Transcript 实验一印刷偶极子天线的设计与调试

实验四
印刷偶极子天线的
设计与调试
（一）实验目的
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了解印刷偶极子天线的结构和工作原理
学习使用ADS Momentum设计天线的基
本方法
仿真，调试，优化印刷偶极子天线
（二）实验内容
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熟悉ADS Layout的使用环境。
使用ADS软件设计一个1.8GHz的印刷偶
极子天线。
通过仿真分析该天线的性能。
（三）微带天线的技术指标
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谐振频率(Resonance Frequency)
带宽(Bandwidth)
反射损耗(Return Loss)
输入阻抗(Impedance)
增益(Gain)
（四）印刷偶极子天线简介
——结构图
立体图
平面图
（四）印刷偶极子天线简介
——组成部分
天线的组成包括
偶极子天线臂
巴伦线
地板
馈线
通孔
箭头的方向表示了电流的流向
1.8GHz印刷偶极子天线的尺
寸
偶极子天线臂
Ld=29mm Wd=6mm Gap g2=3mm
微带巴伦
Lb=25mm Lh=3mm Gap g1=1mm
Wf=3mm Wb=5mm Wh=3mm
通孔
r=0.4mm
地板
Lg=12mm
Wg=19mm
（五）ADS软件的使用


本节内容是介绍使用ADS软件设计印刷
偶极子天线的方法：包括Layout绘制、
层定义、端口定义、仿真，优化等。
下面开始按顺序详细介绍ADS软件的使
用方法。
ADS软件的启动
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启动ADS进入如下界面
创建新的工程文件

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点击File->New Project设置工程文件名称（本
例中为Antenna）及存储路径
点击Length Unit设置长度单位为毫米
创建新的工程文件（续）

工程文件创建完毕后主窗口变为下图
Layout中的背景设置
直接在Main窗口中点击
，
打开Layout窗口，在Layout中，
选择option-preference，对
系统设计的背景参数 进行设
置。我们选择其中的Layout
Unit ，设置如右图，选择
Layout Unit为mm，
Resolution填写为0.0001表示
精确到小数点后四位。以确保
在天线设计过程中的精度。其
他子菜单设置一般选择默认。
在Layout中绘制天线
由于我们设计的
是双面天线，在
一个介质板上贴
有上下两层，上
层为馈线，下层
为偶极子天线和
地板。
首先设计底层，
选择cond2，如图
在Layout中绘制天线
由于我们设计的矩形天
线，所以我们选择
，
然后在窗口中选择一点，
开始画矩形，矩形大小
的控制可以看右下角的
右边的坐标，它表示相
对位置的距离。
同样，点击鼠标右键的
“measure”，可以测量相
对尺寸，如右图：
在Layout中绘制天线
完成对底层cond2的全部设计，如下图
在Layout中绘制天线
选择：
Option=>Layers,
将cond2的Shape
Display由filled
改为outlined，
这样便于测量尺
寸。可得右图：
在Layout中绘制天线
将设计的层
面改为cond，
重复上面的
设计，完成
对于顶层
cond的设计，
可以得到右
图：
图中，红色是对应cond层（顶层），黄色对应
cond2（底层），下面在顶层与底层之间加上一个
通孔
在Layout中绘制天线
下面在cond与cond2层之
间加一个通孔（Via），
选择层为：
加通孔，因为是圆形
的通孔，所以选择
，
如下图：
这样就完成了天线尺寸的基本设计。
层定义
这是至关重要的一步。
由Momentum=>Substrate=>Create/Modify，进入层定义
对话窗口。作如下设置：
将地面GND的边界由Closed改为Open（1），然后点击左
下角的Add，增加一层Alumina_0（2），并且把这一层重
新定义如下所示（3），即跟上面的FreeSpace定义完全
一样，重新命名为FreeSpace_bottom，当然命名为其他
名字也是没有问题的。这样上下形成了对称的结构。最
后定义Alumina中的各个参数，即定义Real为4.6，Loss
Tangent为0.018（4），表示损耗正切为0.018。我们需
要的天线的层结构如下图所示：
层定义—Metallization
Layer设置
去掉通常微带天线的地
面（GND）而加
FreeSpace_bottom，与
上面的FreeSpace向对
称，这样更加符合移动
通信下天线的实际情况，
对于移动通信总是希望
全向的天线，这样可以
克服一般的微带天线只
能向半空辐射的缺点而
成为全向天线。
层定义—Metallization
在Conductivity
中填电导率，
Thickness中填金
属厚度。其中铜
的电导率为5.78E
＋006，厚度为
0.018mm。在这些
都设置结束以后
点击Apply 和 OK
就可以了。
Layer设置
端口定义
由于在前面的层定义中取消了GND，
所以不能定义Single Port（Not Available）
有两个解决的办法，采用：
两个Differential port
一个Internal port 配合一个 Ground
Reference Port
本例中采用第二种方案
端口定义
选中
加Port。第
一个Ｐort加在cond
上，第 二个 Port加
在cond2上。此时，
可
以
选
择
Options=>Midpoint
Snap， 使 得 Port 加
在物体的中间位置。
端口定义
可以双击端口对端口进行修改 ，选择Port对应的层：
端口定义
由Momentum => Port
Editor, 再用鼠标
选中端口，进行编
辑。在Port 2的设
置中，Associate
with port number
中，写入1，表示
Port2是Port1的参
考地。如右图：
在Layout中设计天线全貌
Ｓ参数仿真—Mesh设置
在Momentum => Mesh =>Setup中设置
Mesh，Mesh的设置决定了仿真的精度。通
常，Mesh Frequency和 Number of Cells
Per Wavelength 越大，精度越高。但是这
是以仿真时间的增加为代价的。有时不得
不以精度的降低换取仿真时间的减小。在
本例中，我们采用Mesh的默认值，即：
Mesh Frequency为后面S仿真中的频率上
限值， Number of Cells Per Wavelength
为30。
Ｓ参数仿真
选择Momentum中的Simulation―Sparameters
出现一个对话框如
右图。在Sweep Type
中可以选择Single，
Adaptive，Linear
Ｓ参数仿真
Single 表 示 对 单 个 频 率 点 进 行 仿 真 ，
Adaptive表示根据曲线变化的幅度选择不
同频率下的Sample Point，以用最少的
Sample Point来描述图形，因此在对大范
围 的 频 率 扫 描 时 ， 推 荐 使 用 Adaptive
Type；对于Linear，是选择上下频率的范
围和步长，在规定频率段和规定步长下
进行取点。这里选择adaptive
Ｓ参数仿真
如下图对S参数仿真进行设置：
点击update，Simulate，开始仿真。
Ｓ参数仿真
仿真结果：
谐振频率是刚好位于1.800GHz的，反射波损耗为-28.161dB
输入阻抗为Z0*（0.933+j0.036）=46.65+j1.8
天线的带宽
对于VSWR<1.5,天线带宽为13%(1.683GHz—1.917GHz)
对于VSWR<2.0,天线带宽为23.8%(1.600GHz—2.026GHz)
观察远区辐射方向图
选择Momentum=>Post Processing=>Radiation
Pattern，在弹出的对话框中：
Select Frequency中选择1.8GHz，因为这是谐振
频率 。在Visualization Type中选择3D
Visualization，因为我们首先想观察三维视图。
在Port1 Impedance中写入端口1的输入阻抗，这
个在S11图中我们已经测量了，为：46.65+j1.8Ω
点击Compute。
观察表面电流的分布
选 择 Current ＝>
Set Port Solution
Weights，单击OK。然
后 ， 选 择 Current
=>Plot Currents。 按
照相位从00->900>180 0 ->270 0 ，分别为：
天线的辐射方向图
E
E Theta
E Phi
观察天线的增益
选择
Momentum
=>Post
Processing=
>Radiation
Pattern->2D
Data Display,
然后点击
Compute,得
到：
观察天线的增益
观察天线的2维 E面

