基于ADS的微帶縫隙天線的仿真設(shè)計(jì)

1、課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)題目：基于ADS的微帶縫隙天線的仿真設(shè)計(jì)學(xué)院（系）： 年級(jí)專業(yè)： 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 教師職稱： 課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)基于ADS的微帶縫隙天線的仿真設(shè)計(jì)摘 要：通信系統(tǒng)的發(fā)展帶來(lái)了天線行業(yè)的勃勃生機(jī)，在眾多的天線類型中微帶天線已成為當(dāng)前研究的前沿之一，具有廣闊的前景與實(shí)用意義。特別是微帶縫隙天線，以其重量輕、剖面薄、平面結(jié)構(gòu)且易與載體共形，饋電網(wǎng)絡(luò)可與天線結(jié)構(gòu)一起制成等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)引起天線工作者的廣泛關(guān)注。本文就設(shè)計(jì)一個(gè)中心頻率工作為880MHz，相對(duì)帶寬為B=5，介質(zhì)板厚度h=1.6mm，損耗角正切tan=0.0018，介電常數(shù)為Er=2.3的微帶縫

2、隙天線展開(kāi)研究以及仿真和優(yōu)化。關(guān)鍵詞： ADS；微帶縫隙天線；仿真設(shè)計(jì)； Design of microstrip slot antenna based on ADS simulationAbstract: Communication system development has brought the antenna the vitality of the industry, in many types of antenna microstrip antenna has become one of the forefront of current research, has broad pr

3、ospects and practical significance. Microstrip slot antenna, in particular, with its light weight, thin section, flat structure and easy with conformal carrier, feeding the advantages of network can be made with the antenna structure has caused extensive concern of antenna workers. In this paper, th

4、e design of a work center frequency is 880 MHZ, relative bandwidth is B = 5%, medium plate thickness h = 1.6 mm, loss tangent tan delta = 0.0018, the dielectric constant of Er = 2.3 microstrip slot antenna study and simulation and optimization.Key words: ADS; Microstrip slot antenna. The simulation

5、design;學(xué)習(xí)目的1. 學(xué)習(xí)射頻電路的理論知識(shí)； 2. 掌握ADS并可以設(shè)計(jì)微帶天線；3. 通過(guò)ADS設(shè)計(jì)中心頻率為880MHZ，相對(duì)帶寬為B=5%的微帶縫隙天線；學(xué)習(xí)器件ADS(Advanced Design system)軟件ADS軟件介紹ADS全稱Advanced Design system，是Agilent公司2008年推出新版本的EDA軟件。ADS經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，仿真功能和仿真手法日益完善，最大的特點(diǎn)是集成了從IC級(jí)到電路級(jí)直至系統(tǒng)級(jí)的仿真模板。它內(nèi)含基于矩量法的電磁仿真模板，ADS Momentum是一種對(duì)3D進(jìn)行簡(jiǎn)化的2.5D電磁仿真器，非常適合第三維上均勻變化的結(jié)構(gòu)仿真，如

6、PCB板級(jí)設(shè)計(jì)、無(wú)源板級(jí)器件設(shè)計(jì)等。其仿真速度極快，同時(shí)保證和主流3D電磁仿真軟件相當(dāng)?shù)木?。天線基礎(chǔ)天線的性能直接影響著整個(gè)無(wú)線通信的性能，一般來(lái)說(shuō)，表征天線性能的主要參數(shù)有方向特性、增益、輸入阻抗、駐波比、極化特性等。（1）天線的極化方式所謂天線的極化，就是指天線輻射時(shí)形成的電場(chǎng)強(qiáng)度方向。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度方向垂直于地面時(shí)，此電波就稱為垂直極化波；當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度方向平行于地面時(shí)，此電波就稱為水平極化波。由于電波的特性，決定了水平極化傳播的信號(hào)在貼近地面時(shí)會(huì)在大地表面產(chǎn)生極化電流，極化電流因受大地阻抗影響產(chǎn)生熱能而使電場(chǎng)信號(hào)迅速衰減，而垂直極化方式則不易產(chǎn)生極化電流，從而避免了能量的大幅衰減，保證了信號(hào)

7、的有效傳播。（2）天線的增益天線增益是用來(lái)衡量天線朝一個(gè)特定方向收發(fā)信號(hào)的能力，它是選擇基站天線最重要的參數(shù)之一。（3） 天線的阻抗天線的輸入阻抗：是天線饋電端輸入電壓與輸入電流的比值。天線與饋線的連接，最佳情形是天線輸入阻抗是純電阻且等于饋線的特性阻抗，這時(shí)饋線終端沒(méi)有功率反射，饋線上沒(méi)有駐波，天線的輸入阻抗隨頻率的變化比較平緩。天線的匹配工作就是消除天線輸入阻抗中的電抗分量，使電阻分量盡可能地接近饋線的特性阻抗。匹配的優(yōu)劣一般用四個(gè)參數(shù)來(lái)衡量即反射系數(shù)，行波系數(shù)，駐波比和回波損耗，四個(gè)參數(shù)之間有固定的數(shù)值關(guān)系，使用那一個(gè)純出于習(xí)慣。在我們?nèi)粘＞S護(hù)中，用的較多的是駐波比和回波損耗。一般移動(dòng)通

