實(shí)驗(yàn)三矩形微帶天線(xiàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)三矩形微帶天線(xiàn)設(shè)計(jì)第一頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二（一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私馕炀€(xiàn)設(shè)計(jì)的基本流程掌握矩形微帶天線(xiàn)的設(shè)計(jì)方法熟悉在ADS的layout中進(jìn)行射頻電路設(shè)計(jì)的方法第二頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二（二）設(shè)計(jì)要求用陶瓷基片（εr＝9.8），厚度h＝1.27mm，設(shè)計(jì)一個(gè)在3GHz附近工作的矩形微帶天線(xiàn)?；x擇的理由是：陶瓷基片是比較常用的介質(zhì)基片，其常用的厚度是h＝1.27mm，0.635mm，0.254mm。其中1.27mm的基片有較高的天線(xiàn)效率，較寬的帶寬以及較高的增益。第三頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二（三）微帶天線(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)輻射方向圖天線(xiàn)增益和方向性系數(shù)諧振頻率處反射系數(shù)天線(xiàn)效率第四頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二（四）設(shè)計(jì)的總體思路計(jì)算相關(guān)參數(shù)在ADS的Layout中初次仿真在Schematic中進(jìn)行匹配修改Layout，再次仿真，完成天線(xiàn)設(shè)計(jì)第五頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二（五）相關(guān)參數(shù)的計(jì)算需要進(jìn)行計(jì)算的參數(shù)有貼片寬度W貼片長(zhǎng)度L饋電點(diǎn)的位置z饋線(xiàn)的寬度第六頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二（五）相關(guān)參數(shù)的計(jì)算（續(xù)）貼片寬度W、貼片長(zhǎng)度L、饋電點(diǎn)的位置z可由公式計(jì)算得出饋線(xiàn)的寬度可以由TransmissionLineCalculator軟件計(jì)算得出第七頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二（五）相關(guān)參數(shù)的計(jì)算（續(xù)）第八頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二（六）用ADS設(shè)計(jì)過(guò)程有了上述的計(jì)算結(jié)果，就可以用ADS進(jìn)行矩形微帶天線(xiàn)的設(shè)計(jì)了下面詳細(xì)介紹設(shè)計(jì)過(guò)程第九頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二ADS軟件的啟動(dòng)啟動(dòng)ADS進(jìn)入如下界面第十頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二創(chuàng)建新的工程文件進(jìn)入ADS后，創(chuàng)建一個(gè)新的工程，命名為rect_prj。打開(kāi)一個(gè)新的layout文件，首先設(shè)定度量單位。在ADS中，度量單位的缺省值為mil，把它改為mm。方法是：?jiǎn)螕羰髽?biāo)右鍵－>Preferences…－>LayoutUnits，如下圖所示第十一頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二設(shè)定度量單位第十二頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二介質(zhì)層設(shè)置在ADS的Layout中進(jìn)行設(shè)計(jì)，介質(zhì)層和金屬層的設(shè)置很重要在菜單欄里選擇Momentum－>Substrate－>Create/Modify…，在SubstrateLayer標(biāo)簽里，保留FreeSpace和////GND////的設(shè)置不變，點(diǎn)擊Alumina層，修改其設(shè)置為：第十三頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二介質(zhì)層設(shè)置（續(xù)）第十四頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二金屬層設(shè)置點(diǎn)擊MetallizationLayers標(biāo)簽，在LayoutLayer下拉框中選擇cond，然后在右邊的Definition下拉框中選擇Sigma（Re，thickness），參數(shù)設(shè)置如下頁(yè)圖。然后在SubstrateLayer欄中選擇“------”后，點(diǎn)擊“Strip”按鈕，這將看到“------Stripcond”。一切完成后，點(diǎn)擊OK。第十五頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二金屬層設(shè)置（續(xù)）第十六頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二在Layout中制版準(zhǔn)備工作做好以后，下面就可以進(jìn)行Layout中的作圖了。先選定當(dāng)前層為vcond，再按照前面計(jì)算出來(lái)的尺寸作圖。最后在饋線(xiàn)端加入端口第十七頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二在Layout中制版（續(xù)）第十八頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二仿真預(yù)設(shè)置在進(jìn)行l(wèi)ayout仿真之前，先要進(jìn)行預(yù)設(shè)置。在菜單欄選擇Momentum->Mesh->Setup，選擇Global標(biāo)簽。鑒于ADS在Layout中的Momentum仿真是很慢的，在允許的精度下，可以把“MeshFrequency”和“NumberofCellsperWavelength”

