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文档简介
实验 矩形微带天线的设计,(一)实验目的,了解微带天线设计的基本流程 掌握矩形微带天线的设计方法 熟悉在ADS的layout中进行射频电路设计的方法,(二)设计要求,用陶瓷基片(r9.8),厚度h1.27mm,设计一个在3GHz附近工作的矩形微带天线。 基片选择的理由是:陶瓷基片是比较常用的介质基片,其常用的厚度是h1.27mm,0.635mm,0.254mm。其中1.27mm的基片有较高的天线效率,较宽的带宽以及较高的增益。,(三)微带天线的技术指标,辐射方向图 天线增益和方向性系数 谐振频率处反射系数 天线效率,(四)设计的总体思路,计算相关参数 在ADS的Layout中初次仿真 在Schematic中进行匹配 修改Layout,再次仿真,完成天线设计,(五)相关参数的计算,需要进行计算的参数有 贴片宽度W 贴片长度L 馈电点的位置z 馈线的宽度,(五)相关参数的计算(续),贴片宽度W、贴片长度L、馈电点的位置z可由公式计算得出 馈线的宽度可以由Transmission Line Calculator 软件计算得出,(五)相关参数的计算(续),(六)用ADS设计过程,有了上述的计算结果,就可以用ADS进行矩形微带天线的设计了 下面详细介绍设计过程,启动ADS进入如下界面,创建新的工程文件,进入ADS后,创建一个新的工程,命名为rect_prj。打开一个新的layout文件,首先设定度量单位。在ADS中,度量单位的缺省值为mil,把它改为mm。方法是:单击鼠标右键PreferencesLayout Units ,如下图所示,设定度量单位,介质层设置,在ADS的Layout中进行设计,介质层和金属层的设置很重要 在菜单栏里选择MomentumSubstrateCreate/Modify, 在Substrate Layer标签里,保留FreeSpace和/GND/的设置不变,点击Alumina层,修改其设置为:,介质层设置(续),金属层设置,点击Metallization Layers标签,在Layout Layer下拉框中选择cond,然后在右边的Definition下拉框中选择Sigma(Re,thickness),参数设置如下页图。 然后在Substrate Layer栏中选择“-”后,点击“Strip”按钮,这将看到“-Strip cond”。一切完成后,点击OK。,金属层设置(续),在Layout中制版,准备工作做好以后,下面就可以进行Layout中的作图了。 先选定当前层为v cond,再按照前面计算出来的尺寸作图。 最后在馈线端加入端口,在Layout中制版(续),仿真预设置,在进行layout仿真之前,先要进行预设置。在菜单栏选择Momentum -Mesh-Setup,选择Global标签。 鉴于ADS在Layout中的Momentum仿真是很慢的,在允许的精度下,可以把“Mesh Frequency”和 “Number of Cells per Wavelength” 设置得小一点,仿真预设置(续),进行仿真,点击Momentum - Simulation - S-parameter弹出仿真设置窗口,该窗口右侧的Sweep Type选择Linear, Start、Stop分别选为2.5GHz、3.5GHz,Frequency Step选为0.05GHz。Update后,点击Simulation按钮。,仿真结果,对仿真结果的探讨,由上图可见,理论上的计算结果与实际的符合还是相当不错的,中心频率大约在2.95GHz左右。只是中心频率处反射系数S11还比较大,从而匹配不理想,在3GHz处,m1距离圆图上的坐标原点还有相当的距离。在3GHz下的输入阻抗是:Z0*(0.103-j0.442)5.15j22.1,总体的2D辐射方向图,在原理图中进行匹配,为了进一步减小反射系数,达到较理想的匹配,并且使中心频率更加精确,可以在Schmatic中进行匹配。 天线在3GHz下的输入阻抗是:Z0*(0.103-j0.442)5.15j22.1,这可以等效为一个电阻和电容的串连。,匹配原理,匹配的原理是:串联一根50欧姆传输线,使得S11参数在等反射系数圆上旋转,到达g=1的等g圆上,然后再并联一根50欧姆传输线,将S11参数转移到接近0处。所需要计算的就是串连传输线和并联传输线的长度 ADS原理图中优化功能可以出色的完成这个任务,匹配过程,新建一个Schematic文件,绘出如下的电路图:,匹配过程(续),其中TL1和TL2的L是待优化的参量,初值取10mm,优化范围是1mm到20mm。 设置好MSub的值,匹配过程(续),插入S参数优化器,一个Goal。其中Goal的参数设置如下: 这里dB(S(1,1)的最大值设为-50dB,是因为在Schematic中的仿真要比在Layout中的仿真理想得多,所以要求设置得比较高,以期在Layout中有较好的表现。,匹配过程(续),设置好OPTIM。 常用的优化方法有Random(随机)、Gradient(梯度)等。随机法通常用于大范围搜索,梯度法则用于局部收敛。这里选择Random。 优化次数可以选得大些。这里设为300。 其他的参数一般设为缺省即可。,匹配过程(续),优化电路图为:,匹配过程(续),点击仿真按钮,当CurrentEF0时,优化目标完成。把它update到原理图上(SimulateUpdate Opimization Values)。 Deactivate优化器。最终原理图如下:,匹配过程(续),原理图中的仿真,点击仿真按钮,可以看到仿真结果为:,原理图中的仿真(续),放置Marker可以得到更详细的数据 在中心频率f3GHz处,S(1,1)的幅值是5.539E-4,可见已经达到相当理想的匹配。,修改Layout,参照Schematic计算出来的结果,修改Layout图形如下,两点说明,由于这里是手工布板,而不是由Schematic自动生成的,传输线的长度可能需要稍作调整(但不超过1mm)。注意要把原先的3mm馈线长度也算进去。 为了方便输入,在电路的左端加了一段50的传输线。其长度对最终仿真结果的影响微乎其微。这里取1mm。,仿真结果,按照前述的步骤进行仿真,仿真结果是,仿真结果(续),为了较精确地给出匹配的结果,我们将仿真频率范围设为2.9GHz到3.1GHz,步长精确到10MHz。 可见进行原理图匹配的结果是十分理想的。 下面具体给出一些仿真结果。,总体的2D辐射方向图,天线增益和方向性系数,天线效率,(七)设计小结,矩形微带天线设计是微带天线设计的基础,然而作为一名新手,想熟练顺利地掌握其设计方法与流程却也有些路要走。 多仿照别人的例子操作,多自己动手亲自设计,多看帮助文件,是进入射频与微波设计殿堂的不是捷径的捷径。,(七)设计小结(续),一般来说,按照公式计算出来的矩形天线其反射系数都还
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