微波电路与系统仿真实验4

实验4微带天线设计与仿真高源慈电子科技大学2012年9月SchoolofElectronicEngineering,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina微带天线设计与仿真实验目的：1.了解矩形微带天线的技术指标和设计方法；2.掌握在ADS的Layout中进行射频电路设计的方法。微带天线设计与仿真实验内容：4.1微带天线的基础知识4.2矩形微带天线的设计与仿真4.1微带天线的基础知识1.微带天线简介微带天线的概念是在1953年提出来的，但在近30年才逐步发展起来，是一种新型天线。微带贴片天线：在一个薄的介质板基材上，一面覆上金属薄层作为接地板，另一面采用蚀刻的办法做出各种形状的贴片，利用微带或同轴对贴片进行馈电。微带缝隙天线：在接地板上开各种各样的槽，通过微带线进行馈电。微带天线一般应用在1～50GHz频率范围，特殊的天线也可用于几十兆赫。和常用微波天线相比，有如下优点：(1)体积小，重量轻，低剖面，能与载体(如飞行器)共形。(2)电性能多样化。不同设计的微带元，其最大辐射方向可以从边射到端射范围内调整；易于得到各种极化。(3)易集成。能和有源器件、电路集成为统一的组件。雷达传感器2.微带天线的主要技术指标辐射方向图方向性系数和天线增益谐振频率处反射系数天线效率带宽极化特性辐射方向图定义：是指在离天线一定距离处，辐射场的相对场强（归一化模值）随方向变化的图形。方向性系数定义：在相同的辐射功率下，某天线在空间某点产生的电场强度的平方与理想无方向性点源天线（该天线的方向图为一球面）在同一点产生的电场强度平方的比值。通常取最大辐射方向上的方向性系数作为天线的方向性系数。天线增益定义：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。3.微带天线设计思路①根据指标要求和基片参数计算相关参数，如贴片宽度、长度、馈电位置、馈线宽度等。②在ADS的布局图窗口Layout中初次仿真。③在原理图窗口Schematic中进行匹配。④修改Layout，再次仿真，完成天线设计。4.矩形微带天线的技术指标频率：3GHz附近陶瓷基片：介电常数εr＝9.8厚度h＝1.27mm输入阻抗：50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。5.相关参数计算贴片宽度w基片选择合适后，根据天线要求的工作频率f和基片介电常数r、厚度h，可用下式设计出高效率辐射贴片天线的宽度w，即其中c是光速。当选用小于上式的宽度时辐射元的效率将降低，当选用大于上式的宽度时效率虽然提高，但是会产生高次模引起场的畸变。21)21(2rrεfcwlεfcLerΔ22贴片长度L21)121(2121whεεεrre)8.0)(258.0()264.0)(3.0(412.0Δhwεhwεhlee考虑到边缘缩短效应后，实际上矩形微带天线的辐射单元长度L比原来有所减少为：式中的有效介电常数e和延伸量l可以分别用下面的两个式子计算得到。馈电位置微带线馈电时有一种方法，即中心馈电，在矩形辐射元一边的正中心处馈电，将特性阻抗为50欧姆的微带馈线连接在馈电位置处，制作成天线，而后测量天线的输入阻抗，然后根据输入阻抗设计出阻抗匹配变换器，最后在天线贴片元与馈线之间接入该阻抗匹配器，重新做成天线。本实验在天线设计时选用的是这种方法。馈线宽度馈线的宽度可以由窗口菜单Tools→LineCalc→StartLineCalc进入到传输线计算软件计算得出。也可由开始菜单进入。在SubstrateParameters中输入基片的参数，在Electrical中输入阻抗的值，点击【Synthesize】按钮，观察Physical窗口，可得到馈线的宽度为1.21mm。馈线长度过长会影响天线辐射性能，此处取3mm。相关参数计算结果w=21.52mmL=15.81mm50馈线宽度：1.21mm，长度：3mm4.2矩形微带天线的设计与仿真建立工程初步仿真匹配优化设计版图仿真建立工程建立工程的具体步骤如下：①运行ADS，弹出ADS的主窗口。②选择【File】→【NewProject】命令，弹出“NewProject”（新建工程）对话框。对话框中的默认工作路径为“C:\Users\defaults\”，在路径的末尾输入工程名：p_antenna。在【ProjectTechnologyFiles】栏中选择“ADSStandard：Lengthunit-millimeter”，即工程中的默认长度单位为毫米。③点击【OK】按钮，完成新建工程，此时原理图设计窗口会自动打开。初步仿真矩形微带天线初步仿真的具体步骤如下：①在ADS主窗口下，选择【Window】→【NewLayout】在工程中新建一个布局图。也可单击按钮新建布局图。②在新建设计窗口中给新建布局图命名，此处命名为“rectpatch”。③设定Layout的度量单位。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…→LayoutUnits，如下图所示。④在ADS的Layout中进行设计时，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SubstrateLayer标签里，保留FreeSpace和////GND////的设置不变，点击Alumina层，修改其设置如下图。