基于ADS的微带天线的设计与仿真

1、基于ADS的微带天线的设计与仿真ThedesignandsimulationofPIFAbasedonADS王伟堃(WangWeikun)06250109计算机与通信学院本科生毕业设计说明书基于ADS的微带天线的设计与仿真学号：专业：通信工程班级：06级通信工程（1）班指导教师：侯答辩时间：2010年6月15日 前言平面倒F天线(PIFA,PlanarInvertedFAntenna)主要应用在手机终端中，由于其体积小、重量轻、成本低、性能好，符合当前无线终端对天线的要求，因而得到广泛的应用，进行了许多研究工作。先进设计系统(AdvancedDesignSystem)，简称ADS，是安捷伦科技

2、有限公司(Agilent)为适应竞争形势，为了高效的进行产品研发生产，而设计开发的一款EDA软件。软件迅速成为工业设计领域EDA软件的佼佼者，因其强大的功能、丰富的模板支持和高效准确的仿真能力(尤其在射频微波领域)，而得到了广大IC设计工作者的支持。ADS可以模拟整个信号通路，完成从电路到系统的各级仿真。它把广泛的经过验证的射频、混合信号和电磁设计工具集成到一个灵活的环境中，包括从原理图到PCB板图的各级仿真，当任何一级仿真结果不理想时，都可以回到原理图中重新进行优化，并进行再次仿真，直到仿真结果满意为止，保证了实际电路与仿真电路的一致性。本设计通过ADS软件对微带天线进行设计，设计了平面倒F

3、天线，即PIFA天线的设计以及利用Hilbert分型结构对天线小型化设计。论文主要包括：PIFA天线的介绍，ADS软件的使用，PIFA天线的设计以及仿真，优化及结果分析等内容。论文结构安排如下：第一章绪论；第二章FIFA天线原理及介绍；第三章ADS软件的使用；第四章PIFA天线的设计；第五章仿真优化及结果分析。第一章介绍了本设计要解决的问题，提出了用ADS软件设计PIFA天线。第二章详细介绍了PIFA天线的工作原理和Hilbert分型结构的原理。第三章介绍本次设计主要用到的ADS相关的功能。第四章详细的介绍了设计的全过程。第五章就仿真结果及进一步优化做了详尽的分析。由于水平有限，设计难免存在漏

4、洞和缺陷，欢迎批评指正。摘要平面倒F天线(PIFA,PlanarInvertedFAntenna)是一种常用的平面天线，平面倒F天线具有体积小，重量轻，低剖面，结构简单，易于加工制作等优点，因此被广泛应用于移动电话等移动通信终端设备上。本设计通过ADS软件对PIFA天线进行仿真设计，尝试了一种PIFA天线设计方法。在文中给出了清晰地设计的步骤，阐述了设计中微带天线参数的计算方法，结合设计方法给出了一个中心频率为2.4GHz,工作带宽不小于120MHz,增益大于1.5dB,输入阻抗接近50Q,方向图接近全向或半全向，具有水平和垂直极化特性的微带天线的设计及利用Hilbert分型结构小型化天线的设

5、计。仿真结果的分析验证了此方法的正确性和可行性。该方法利用ADS仿真软件进行微带天线的设计,可减少工作量,提高设计的准确性,降低设计成本,因而可使设计工作简单化,能够达到事半功倍的效果。关键词：微带；PIFA；Hilbert；ADS AbstractPlanarinvertedFantenna(PIFA,PlanarInvertedFAntenna)isacommonplanarantenna.PlanarinvertedFantennahasthefeatureofsmall-volumed,lightweight,low-profile,andsimplestructureanditise

6、asytomanufacture,etc.Therefore,itiswidelyusedinmobilephonesandothermobilecommunicationterminaldevices.ThesimulationdesignpatterntothePIFAantennaisanewwaythatusedbytheADSsoftware.Thetextshowsaclearstepofthedesign,andelaboratethecaculatingmethodtothemicrostripantenna.Combinedwiththedesignmethod,themic

