基于ADS的微带缝隙天线的仿真

研究生课程考核试卷科目：微波电路与系统教师：曹海林姓名：陈昌燕学号：20141202003专业：电子科学与技术类别：学术上课时间：2014年10月至2015年01月考生成绩：卷面成绩平时成绩课程综合成绩阅卷评语：阅卷教师(签名)重庆大学研究生院制基于ADS的微带缝隙天线的仿真陈昌燕（重庆大学通信工程学院，重庆400040）摘要：微带天线以其低成本，体积小，质量轻，结构简单等优点被广泛用于微波通信接收系统和测量领域。微带缝隙天线作为微带天线家族的一员也收到越来越多的关注。本设计通过ADS软件对微带天线进行仿真设计，设计了一个中心频率在900MHZ,带宽范围为834.4~982MHZ且相对带宽为15%的微带缝隙天线，该微带缝隙天线采用偏心双线馈电方式其介质板的介电常数为2.3，损耗角正切值为0.0018，介质板厚度为1.6mm。仿真结果的分析验证了此方法的正确性和可行性。关键词：ADS；微带；缝隙；仿真中图分类号：TN911.23文献标志码：ABasedontheADSmicrostripslotantennasimulationCHENChang-yan(CollegeofCommunicationEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400040,China)Abstract:Microstripantennawithitslowcost,smallvolume,lightquality,theadvantagesofsimplestructureiswidelyusedinmicrowavecommunicationreceivingsystemandmeasuringfield.Microstripslotantennaasamemberofthefamilyofmicrostripantennahasreceivedmoreandmoreattention.ThisdesignthroughtheADSsoftwaresimulationdesignofmicrostripantenna,designedacenterfrequencyat900MHZ,rangeof834.4~982MHZbandwidthandrelativebandwidthis15%microstripslotantenna,themicrostripslotantennaadoptseccentricdualfeedwayitsdielectricconstantofthemediumplateis2.3,losstangentvalueof0.0018,mediumplatethicknessof1.6mm.Theanalysisofsimulationresultsverifythecorrectnessandfeasibilityofthemethod.Keywords:ADS;microstrip;gap;simulation1引言二十一世纪是个人通信的时代，全球通信业务迅速发展,其中无线通信占有很大的比例,从而引起了人们的极大关注。而天线在整个无线通讯系统中起着至关重要的作用，其性能的优良对无线通信工程的成败起到关键作用。小型化、宽频带、多功能、高性能的天线是现代快速发展的移动通信系统所需要的。作为天线家祖的重要一员，微带缝隙天线发展迅速，因此，对微带缝隙天线的设计受到了越来越多的关注。[1]但随着无线通信技术的不断发展，传统的设计方法已经不能满足射频电路和系统设计的需要，使用射频EDA软件工具进行射频电路设计已经成为必然趋势。目前，射频领域主要的EDA工具首推的是Agilent公司的ADS。ADS是在HPEESOF系列EDA软件基础上发展完善起来的大型综合设计软件。由于其功能强大，仿真手段和方法多样化，基本上能满足现在射频电路设计的需要，已经得到国内射频同行的认可，成为现今射频电路和系统设计研发过程中最常用的辅助设计工具。2微带缝隙天线的简介微带缝隙天线是由微带馈线和开在接地板上的缝隙组成。其概念是由三板传输线发展过来的。其典型结构如图1所示微带线缝隙接地板微带线图1微带缝隙天线微带缝隙天线的优点是能产生双向或者单向方向图，在微带缝隙天线的设计中，采用天线和缝隙的组合结构，可以额外增添一个自由度。沿着微带馈线一边排列的导带和缝隙的组合合一产生圆极化辐射场。微带缝隙天线能产生所希望获得的极化，且对制造公差的敏感性比微带贴片天线要低。[2]3天线的主要性能指标天线的性能对整个无线通信的性能起着关键作用，一般来说，表征天线性能的主要参数有方向性参数，增益，极化方式，波瓣宽度，天线的阻抗等。3.1方向性参数不同的天线有不同的方向图，为表示它们集中辐射的程度，方向图的尖锐程度，我们引入方向性参数。理想的点源天线辐射没有方向性，在各方向上辐射强度相等，方向是个球体。我们以理想的点源天线作为标准与实际天线进行比较，在相同的辐射功率某天线产生于某点的电场强度平方2E与理想的点源天线在同一点产生的电场强度的平方20E的比值称为该点的方向性参数D=202EE。3.2天线增益天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它是选择基站天线最重要的参数之一。一般来说，增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。天线增益对移动通信系统的运行质量极为重要，因为它决定蜂窝边缘的信号电平。增加增益就可以在一确定方向上增大网络的覆盖范围，或者在确定范围内增大增益余量。任何蜂窝系统都是一个双向过程，增加天线的增益能同时减少双向系统增益预算余量。另外，表征天线增益的参数有dBd和dBi。DBi是相对于点源天线的增益，在各方向的辐射是均匀的；dBd相对于对称阵子天线的增益dBi=dBd+2.15。相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。