8、信天線的輸入阻抗為50Ohm或75Ohm。微帶縫隙天線的仿真1.設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)一個(gè)中心頻率工作在880MHz的微帶縫隙天線，相對(duì)帶寬為5的寬帶縫隙天線。介質(zhì)板的介電常數(shù)為Er=2.3，損耗角正切tan=0.0018，介質(zhì)板厚度h=1.6mm。本例中的微帶縫隙天線采用的是偏心雙線饋電方式，這種饋電方式有利于擴(kuò)展天線的帶寬，天線的模型如圖1所示。圖1偏心雙線饋電的微帶縫隙天線2.ADS仿真具體步驟（1）新建工程在開(kāi)始菜單中選擇“Advanced Design System 2009 Advanced Design System”，在主窗口，通過(guò)點(diǎn)擊下拉菜單“FileNew Project”創(chuàng)建新項(xiàng)目

9、，命名為“aperture_antenna”,并把單位選擇成“millimeter”。 （2）設(shè)置Layout層在“本例中需要用到兩個(gè)Layout層，因此首先設(shè)置兩個(gè)Layout層，分別命名為cond1和cond2。其中，cond1是微帶饋線所在的Layout層；cond2層是開(kāi)縫的接地板所在的Layout層。在Layout工作區(qū)單擊鼠標(biāo)右鍵，從彈出的的快捷菜單中單擊【Layers】命令，彈出“Layer Editor”對(duì)話框，單擊【Cut】按鈕將默認(rèn)的所有Layout層全部刪除。單擊【New】按鈕創(chuàng)建兩個(gè)金屬層cond1和cond2，同時(shí)為了觀察方便，選擇Layout中的圖形以輪廓線方式顯示

10、，如圖2所示。圖2 Layout層設(shè)置窗口（3）創(chuàng)建接地板模型單擊工具欄中的畫(huà)矩形的工具，執(zhí)行菜單命令【Insert】【Coordinate Entry】，在彈出的對(duì)話框中輸入矩形接地板初始坐標(biāo)值（0,0），單擊【Apply】按鈕，輸入接地板的終點(diǎn)（220，145），單擊【OK】按鈕，如圖所示。雙擊已經(jīng)創(chuàng)建好的接地板圖形，彈出該圖形的屬性對(duì)話框，如圖3所示，在下拉列表中選擇Layout層“cond2”。 圖3 輸入接地板坐標(biāo)利用矩形或多邊形繪圖工具創(chuàng)建矩形的縫隙，輸入縫隙的始末坐標(biāo)（57，62）和（163，83.5）。注意，這里縫隙不能和之前創(chuàng)建好的接地板的Layout層在同一層上。雙擊創(chuàng)建好

11、縫隙，在屬性對(duì)話框中的層選項(xiàng)中選為“cond1”。因?yàn)榻酉聛?lái)將要使用Boolean Logical工具在接地板上剪出一個(gè)縫隙，而在運(yùn)用Boolean Logical工具時(shí)要求兩個(gè)做布爾代數(shù)的圖形必須是在不同Layout層上。 下面運(yùn)用Boolean Logical工具來(lái)創(chuàng)建開(kāi)縫隙的接地板。按住【Ctrl】鍵，選擇圖所示中創(chuàng)建好的縫隙與接地板，執(zhí)行菜單命令【Edit】【Boolean Logical】，彈出“Boolean Logical Operation Between Layers”對(duì)話框，如圖6所示。Cond2層的圖形減去cond1層的圖形，布爾減之后的圖形選擇cond2作為其Layou

12、t層。做完布爾減之后的圖形如圖4所示。如圖5所示是將cond2層在層設(shè)置中改成實(shí)心顯示后的圖。從圖中可以清晰地看出，在接地板的中心剪出了一個(gè)縫隙。 圖4 做完布爾減之后的接地板 圖5 改為實(shí)心顯示后的接地板（4）創(chuàng)建微帶饋線模型首先用ADS中的Linecacl工具計(jì)算50Ohm的線寬和100Ohm的線寬。經(jīng)過(guò)Linecacl計(jì)算，50Ohm的線寬為5.3mm，100Ohm的線寬為1.54mm。按照?qǐng)D1所示的饋線尺寸，可以使用矩形工具或多邊形工具，仿照前面方法創(chuàng)建微帶饋線，如圖6所示。確保饋線的層屬性為cond1,如果Layout層不是cond1，請(qǐng)按前面的方法在屬性對(duì)話框中將其改為cond1。