7、rostripantenna,itscenterfrequencyis2.4GHz,andworkingbandwidthisnolessthan120MHz,andthegainislargerthan1.5dB,inputimpedancecloseto50Q.ThedesignusesHilberttypingsmall-structureantennas.Directionpatternisclosetofullorhalf-full,whichalsohavehorizontalandverticalpolarization.Theanalysisofsimulationresult

8、sshowsitscorrectnessandfeasibility.Themethodwillbeabletoadvanceinreducingtheworkload,improvingdesignaccuracy,reducingdesigncosts,soitcansimplifythedesignwork,andachieveabetterreffect.Keywords：microstrip；PIFA；Hilbert；AdvancedDesignSystemTOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark8 第1章绪论1 HYPERLINK l bookmark1

9、0 第2章平面倒F天线原理2微带天线简介2微带天的结构2微带天线的分类3微带天线的馈电方法3徽带天线的优缺点3微带天线的应用4分形理论简介4分形的定义4分形维数52.3倒F原理及结构分析82.4Hilbert分形结构分析9 HYPERLINK l bookmark12 第3章ADS软件的使用12ADS软件简介12ADS的使用13微带线计算器LineCalc13版图仿真工具Momentum13 HYPERLINK l bookmark14 第4章设计说明15天线结构设计与分析15相关参数的计算15天线设计164.3.1绘制版图164.3.2层定义20端口的定义21S参数仿真一Mesh设置22 H

10、YPERLINK l bookmark16 第5章仿真结果及分析24 HYPERLINK l bookmark18 第6章设计总结28 HYPERLINK l bookmark20 参考文献29 HYPERLINK l bookmark22 英文原文30 HYPERLINK l bookmark24 中文翻译49致谢62 VI图目录TOC o 1-5 h z图2.1微带天线的基本结构2图2.2典型倒L和倒F形天线结构9图2.3IFS生成Hilbert分形曲线的过程10图2.4Hilbert分形迭代结构11图3.1微带线计算器LineCalc13图4.1基于Hilbert分形结构的倒F天线结构1

11、5图4.2ADS启动界面16图4.3创建工程对话框17图4.4ADS主窗口17图4.5新建版图设计17图4.6LayoutUnit窗口18图4.7选择层窗口18图4.8天线尺寸测量19图4.9倒F天线在Layout中的全貌119图4.10倒F天线在Layout中的全貌219图4.9SubstrateLayers中层的参数设置20图4.10MetallizationLayer中层的参数设置21图4.11端口的设置22图4.12Mesh的设置23图4.13仿真进程状态显示窗口23图5.1经过Simulation的仿真图24图5.2天线的增益24图5.30度表面电流分布图25图5.490度表面电流分

12、布图25图5.5180度表面电流分布图26图5.6270度表面电流分布图26图5.7E面辐射方向图26图5.8ETheta面辐射方向图27图5.9EPhi面辐射方向图27 第1章绪论现代无线通信的飞速发展对无线通信设备的设计提出了越来越高的要求。平面倒F天线(PIFA)具有尺寸小，重量轻且后向辐射小等优点而成为目前内置天线的主要形式。不断缩小的空间对天线性能提高提出了一个巨大挑战，尤其对带宽的要求仍然很高，目前PIFA提高带宽的方法有很多，诸如增加寄生贴片，开矩形凹槽，改变馈点的结构，加多层贴片或多个支路等，其中改变馈点结构是最直接有效的方法，但是此种方法在实际设计中不易实现，本文利用Hilb

