實(shí)驗(yàn)印刷偶極子天線設(shè)計(jì)

1、實(shí)驗(yàn)四印刷偶極子天線的設(shè)計(jì)與調(diào)試1（一）實(shí)驗(yàn)?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ADS Momentum設(shè)計(jì)天線的基本方法仿真，調(diào)試，優(yōu)化印刷偶極子天線2（二）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容熟悉ADS Layout的使用環(huán)境。使用ADS軟件設(shè)計(jì)一個(gè)1.8GHz的印刷偶極子天線。通過仿真分析該天線的性能。3（三）微帶天線的技術(shù)指標(biāo)諧振頻率(Resonance Frequency)帶寬(Bandwidth)反射損耗(Return Loss)輸入阻抗(Impedance)增益(Gain)4（四）印刷偶極子天線簡(jiǎn)介 結(jié)構(gòu)圖 立體圖 平面圖5（四）印刷偶極子天線簡(jiǎn)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

2、通孔 箭頭的方向表示了電流的流向61.8GHz印刷偶極子天線的尺寸偶極子天線臂 Ld=29mm Wd=6mm Gap g2=3mm 微帶巴倫 Lb=25mm Lh=3mm Gap g1=1mm Wf=3mm Wb=5mm Wh=3mm 通孔 r=0.4mm 地板 Lg=12mm Wg=19mm 7（五）ADS軟件的使用本節(jié)內(nèi)容是介紹使用ADS軟件設(shè)計(jì)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。8ADS軟件的啟動(dòng)啟動(dòng)ADS進(jìn)入如下界面9創(chuàng)建新的工程文件點(diǎn)擊File-New Project設(shè)置工程文件名稱（本例中為Ante

3、nna）及存儲(chǔ)路徑點(diǎn)擊Length Unit設(shè)置長度單位為毫米10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D11Layout中的背景設(shè)置 直接在Main窗口中點(diǎn)擊 ，打開Layout窗口，在Layout中，選擇option-preference，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的背景參數(shù) 進(jìn)行設(shè)置。我們選擇其中的Layout Unit ，設(shè)置如右圖，選擇Layout Unit為mm，Resolution填寫為0.0001表示精確到小數(shù)點(diǎn)后四位。以確保在天線設(shè)計(jì)過程中的精度。其他子菜單設(shè)置一般選擇默認(rèn)。 12在Layout中繪制天線 由于我們?cè)O(shè)計(jì)的是雙面天線，在一個(gè)介質(zhì)板上貼有上下兩層，上層為饋線，下層為

4、偶極子天線和地板。 首先設(shè)計(jì)底層，選擇cond2，如圖 13在Layout中繪制天線 由于我們?cè)O(shè)計(jì)的矩形天線，所以我們選擇 ，然后在窗口中選擇一點(diǎn)，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(duì)位置的距離。 同樣，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵的“measure”，可以測(cè)量相對(duì)尺寸，如右圖： 14在Layout中繪制天線完成對(duì)底層cond2的全部設(shè)計(jì)，如下圖 15在Layout中繪制天線 選擇：Option=Layers,將cond2的Shape Display由filled改為outlined，這樣便于測(cè)量尺寸?？傻糜覉D： 16在Layout中繪制天線 將設(shè)計(jì)的層面改為cond，重復(fù)上面的設(shè)計(jì)

5、，完成對(duì)于頂層cond的設(shè)計(jì)，可以得到右圖： 圖中，紅色是對(duì)應(yīng)cond層（頂層），黃色對(duì)應(yīng)cond2（底層），下面在頂層與底層之間加上一個(gè)通孔17在Layout中繪制天線 下面在cond與cond2層之間加一個(gè)通孔（Via），選擇層為：加通孔，因?yàn)槭菆A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(jì)。 18層定義 這是至關(guān)重要的一步。 由Momentum=Substrate=Create/Modify，進(jìn)入層定義對(duì)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(diǎn)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），

6、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(duì)稱的結(jié)構(gòu)。最后定義Alumina中的各個(gè)參數(shù)，即定義Real為4.6，Loss Tangent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： 1920212223層定義Metallization Layer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(dòng)通信下天線的實(shí)際情況，對(duì)于移動(dòng)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

7、點(diǎn)而成為全向天線。24層定義Metallization Layer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5.78E006，厚度為0.018mm。在這些都設(shè)置結(jié)束以后點(diǎn)擊Apply 和 OK就可以了。 25端口定義有兩個(gè)解決的辦法，采用：兩個(gè)Differential port 一個(gè)Internal port 配合一個(gè) Ground Reference Port 由于在前面的層定義中取消了GND，所以不能定義Single Port（Not Available）本例中采用第二種方案26端口定義 選中 加Port。第一個(gè)ort加在cond上，第二個(gè)

8、Port加在cond2上。此時(shí)，可以選擇Options=Midpoint Snap，使得Port加在物體的中間位置。27端口定義可以雙擊端口對(duì)端口進(jìn)行修改 ，選擇Port對(duì)應(yīng)的層：28端口定義 由Momentum = Port Editor,再用鼠標(biāo)選中端口，進(jìn)行編輯。在Port 2的設(shè)置中，Associate with port number中，寫入1，表示Port2是Port1的參考地。如右圖： 29在Layout中設(shè)計(jì)天線全貌30參數(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，Mesh Frequency和 Num