13、圖6 微帶縫隙天線模型（5）創(chuàng)建微帶基板設(shè)置執(zhí)行菜單命令【Momentum】【Substrate】【Creat/Modify】,在彈出的對(duì)話框里設(shè)置基板的基本參數(shù)。將介質(zhì)板的厚度設(shè)置為1.6mm，介質(zhì)板的介電常數(shù)設(shè)為2.3，損耗角正切設(shè)置為0.0018，如圖7所示。圖7 設(shè)置基板參數(shù)（6）Layout 層映射選擇“Layout Layers”標(biāo)簽頁(yè)，如圖8所示，將cond1、cond2分別粘貼在介質(zhì)板兩面上，完成映射后，單擊【OK】按鈕。（7）端口設(shè)置 單擊工具欄中的圖標(biāo)，分別在cond1層及cond2層上添加一個(gè)端口。注意：端口所在的Layout層必須和其對(duì)應(yīng)的物體在同一層上，如果端口要加在

14、cond1層上，那么該端口的Layout層屬性也要設(shè)置成cond1。 執(zhí)行菜單命令【Momentum】【Port Editor】，然后回到Layout工作區(qū)，單擊添加的端口，將Port1的類型設(shè)置成“Internal”，將Port2的類型設(shè)置成“Ground Reference”。圖8 Layout層映射（6）S參數(shù)仿真設(shè)置執(zhí)行菜單命令【Momentum】【Simulation】【S-parameters】，彈出S參數(shù)仿真控制界面，在仿真控制界面上設(shè)置頻率起始點(diǎn)。單擊【Simulate】按鈕，進(jìn)行S參數(shù)仿真。電磁仿真需要的時(shí)間和天線的尺寸有很大的關(guān)系，天線越大，仿真需要的時(shí)間越長(zhǎng)。最終仿真的S

15、參數(shù)如圖9所示。從圖中可以看出，該天線的中心頻率為880MHz，中心頻率出的S11達(dá)到-35.297dB，帶寬范圍為836 924MHz，相對(duì)帶寬達(dá)到5%。圖9 仿真后的S11性能工程上習(xí)慣看電壓駐波比（VSWR）,因此需要在ADS中編輯VSWR公式，將S11性能轉(zhuǎn)化為VSWR性能。在數(shù)據(jù)顯示窗口中，單擊圖標(biāo)，并將其拖曳到空白的工作區(qū)，在公示欄中輸入VSWR公式。編輯完VAWR公式之后，單擊【OK】按鈕?；氐焦ぞ邫趩螕魣D標(biāo)，將其拖曳到空白的工作區(qū)。最終的VSWR曲線如圖10所示。圖10 仿真后的S11性能（6）后處理執(zhí)行菜單命令【Momentum】 【Post-processing】【Radi

16、ation Pattern】，在彈出的對(duì)話框中選擇所需要考察的頻率、可視方式、激勵(lì)源幅度和相位、端口阻抗，單擊【Compute】按鈕進(jìn)行運(yùn)算。在右側(cè)顯示區(qū)中可以觀察到天線的三維圖及遠(yuǎn)場(chǎng)三維方向圖，如圖11所示。圖11 f=880MHz的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖在“Solution Setup”里面將頻率選擇為880MHz，并在畫(huà)圖屬性對(duì)話框中選擇電流顯示方式為帶箭頭顯示，電流幅度按照對(duì)數(shù)尺度顯示。在右邊的顯示圖像區(qū)域可以看到電流分布，如圖12所示。圖12 f=880MHz縫隙天線的電流分布通常選取兩個(gè)正交面來(lái)描述天線，這里將畫(huà)出XOZ面和YOZ面的二維圖。執(zhí)行菜單命令【Momentum】 【Post-pro

17、cessing】【Radiation Pattern】，在彈出的對(duì)話框中選擇可視方式為2D方式。選擇“2D Settings”標(biāo)簽頁(yè)，在圖中設(shè)置XOZ面和YOZ面。其中，XOZ面對(duì)應(yīng)著切割角度為00，YOZ面對(duì)應(yīng)著切割角度為900。以XOZ面為例，設(shè)計(jì)得到如圖13所示的 XOZ面上二維特性和圖14所示的 XOZ面上的極化特性。 圖13 XOZ面上二維特性 圖14 XOZ面上的極化特性（7）優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其中心頻率到了880MHz，帶寬為836 924MHz。得到的最終原理圖如下所示。圖15 最終原理圖總結(jié)通過(guò)對(duì)ADS的學(xué)習(xí)，我對(duì)微帶縫隙天線的設(shè)計(jì)有了更深的認(rèn)識(shí)，尤其是對(duì)具體不同類型的微帶縫隙天線的工作原理以及各種微帶縫隙天線的設(shè)計(jì)有