13、ert分型结构来小型化平面倒F贴片天线，分形结构的天线具有良好的尺寸缩减特性，可以在有限的空间内大幅度提高天线的效率。利用一维的Hilber分形结构在天线在尺寸的缩减的同时，具有较高的天线效率。现有已使用的RFID标签天线，大多数设计成单极鞭形天线，其结构简单，但所占用空间较大。现代无线通信领域常采用的天线是倒F型单极天线，它结构紧凑，带宽适中，不容易损坏，而且功耗更低。同时，分形结构的特性之一就是具有空间填充性能，即分形能够在很小的体积内充分地利用空间。而采用分形结构设计的天线，可以大大减小天线的尺寸，提高系统的稳定性。下文将设计一个中心频率为2.4GHz，工作带宽不小于120MHz,增益大

14、于1.5dB,输入阻抗接近50Q,方向图接近全向或半全向，具有水平和垂直极化特性的平面倒F天线。第2章平面倒F天线原理微带天线简介微带天线最初提出于20世纪50年代，发展于70年代，成熟于80年代，特别是在航天设备和便携式通信系统中。与其他类型的天线相比，微带天线具有重量轻，剖面小，结构紧凑，外观优美等众多优点，而且能够做成共形天线，便于制造和集成，成为了天线领域的一个研究热点。天线理论分析的基本问题就是求解天线在周围空间辐射的电磁场，求得电磁场数据后，进而计算出方向图，增益以及输入阻抗等特性参数。迄今为止已经提出了众多方法对微带天线进行理论分析，常见的方法有传输线模型理论，空腔模型理论等，这

15、些分析方法相对比较简单，缺点是精度不够。相对比较严格的计算方法也比较复杂的是积分方程法，即全波理论而对于复杂的微带天线结构一般都是利用数值分析的方法。2.1.1微带天的结构微带天线的基本结构如图21所示。其结构一般包括三部分：介质基片、接地面和微带辐射器。图2.1微带天线的基本结构辐射贴片和接地面一般采用铜或者其它金属作为材料，形状可以设计成各种各样来满足不同的要求。介质基片的相对介电常数通常较小，一般不超过10,通常取2.5,这样可以r增加天线贴片的边缘效应来提高微带天线的辐射能力。但是其它的性能则要求使用介电常数大于5的介质基片材料。目前，已制成了介电常数范围较大和损耗角正切低的各种类型的

16、介质基片。介质基片很薄，其厚度h远小于工作波长，一般在0.001名0.1九之间。2.1.2微带天线的分类由定义可知，微带天线贴片和接地板可以根据应用需要设计成各种不同的形状，但总体来讲，都可以将其分为以下三种基本类型：微带贴片天线、微带行波天线和微带缝隙天线。微带贴片天线简称MPA(MicrostripPatchAntenna),是结构最简单的微带天线。常见的贴片几何形状有：正方形、矩形、圆形、三角形、五角形、环形等。微带行波天线简称MTA(MicrostripTraveling-waveAntenna)，其贴片为链形周期结构或TEM波传输线结构。TEM波传输线的末端接匹配负载，当天线上维持行

17、波时，可以从天线结构设计上使主波束位于从边射到端射的任意方向。微带缝隙天线简称MSA(MicrostripSlotAntenna)由微带馈线和开在地板上的缝隙组成。缝隙可以是矩形(根据矩形的窄或宽可分为窄缝天线和宽缝天线),圆形或环形等。微带行波天线简称MTA(MicrostripTraveling-waveAntenna)，由基片、在基片一面上的链形周期结构或普通的长TEM波传输线(也维持一个TE模)和基片另一面上的接地板组成。原则上，任何一个TEM波传输体都可以改造成一个行波天线。对徽带线前言，TEM波传输线天线分为两种：微带线终端接匹配负载的行波天线和微带线终端为开路或短路的驻波天线。通

18、常驻波天线为边射，而行波天线的辐射则可设计成从后射直到端射之间的任一方向上。因此，当波瓣指向边射方向时，行波天线就成为驻波天线。微带行波天线一般为周期性结构，可预先计算其辐射特性。同其它行波天线一样，可以用频率来控制主辐射方向。微带缝隙天线简称MSA(MicrostripSlotAntenna)，由微带馈线和开在接地板上的缝隙组成。其概念是由带状线缝隙天线发展丽来的，更确切地说，是由三板传输线发展过来的。带状线缝隙天线的研究和应用都已比较成熟，但要注意抑制在“开槽”的接地板和外导体之间产生电位差的那些不希望的模。窄缝宽缝圆环缝MSA的优点是能产生双向或者单向方向图。在微带天线的设计中，采用贴片