設(shè)置得小一點(diǎn)第十九頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二仿真預(yù)設(shè)置（續(xù)）第二十頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二進(jìn)行仿真點(diǎn)擊Momentum->Simulation->S-parameter彈出仿真設(shè)置窗口，該窗口右側(cè)的SweepType選擇Linear，Start、Stop分別選為2.5GHz、3.5GHz，F(xiàn)requencyStep選為0.05GHz。Update后，點(diǎn)擊Simulation按鈕。第二十一頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二仿真結(jié)果第二十二頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二對(duì)仿真結(jié)果的探討由上圖可見(jiàn)，理論上的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際的符合還是相當(dāng)不錯(cuò)的，中心頻率大約在2.95GHz左右。只是中心頻率處反射系數(shù)S11還比較大，從而匹配不理想，在3GHz處，m1距離圓圖上的坐標(biāo)原點(diǎn)還有相當(dāng)?shù)木嚯x。在3GHz下的輸入阻抗是：Z0*（0.103-j0.442）＝5.15－j22.1第二十三頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二總體的2D輻射方向圖第二十四頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二在原理圖中進(jìn)行匹配為了進(jìn)一步減小反射系數(shù)，達(dá)到較理想的匹配，并且使中心頻率更加精確，可以在Schmatic中進(jìn)行匹配。天線(xiàn)在3GHz下的輸入阻抗是：Z0*（0.103-j0.442）＝5.15－j22.1，這可以等效為一個(gè)電阻和電容的串連。第二十五頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二匹配原理匹配的原理是：串聯(lián)一根50歐姆傳輸線(xiàn)，使得S11參數(shù)在等反射系數(shù)圓上旋轉(zhuǎn)，到達(dá)g=1的等g圓上，然后再并聯(lián)一根50歐姆傳輸線(xiàn)，將S11參數(shù)轉(zhuǎn)移到接近0處。所需要計(jì)算的就是串連傳輸線(xiàn)和并聯(lián)傳輸線(xiàn)的長(zhǎng)度ADS原理圖中優(yōu)化功能可以出色的完成這個(gè)任務(wù)第二十六頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二匹配過(guò)程新建一個(gè)Schematic文件，繪出如下的電路圖：

第二十七頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二匹配過(guò)程（續(xù)）其中TL1和TL2的L是待優(yōu)化的參量，初值取10mm，優(yōu)化范圍是1mm到20mm。設(shè)置好MSub的值第二十八頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二匹配過(guò)程（續(xù)）插入S參數(shù)優(yōu)化器，一個(gè)Goal。其中Goal的參數(shù)設(shè)置如下：這里dB（S（1，1））的最大值設(shè)為-50dB，是因?yàn)樵赟chematic中的仿真要比在Layout中的仿真理想得多，所以要求設(shè)置得比較高，以期在Layout中有較好的表現(xiàn)。第二十九頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二匹配過(guò)程（續(xù)）設(shè)置好OPTIM。常用的優(yōu)化方法有Random(隨機(jī))、Gradient(梯度)等。隨機(jī)法通常用于大范圍搜索，梯度法則用于局部收斂。這里選擇Random。優(yōu)化次數(shù)可以選得大些。這里設(shè)為300。其他的參數(shù)一般設(shè)為缺省即可。第三十頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二匹配過(guò)程（續(xù)）優(yōu)化電路圖為：第三十一頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二匹配過(guò)程（續(xù)）點(diǎn)擊仿真按鈕，當(dāng)CurrentEF＝0時(shí)，優(yōu)化目標(biāo)完成。把它update到原理圖上（Simulate－>UpdateOpimizationValues）。Deactivate優(yōu)化器。最終原理圖如下：第三十二頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二匹配過(guò)程（續(xù)）第三十三頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二原理圖中的仿真點(diǎn)擊仿真按鈕，可以看到仿真結(jié)果為：第三十四頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二原理圖中的仿真（續(xù)）放置Marker可以得到更詳細(xì)的數(shù)據(jù)在中心頻率f＝3GHz處，S(1,1)的幅值是5.539E-4，可見(jiàn)已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)理想的匹配。第三十五頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二修改Layout參照Schematic計(jì)算出來(lái)的結(jié)果，修改Layout圖形如下第三十六頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二兩點(diǎn)說(shuō)明由于這里是手工布板，而不是由Schematic自動(dòng)生成的，傳輸線(xiàn)的長(zhǎng)度可能需要稍作調(diào)整(但不超過(guò)1mm)。注意要把原先的3mm饋線(xiàn)長(zhǎng)度也算進(jìn)去。為了方便輸入，在電路的左端加了一段50Ω的傳輸線(xiàn)。其長(zhǎng)度對(duì)最終仿真結(jié)果的影響微乎其微。這里取1mm。第三十七頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二仿真結(jié)果按照前述的步驟進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果是第三十八頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二仿真結(jié)果（續(xù)）為了較精確地給出匹配的結(jié)果，我們將仿真頻率范圍設(shè)為2.9GHz到3.1GHz，步長(zhǎng)精確到10MHz。可見(jiàn)進(jìn)行原理圖匹配的結(jié)果是十分理想的。下面具體給出一些仿真結(jié)果。第三十九頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二總體的2D輻射方向圖第四十頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二天線(xiàn)增益和方向性系數(shù)第四十一頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二天線(xiàn)效率第四十二頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二（七）設(shè)計(jì)小結(jié)矩形微帶天線(xiàn)設(shè)計(jì)是微帶天線(xiàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，然而作為一名新手，想熟練順利地掌握其設(shè)計(jì)方法與流程卻也有些路要走。多仿照別人的例子操作，多自己動(dòng)手親自設(shè)計(jì)，多看幫助文件，是進(jìn)入射頻與微波設(shè)計(jì)殿堂的不是捷徑的捷徑。