一般地，GSM定向基站的天线增益为18dBi，全向的为11dBi。3.3极化方式所谓天线的极化，就是指天线辐射时形成的电场强度方向。当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波。由于电波的特性，决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减，而垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播[3]。因此，在移动通信系统中，一般均采用垂直极化的传播方式。另外，随着新技术的发展，最近又出现了一种双极化天线。就其设计思路而言，一般分为垂直与水平极化和±45°极化两种方式，性能上一般后者优于前者，因此目前大部分采用的是±45°极化方式。双极化天线组合了+45°和-45°两副极化方向相互正交的天线，并同时工作在收发双工模式下，大大节省了每个小区的天线数量；同时由于±45°为正交极化，有效保证了分集接收的良好效果。（其极化分集增益约为5dB，比单极化天线提高约2dB。）3.4波瓣宽度波瓣宽度是定向天线常用的一个很重要的参数，它是指天线的辐射图中低于峰值3dB处所成夹角的宽度（天线的辐射图是度量天线各个方向收发信号能力的一个指标，通常以图形方式表示为功率强度与夹角的关系）。天线垂直的波瓣宽度一般与该天线所对应方向上的覆盖半径有关。因此，在一定范围内通过对天线垂直度（俯仰角）的调节，可以达到改善小区覆盖质量的目的，这也是我们在网络优化中经常采用的一种手段。主要涉及两个方面水平波瓣宽度和垂直平面波瓣宽度。水平平面的半功率角（H－PlaneHalfPowerbeamwidth）45°,60°,90°等)定义了天线水平平面的波束宽度。角度越大,在扇区交界处的覆盖越好，但当提高天线倾角时，也越容易发生波束畸变,形成越区覆盖。角度越小，在扇区交界处覆盖越差。提高天线倾角可以在移动程度上改善扇区交界处的覆盖，而且相对而言，不容易产生对其他小区的越区覆盖。在市中心基站由于站距小，天线倾角大，应当采用水平平面的半功率角小的天线，郊区选用水平平面的半功率角大的天线；垂直平面的半功率角（V－PlaneHalfPowerbeamwidth）:（48°,33°,15°,8°）定义了天线垂直平面的波束宽度。垂直平面的半功率角越小，偏离主波束方向时信号衰减越快，在越容易通过调整天线倾角准确控制覆盖范围[4]。3.5天线的阻抗天线的输入阻抗：是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。匹配的优劣一般用四个参数来衡量即反射系数，行波系数，驻波比和回波损耗，四个参数之间有固定的数值关系，使用那一个纯出于习惯。在我们日常维护中，用的较多的是驻波比和回波损耗。一般移动通信天线的输入阻抗为500hm或750hm。驻波比：它是行波系数的倒数，其值在1到无穷大之间。驻波比为1，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。在移动通信系统中，一般要求驻波比小于1.5，但实际应用中VSWR应小于1.2。过大的驻波比会减小基站的覆盖并造成系统内干扰加大，影响基站的服务性能。回波损耗：它是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。回波损耗的值在0dB的到无穷大之间，回波损耗越大表示匹配越差，回波损耗越大表示匹配越好。0表示全反射，无穷大表示完全匹配。在移动通信系统中，一般要求回波损耗大于14dB。4ADS简介ADS是先进设计系统(AdvancedDesignSystem)的简称，是安捷伦科技有限公司(Agilent)为适应竞争形势，为了高效的进行产品研发生产，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)，而得到了广大IC设计工作者的支持。ADS是高频设计的工业领袖。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，是当今国内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[5]。ADS软件集成了四大仿真平台:模拟/射频仿真平台、数字信号处理仿真平台、Momentum电磁仿真平台和EMDS电磁仿真平台。ADS主要操作窗口包括主窗口、原理图窗口、数据显示窗口和Momentum/Layout窗口等，每个设计窗口又主要包括菜单栏、工具栏和元器件面板三大部分。ADS的基本操作有原理图参数的设置、工程的相关操作、下载和安装DesignKit、搜索ADS中的范例和模板的使用。主要仿真控制器包括直流（DC）仿真控制器、交流（AC）仿真控制器、S参数仿真控制器、谐波平衡（HB）仿真控制器、大信号S参数（LSSP）仿真控制器、增益压缩（XDB）仿真控制器、包络（Envelope）仿真控制器、和瞬态（Transient）仿真控制器。从实际的工程技术参数入手，ADS在匹配电路设计、滤波器的设计、低噪声放大电路设计、功率放大器的设计、混频器设计、频率合成器的设计、功分器与定向耦合器的设计、射频控制电路设计、RFIC电路设计、TDR瞬态电路仿真、通信系统链路仿真、Momentum电磁仿真和微带天线仿真上具有很强的实用性[6]。4基于ADS的微带缝隙天线的仿真设计一个中心频率工作在700MHz的微带缝隙天线，相对带宽为15％的宽带缝隙天线。介质板的介电常数为Er=2.3，损耗角正切tanδ=0.0018，介质板厚度h=1.6mm。本例中的微带缝隙天线采用的是偏心双线馈电方式，这种馈电方式有利于扩展天线的带宽，天线的模型如图2所示。图2偏心双线馈电的微带缝隙天线4.1创建微带馈线模型首先用ADS中的Linecacl工具计算500hm的线宽和1000hm的线宽。经过Linecacl计算，500hm的线宽为5.3mm，1000hm的线宽为1.54mm。按照图2所示的馈线尺寸，可以