19、和缝隙的组合结构，可以额外增添一个自由度。沿着微带馈线一边排列的导带和缝隙的组合可以产生圆极化辐射场。微带缝隙天线能产生所希望获得的极化，且对制造公差的敏感度比微带贴片天线要低。2.1.3微带天线的馈电方法微带天线馈电方法可以分为间接馈电和直接馈电两种。间接馈电是指无需微带线连接，而是通过电磁耦合的方式进行馈电；直接馈电是指通过将馈线与金属贴片相连而进行馈电。直接馈电又分两种方式：同轴线馈电(Probefeed)和微带线馈电(MicrostripLinefeed)。2.1.4徽带天线的优缺点微带天线具有很多的优点，如：剖面薄，体积小，重量轻；具有平面结构，并可制成与导弹、卫星等载体表面帽共形的

20、结构；便于获得圆极化波：可以设计成多频和双极化天线；不需要后面加腔体；天线的馈电结构和匹配网络可以和天线同时制作；馈电网络可与天线结构一起制成，适合于用印刷电路技术大批量生产；可以做得很薄，因此，不影响装载于飞行器上的空气动力学性能；适合于组合式设计（固体器件，如振荡器、放大器、可变衰减器、开关、调制器、混频器、移相器等可以直接加到天线基片上）。同时，微带天线也有一定的局限性，如：带宽较窄；增益有些情况下不能满足要求（约为6dB）；组成阵列时会有较大的阻抗损耗；有导体和介质损耗，并且会激励表面波，导致辐射效率降低；高性能阵列天线对馈电网络有很严格的要求；很难得到较高的极化纯度；馈线和连接部分会

21、引入额外的辐射；功率容量较小，一般用于中小功率场合；在高频时会出现增益和效率下降，交叉极化增加，阵列中出现较大的互耦；在和微波单片集成电路相结合时，往往会选择一些介电常数很大的介质，但是介电常数很大的介质会使得天线的效率下降，带宽变窄。2.1.5微带天线的应用由于微带天线有其独特的优点，它的一些缺点也正在逐渐地被研究克服，并且在许多实际设计中，微带天线的优点远远超过它的缺点，因此它有广阔的应用前景。一般说来，它在飞行器上的应用处于优越地位，可用于雷达、通信、导航、测高计、着陆系统；此外它还可应用于直传广播电视、遥感雷达和辐射计、移动卫星电话、移动电台、手机、车顶天线、基站天线、生物医疗系统、监

22、控系统等等。分形理论简介2.2.1分形的定义分形理论是当今世界十分风靡和活跃的新理论、新学科，它的研究对象是自然界非线性科学中出现的不光滑和不规则的几何体。分形的概念是美籍数学家曼德布罗特（B.B.Mandelbort）首先提出的。1967年他在美国权威杂志科学上发表了题为英国的海岸线有多长?的著名论文。“海岸线作为曲线，其特征是极不规则、极不光滑的，呈现极其蜿蜒复杂的变化。我们不能从形状和结构上区分这部分海岸与那部分海岸有什么本质的不同，这种几乎同样程度的不规则性和复杂性，说明海岸线在形貌上是自相似的，也就是局部形态和整体形态的相似。在没有建筑物或其他东西作为参照物时，在空中拍摄的100公里