9、ber of Cells Per Wavelength 越大，精度越高。但是這是以仿真時(shí)間的增加為代價(jià)的。有時(shí)不得不以精度的降低換取仿真時(shí)間的減小。在本例中，我們采用Mesh的默認(rèn)值，即：Mesh Frequency為后面S仿真中的頻率上限值， Number of Cells Per Wavelength 為30。31參數(shù)仿真選擇Momentum中的SimulationSparameters 出現(xiàn)一個(gè)對(duì)話框如右圖。在Sweep Type 中可以選擇Single，Adaptive，Linear 32參數(shù)仿真 Single表示對(duì)單個(gè)頻率點(diǎn)進(jìn)行仿真，Adaptive表示根據(jù)曲線變化的幅度選擇不同頻率

10、下的Sample Point，以用最少的Sample Point來描述圖形，因此在對(duì)大范圍的頻率掃描時(shí)，推薦使用Adaptive Type；對(duì)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(jìn)行取點(diǎn)。這里選擇adaptive33參數(shù)仿真如下圖對(duì)S參數(shù)仿真進(jìn)行設(shè)置：點(diǎn)擊update，Simulate，開始仿真。34參數(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 35天線的帶寬 對(duì)于VSWR1.5,天線帶寬為13%(1.683GHz1.917GHz) 對(duì)于VSWRPost

11、 Processing=Radiation Pattern，在彈出的對(duì)話框中： Select Frequency中選擇1.8GHz，因?yàn)檫@是諧振頻率 。在Visualization Type中選擇3D Visualization，因?yàn)槲覀兪紫认胗^察三維視圖。在Port1 Impedance中寫入端口1的輸入阻抗，這個(gè)在S11圖中我們已經(jīng)測(cè)量了，為：46.65+j1.8 點(diǎn)擊Compute。37觀察表面電流的分布 選擇Current Set Port Solution Weights，單擊OK。然后，選擇Current =Plot Currents。按照相位從00-900-1800-2700，分

12、別為：38天線的輻射方向圖 E E Theta E Phi39觀察天線的增益 選擇Momentum=Post Processing=Radiation Pattern-2D Data Display,然后點(diǎn)擊Compute,得到：40觀察天線的增益41觀察天線的2維 E面Planar Cut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。Conical Cut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42觀察天線的2維 E面 首先，觀測(cè)Planar Cut（垂直極化）。在Fa

13、r Field Cut 3D Far Field,設(shè)置如下圖： 43E 平面 垂直截面 Phi=900 E E Theta E Phi44E 平面 水平截面 Theta=450 E E Theta E Phi同樣的方法可以得到水平截面下的二維E平面45天線參數(shù)的優(yōu)化 使用ADS Layout中的optimization，可以完成對(duì)于天線的優(yōu)化。優(yōu)化時(shí)可以對(duì)一個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，也可以同時(shí)對(duì)多個(gè)參數(shù)進(jìn)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(duì)介電常數(shù)、介質(zhì)板厚度等參數(shù)進(jìn)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(jìn)行優(yōu)化，目的演示優(yōu)化的過程。46天線參數(shù)的

14、優(yōu)化 選擇Momentum-Optimization- parameters,進(jìn)入優(yōu)化參數(shù)設(shè)置對(duì)話框：在nominal Value填入4，表示優(yōu)化的Wd的起始值，Perturbed Value表示優(yōu)化的終止值。47天線參數(shù)的優(yōu)化 單擊add，會(huì)彈出一個(gè)新的窗口提供有關(guān)設(shè)置參數(shù)的信息，點(diǎn)擊OK。一個(gè)新的Layout窗口將會(huì)自動(dòng)彈出。 由于我們是對(duì)偶極子天線臂寬進(jìn)行設(shè)置，先用Ctrl鼠標(biāo)選中天線臂的四個(gè)角。 如下圖：48天線參數(shù)的優(yōu)化 選擇Edit- Move- Move Relatively.在新彈出的對(duì)話框中填入如下圖 表示相對(duì)位移為Y軸正向移動(dòng)6mm，點(diǎn)擊Apply。 可以從Layout圖中看出Wd變?yōu)榱?0mm 單擊Save Design。 回到原Layout中單擊OK，完成參數(shù)的定義，同時(shí)，新產(chǎn)生的Layout圖會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。49天線參數(shù)的優(yōu)化 選擇Momentum-Optimization- Goal,設(shè)置優(yōu)化的目標(biāo)，如下圖：點(diǎn)擊Add，然后點(diǎn)擊OK，結(jié)束對(duì)于優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)置50天線參數(shù)的優(yōu)化 選擇Momentum-Optimization- Run運(yùn)行優(yōu)化，如下圖：在這里，我們選用默認(rèn)設(shè)置。然后，點(diǎn)擊左下角的Start開始進(jìn)行優(yōu)化。并彈出如下對(duì)話框：51天線參數(shù)的優(yōu)化 當(dāng)優(yōu)化運(yùn)行完畢之后，得到優(yōu)化后