Planar Cut又称为垂
直截面，如下图，
Phi是一定的，Theta
从0-3600变化。这样
截取的平面是与
Layout平面相垂直的。
Conical Cut又称为水
平截面，它的Theta是
确定的，而Phi是可以
从0-3600变化。与
Layout平面平行
观察天线的2维 E面
首先，观测Planar Cut（垂直极化）。在Far
Field > Cut 3D Far Field,设置如下图：
E 平面 垂直截面 Phi=900
E
E Theta
E Phi
E 平面 水平截面 Theta=450
同样的方法可以得到水平截面下的二维E平面
E
E Theta
E Phi
天线参数的优化
使用ADS Layout中的
optimization，可以完成对于
天线的优化。优化时可以对一
个参数进行优化，也可以同时
对多个参数进行优化。通过
Goal设置优化的目标，优化的
目标主要是S11,S21参数,但是
不可以对介电常数、介质板厚
度等参数进行优化。
下面就天线的带宽通过调节偶极子宽度Wd进行优化，目的
演示优化的过程。
天线参数的优化
选择Momentum->Optimization-> parameters,
进入优化参数设置对话框：
在nominal
Value填入4，
表示优化的Wd
的起始值，
Perturbed
Value表示优化
的终止值。
天线参数的优化
单击add，会弹出一个新的窗口提供有关
设置参数的信息，点击OK。一个新的
Layout窗口将会自动弹出。
由于我们是对偶极子天线臂宽进行设置，
先用Ctrl＋鼠标选中天线臂的四个角。
如下图：
天线参数的优化
选择Edit-> Move-> Move Relatively.在新弹出的对话
框中填入如下图
表示相对位移为Y轴正向移动6mm，点击Apply。
可以从Layout图中看出Wd变为了10mm
单击Save Design。
回到原Layout中单击OK，完成参数的定义，同时，新
产生的Layout图会自动关闭。
天线参数的优化
选择Momentum->Optimization-> Goal,设置优
化的目标，如下图：
点击Add，然
后点击OK，结
束对于优化目
标的设置
天线参数的优化
选择Momentum->Optimization-> Run运行优
化，如下图：
在这里，我们选用默认设置。然后，
点击左下角的Start开始进行优化。
并弹出如下对话框：
天线参数的优化
当优化运行完毕之后，得到优化后的Wd
的参数
天线参数的优化


对于其他参数的优化可以采用类似的方
法。
但是，对于优化的条件过于苛刻时，优
化将不能正常进行，ADS将不能实现优
化的目标，而只能取接近优化目标的值
天线的实物图
天线的正反面图
思考题
 尝试同时设置多个参数（如Wd和Lb）
对同一个目标（如反射损耗）进行优化。
 用ADS分析天线的各个参数（偶极子天
线臂长Ld、宽Wd，巴伦线长Lb，地板长
Lg、宽Wg）对于天线性能（谐振频率、
带宽、匹配、反射损耗等）的影响。
讨论进一步减小天线尺寸的方法。