23、长的海岸线与放大了的10公里长海岸线的两张照片，看上去会十分相似。事实上，具有自相似性的形态广泛存在于自然界中，如：连绵的山川、飘浮的云朵、岩石的断裂口、布朗粒子运动的轨迹、树冠、花菜、大脑皮层曼德布罗特把这些部分与整体以某种方式相似的形体称为分形(fractal)。1975年，他创立了分形几何学(fractalgeometry)。在此基础上，形成了研究分形性质及其应用的科学，称为分形理论(fractaltheory)。经过二十几年的发展，它已广泛地应用到自然科学和社会科学的几乎所有领域，成为当今国际上许多学科的前沿研究课题之一。有关分形的概念，科学史上有记载的最早是由Hausdorff于19

24、19年引入，随后经Besicovitch于1935年和B.B.Mandelbrot于1975年加以改进和发展。B.B.Mandelbrot曾经为分形下过两个定义：(1)满足下式条件Dim(A)dim(A)的集合A,称为分形集。其中，Dim(A)为集合A的Hausdorff维数或分维数，dim(A)为其拓扑维数。一般说来，Dim(A)不是整数，而是分数；(2)部分与整体以某种形式相似的形态，称为分形。然而，经过理论和应用的检验，人们发现这两个定义很难包括分形如此丰富的内容。实际上，对于什么是分形，到目前为止还没有确切的定义。正如生物学中“生命”的定义一样人们只能列出一系列生命体所具有的特征，比如

25、对环境的适应能力、生命能力、运动能力以及繁殖能力等等来说明。现在，人们一般采用著名分形几何学家Falconer在分形集几何学中对分形集合F的描述来判断某一对象是否是分形。他的观点是最好把分形看成是具有某些特性的集合，而不用去寻找一个几乎概括所有情形的精确定义。因此，Falconer列出了五条用不确定性语言描述的分形集的特性：分形集都具有任意小尺度下的比例细节，分形集不能用传统的几何语言来描述，或者说它具有精细的结构。它既不是满足某些条件的点的轨迹，也不是某些简单方程的解集。分形集具有某种自相似形式，可能是近似的自相似或者统计的自相似。一般，分形集的“分形维数”，严格大于它相应的拓扑维数。分形的

26、生成方式很简单，可以用递归迭代产生。其中前三项说明了分形在结构上的内在规律性，第(4)项说明了分形的复杂性，第(5)项则说明了分形的生成机制。2.2.2分形维数分形维数是分形理论中最重要的一个概念，它是对非光滑、非规则、破碎的等极其复杂的分形客体进行定量刻画的重要参数，它表征了分形体的复杂程度、粗糙程度，即分形维数越大，客体就越复杂、越粗糙，反之亦然。维数概念历来在数学和物理学中占据着重要的地位。按传统的观点，维数是确定系统状态的独立变量，只能取整数。然而，在分形理论中，对于一个分形客体，它的维数一般都不限于整数，而可取任何实数值。分形维数是定量刻画分形特性的常数，能够反映分形的基本特征，而且

27、赋予了很多崭新的内涵，但由于侧重面不同，有多种定义和计算方法。常见的有Hausdorff维、信息维、容量维等，它们有各自不同的应用。下面介绍几种常见的分形维数定义：(l)Hausdorff维数设一个客体划分为W个大小和形态完全相同的小客体，每一个小客体的线度是原客体的6倍，该客体的Hausdorff维数为：D=iimlnN(2(221)H50ln(1/8)其中N(8)表示整体所包含的小图形的个数。如果把一个客体的线度放大L倍，那么得到的新客体是原客体的K倍，则该客体的维数为DHDHlnKlnL(2.2.2)信息维数Di在Hausdorff维数现的定义中，只考虑了所需5覆盖的个数N(5)，而不考

28、虑每个覆盖U中i所含分形集元素的多少。设P表示分形集的元素属于覆盖U中的概率，则信息维数D为：iijNPlnPD=limi=-i5toln5在等概率P=I/(5)的情况下，D=D，即信息维数等于Hausdorff维数。iiH并联维数Dg若分形中某两点之间的距离为5，其关联函数为C(5)，则关联维数D为：g(2.2.3)式中：D=limlnC(8)gln(1/5)(2.2.4)LjP2i=11(2.2.5)(4)相似维数Ds设分形整体S是由N个非重叠的部分S,S,S,S组成，如果每一个部分S经过放大123Ni1/r倍后可与S全等(0r1,i=1,2,N)，并且r=r，则相似维数为:iiilnNl