⑤在LayoutLayer→Name下拉框中选择cond，然后在下面的Material下拉框中选择Conductor（Sigma），参数设置如下图。⑥在Layout中作图，先通过工具栏选定当前层为，再按照前面计算出来的尺寸作图。最后在馈线端加入端口。大矩形尺寸：宽度21.52mm，高度：15.81mm小矩形尺寸：宽度1.21mm，高度：3mm在Layout中先任意画一个矩形，然后双击该矩形，可弹出下面的对话框。修改矩形的宽度Width和高度Height尺寸。点击工具栏的端口按钮，并点击按扭，选取矩形宽边的中点插入端口。执行菜单命令【Momentum】→【PortEdit】，回到Layout工作区，单击已经加好的端口，此时将显示端口编辑对话框，将端口类型PortType设置为SingleMode，端口阻抗Impedance设置为50。⑦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，做如下图所示修改。鉴于ADS在Layout中的Momentum仿真是很慢的，在允许的精度下，可以把“MeshFrequency”和“MeshDensityCells/Wavelength”设置得小一点。⑧矩形微带天线的初步仿真。点击Momentum→Simulation→S-parameter弹出仿真设置窗口，该窗口右侧的SweepType选择Linear，Start、Stop分别选为2.5GHz、3.5GHz，FrequencyStep选为0.05GHz。Update后，点击Simulation按钮。⑨仿真结束，弹出结果窗口，如下图。⑩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，匹配不理想。首先可以略微调整天线的长度使其中心频率在3.0GHz。可尝试将贴片的高度由15.81mm调整为15.61mm。调整后的仿真结果如下图所示。匹配优化设计1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，可以在原理图Schmatic中进行匹配。天线在3GHz下的输入阻抗是：Z0*（0.212-j0.970）＝10.6-j48.5，这可以等效为一个10.6电阻和1.1pF电容的串联。匹配原理：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。可利用ADS原理图中优化功能完成这个匹配任务。①新建一个Schematic文件，可命名为patch_match，绘出如下的电路图。电路图中TL1和TL2的L是待优化的参量，初值取10mm，优化范围是1mm到20mm。频率设置为：Star：2.5GHzStop：3.5GHz，Step–size:0.05GHz介质基片MSub的设置如下所示。②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。③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100。其他的参数一般设为缺省即可。设置好优化目标等后的电路图如下所示：④匹配电路优化仿真。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→UpdateOpimizationValues）。Deactivate优化器。最终原理图如下：⑤点击仿真按钮，可以看到仿真结果如下图所示。在仿真结果图上放置Marker，查看数据。在中心频率f＝3GHz处，S(1,1)的幅值是-50.606dB，可见从仿真结果上看，已经达到相当理想的匹配。匹配优化设计2——利用版图仿真结果进行匹配设计①在天线Layout的数据显示窗口中，执行菜单命令Tool→DataFileTool…，弹出“dftool/mainWindow”对话框，如右图所示。设置完毕后，点击“WritetoFile”，得到Momentum仿真后的S1P文件。②新建原理图。在DataItem原件库中选择端口1添加放入原理图中，如下图所示。在原理图中双击S1P控件，弹出S1P控件的属性对话框，如下图所示，在FileName中选择之前导出的S1P文件，单击OK按钮。这样就可以利用上一方法的匹配电路结构进行匹配了。③建立如下图所示的电路原理图。④进行电路进行优化。优化完成之后，更新电路图。⑥参照Schematic计算出来的结果，修改Layout图形如下。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50Ω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。注意事项版图仿真①按照前述的Layout仿真步骤进行仿真，结果如下。为了较精确地给出匹配的结果，可将仿真频率范围设为2.9GHz~3.1GHz，步长精确到10MHz。②由仿真可见进行原理图匹配的结果还是不太理想的，于是还要根据阻抗进一步进行调节线的长度进行匹配。此处将匹配调节线的长度缩短0.5mm，得到如下仿真结果。③画出天线的辐射方向图。执行菜单命令Momentum→Post-Processing→RadiationPattern。设置激励源幅度和相位④查看天线辐射方向图时，会弹出下面的对话框。此图为电场分布。关闭此窗口，会看到天线辐射方向图。矩形微带天线的辐射方向图如下图所示。从图中可看出：该天线只在半个空间辐射，另外半个空间辐射性很弱。2D辐射方向图如图所示。⑤天线增益和方向性系数如下图所示。⑥天线效率如下图所示。