天線帶寬為23.8%(1.600GHz—2.026GHz)第36頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六觀察遠區(qū)輻射方向圖

選擇Momentum=>PostProcessing=>RadiationPattern，在彈出的對話框中：

SelectFrequency中選擇1.8GHz，因為這是諧振頻率。在VisualizationType中選擇3DVisualization，因為我們首先想觀察三維視圖。在Port1Impedance中寫入端口1的輸入阻抗，這個在S11圖中我們已經(jīng)測量了，為：46.65+j1.8Ω

點擊Compute。第37頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六觀察表面電流的分布選擇Current＝>SetPortSolutionWeights，單擊OK。然后，選擇Current=>PlotCurrents。按照相位從00->900->1800->2700，分別為：第38頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六天線的輻射方向圖

EEThetaEPhi第39頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六觀察天線的增益

選擇Momentum=>PostProcessing=>RadiationPattern->2DDataDisplay,然后點擊Compute,得到：第40頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六觀察天線的增益第41頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六觀察天線的2維E面PlanarCut又稱為垂直截面，如下圖，Phi是一定的，Theta從0-3600變化。這樣截取的平面是與Layout平面相垂直的。ConicalCut又稱為水平截面，它的Theta是確定的，而Phi是可以從0-3600變化。與Layout平面平行第42頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六觀察天線的2維E面首先，觀測PlanarCut（垂直極化）。在FarField>Cut3DFarField,設(shè)置如下圖：

第43頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六E平面垂直截面Phi=900

EEThetaEPhi第44頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六E平面水平截面Theta=450

EEThetaEPhi同樣的方法可以得到水平截面下的二維E平面第45頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六天線參數(shù)的優(yōu)化

使用ADSLayout中的optimization，可以完成對于天線的優(yōu)化。優(yōu)化時可以對一個參數(shù)進行優(yōu)化，也可以同時對多個參數(shù)進行優(yōu)化。通過Goal設(shè)置優(yōu)化的目標(biāo)，優(yōu)化的目標(biāo)主要是S11,S21參數(shù),但是不可以對介電常數(shù)、介質(zhì)板厚度等參數(shù)進行優(yōu)化。下面就天線的帶寬通過調(diào)節(jié)偶極子寬度Wd進行優(yōu)化，目的演示優(yōu)化的過程。第46頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六天線參數(shù)的優(yōu)化

選擇Momentum->Optimization->parameters,進入優(yōu)化參數(shù)設(shè)置對話框：在nominalValue填入4，表示優(yōu)化的Wd的起始值，PerturbedValue表示優(yōu)化的終止值。第47頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六天線參數(shù)的優(yōu)化單擊add，會彈出一個新的窗口提供有關(guān)設(shè)置參數(shù)的信息，點擊OK。一個新的Layout窗口將會自動彈出。由于我們是對偶極子天線臂寬進行設(shè)置，先用Ctrl＋鼠標(biāo)選中天線臂的四個角。如下圖：第48頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六天線參數(shù)的優(yōu)化

選擇Edit->Move->MoveRelatively.在新彈出的對話框中填入如下圖

表示相對位移為Y軸正向移動6mm，點擊Apply?？梢詮腖ayout圖中看出Wd變?yōu)榱?0mm

單擊S