29、n(1/r)(2.2.6)相似维数风与Hausdorff维数D是一致的，但在某些情况下，特别是对某些分形曲线,H用相似维数似乎要更方便些。(5)容量维数Dc容量维数是由Kolmogorov推导的，它的定义类似于Hausdorff维数，是以包覆为基础的。假定要考虑的图形是n维欧氏空间Rn中的有界集合，用半径为e的球填入该图形，假定NC)是球的个数最小值，则容量维数D可用下式来定义:c(2.2.7)除上述定义的几种分形维数外，还有谱维数、模糊维数、拓扑维数、广义维数、微分维数、分配维数、质量维数、填充维数等。在分析研究中，之所以对分形维数有很多定义是因为要找到对任何事物都适用的定义并不容易。由于测

30、定维数的对象不同，就某一分形维数的定义而言，有些对象适用，而另外一些就可能完全不适用，因而对不同定义的维数使用不同的名称把它们区分开。为了便于表示，通常把非整数值的维数统称为分形维数。2.1.3分形结构的描述语言描述分形结构的通用方法是函数迭代系统(IFS),它能够方便地生成各种分形结构。函数迭代系统(IFS)建立在一系列自仿变换因子W的基础上，完成对初始几何结构的迭代。W可用公式表示为：x+reday丿f丿(2.2.8)或者等价于w(x,y)=(ax+by+e,cx+dy+f)(2.2.9)式中，a、b、c、d、e、f为实数，a、b、c、d控制几何结构的旋转和伸缩，e、f控制几何结构线性位移

31、。假设存在一系列自仿变换因子集合W二W=w,w,w,ww和一个最初的几何结构1234N么。那么，将这些自仿变换因子集合形作用于初始几何结构么，就会生成一系列新的几何结构，我们将其记为，w(A),w(A),w(A),w(A)，把这些结果做并集就可以得到新的几何123N结构，表示如下：W(A)=UNw(A)(2.2.10)n=1n式中，w(A)称为H算子(HutchinsonOperator)。将W(A)作用于A就可以生成下一个几何结构A，依次类推，将W(A)反复作用于前一个12几何结构，就可以不断地生成新的几何结构。函数迭代系统就是通过这个迭代方式，可以根据具体需要，在初始几何结构的基础上，生成

32、任意阶的分形结构。例如，设集合A为一个初0始几何结构，则由该初始几何结构生成的第K+1阶分形结构可以通过以下迭代得到：A二W(A),A二W(A),A二W(A),A,A二W(A)(2.2.11)1021324k+1k一个函数迭代系统通过反复作用于一个几何结构会生成一个收敛的几何结构序列，这个最终的几何结构A可以由下式表示：gA二W(A)(2.2.12)gg这个几何结构函数迭代系统的“吸引子”，代表自仿变换因子集合W的一个“固定点”。由于函数迭代系统提供了一种描述、分类和操作分形结构的通用方法，所以它是分形结构设计的强有力工具。倒F原理及结构分析PIFA的典型结构包括一个平面的矩形金属片、一个大的

33、接地平面、一个窄的短路金属板(置于矩形平面金属片长度较短边的边缘)。一方面，PIFA可以被认为是一个线性倒F型天线(IFA：Inverted.FAntenna)，将IFA的金属线辐射体替换为金属板后，频宽比原来的IFA宽。另一方面，也可以将PIFA视为一个短路的矩形微带天线，这种短路的矩形微带天线其实际共振模态与矩形微带天线的共振模态是一样的，都是共振在TM基本模态。10将短路金属板置于辐射金属与接地平面之间时，将使矩形辐射金属的长度减半，从而达到缩小天线的目的，此时在短路会属板的位置，TM的电场为零。当短路金属板的宽度等于平面10矩形辐射贴片的宽度时，即为“短路面加载”；当短路金属板宽度比平

