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,（一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解印刷偶極子天線的結(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,（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。,（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),（四）印刷偶極子天線簡(jiǎn)介 結(jié)構(gòu)圖,立體圖 平面圖,（四）印刷偶極子天線簡(jiǎn)介 組成部分,天線的組成包

2、括 偶極子天線臂 巴倫線 地板 饋線 通孔,箭頭的方向表示了電流的流向,1.8GHz印刷偶極子天線的尺寸,（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。,ADS軟件的啟動(dòng),啟動(dòng)ADS進(jìn)入如下界面,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Antenna）及存儲(chǔ)路徑 點(diǎn)擊Length Unit設(shè)置長(zhǎng)度單位為毫米,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D,Layout中的背景設(shè)置,直接在Main窗口中點(diǎn)擊 ，打開L

3、ayout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)。,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，下層為偶極子天線和地板。 首先設(shè)計(jì)底層，選擇cond2，如圖,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

4、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：,在Layout中繪制天線,完成對(duì)底層cond2的全部設(shè)計(jì)，如下圖,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：,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)，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,在Layout中繪制天線,下面在cond與cond2層之間

5、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)。,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），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，

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：,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點(diǎn)而成為全向天線。,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App

7、ly 和 OK就可以了。,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,端口定義,選中 加Port。第一個(gè)ort加在cond上，第二個(gè)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。,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：,端口定義,由Momentum = Port

8、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：,在Layout中設(shè)計(jì)天線全貌,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 Number 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

9、頻率上限值， Number of Cells Per Wavelength 為30。,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,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(zhǎng)，在規(guī)定頻率段和規(guī)定步長(zhǎng)下進(jìn)行取點(diǎn)。這里選擇ada

10、ptive,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。,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,天線的帶寬,對(duì)于VSWRRadiation 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)

11、量了，為：46.65+j1.8 點(diǎn)擊Compute。,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，分別為：,天線的輻射方向圖,E E Theta E Phi,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：,觀察天線的增益,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-

12、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,觀察天線的2維 E面,首先，觀測(cè)Planar Cut（垂直極化）。在Far Field Cut 3D Far Field,設(shè)置如下圖：,E 平面 垂直截面 Phi=900,E E Theta E Phi,E 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,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

13、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。,天線參數(shù)的優(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。,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

14、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：,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。,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,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：,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)化后的Wd的參數(shù),天線