34、面矩形金属片窄时，即为“短路壁加载”，天线的有效电感增加，共振频率低于传统的短路微带天线。因此，在相同尺寸的平面矩形金属片下，要得到相同共振频率，就必须使平面矩形金属片缩小，从而达到原先将天线缩小的目的。加载短路金属板，一方面可以实现小型化，另一方面可以使整个天线的有效电感增加，谐振频率低于传统的一端短路微带天线，拓展了微带天线在频段方面的使用范围。倒F天线常用于无线通信系统中，典型的倒F天线结构如图3.2(b)所示。倒F天线是在倒L(如图3.2(a)所示)天线的垂直元末端加上一个倒L结构而构成。使用附加的这个结构可以调整天线和馈电端的匹配，不需要另外的匹配电路，简化了天线结构。倒F天线具有低

35、轮廓结构，辐射场具有水平和垂直两种极化，这些特性对天线的设计非常重要。水平元垂直元777777地平而接地点激励点激励点(a)ML形天銭(b)倒F形天绞(1FA)图2.2典型倒L和倒F形天线结构在设计印刷倒F单极天线时，我们可以通过调整天线尺寸达到工作频段所要求的理想匹配效果。一般来说，倒F天线水平单元的尺寸估算值可以由以下经验公式得到：bcd4f10hH2(2.3.1)(2.3.2)其中，L表示be段的长度，L为cd段的长度，C为真空中的光速，为介质板的有效介bccde电常数，为相对介电常数，h和W分别为介质板的厚度和天线的线宽。2.4Hilbert分形结构分析Hilbert曲线作为一个连续图

36、形不存在任何交叉点，随着分形阶数的增加，曲线通过自相似迭代从一维空间逐渐填充到二维空间，曲线具有严格的自相似性。W阶Hilbert分形曲线的分形维数可以按下式计算：D二皿(4“-D*门-1)(2.4.1)ln(2n-1)/(2n-1-1)Hilbert曲线的分形维数随曲线阶数的增加而增大，表征了分形曲线占据空间的利用率。由公式(2.2.1)可知，Hilbert分形曲线的分数维取值范NI为1,2，是一种结构简单、空间占有率高的分形结构。下面利用函数迭代系统简单描述一下Hilbert分形曲线的生成过程，如图3.4所示。此处，初始Hilbert分形曲线为一个二维几何结构：(2.4.2)yw0,1,x

37、=0；xw0,1,y=1;yw0,1,x=1；四个隶属变换因子分别作用于初始Hilbert分形曲线H，经四次迭代，依次生成l阶0Hilbert分形曲线H、2阶Hilbert分形H曲线以及3和4阶Hilbert分形曲线。对于Hilbert12分形曲线隶属变换因子集合w，如令w=sxr+1其中，s表示尺度变换矩阵，r表示旋转变换矩阵，t表示线性位移矩阵。则:(1/30、1/3丿(cos0-sinsin0cos0丿1(0)1(2/3)t-,t,t12n12/3丿22n-12/3J32n-11/3)4(2.4.3)(2.4.4)(2.4.5)式中，n为Hilbert分形曲线的阶数，0为Hilbert分

38、形曲线旋转角度，0wL兀/2,0,兀/2t,t,t,t分别对应隶属变换因子集合矿中的四个元素1234Hilbert分形曲线的隶属变换因子集合w为：0丫cos01/3八sin00丫cos01/3八sin0w,w,w,w，贝U1234(w(H)1w(H)2w(H)3w(H)丿4/j1/30(1/30(1/30(1/3J00丫cos（-兀/2）1/3八sin（-兀/2）0cos（兀/2）1/3八sin（兀/2）-sin0、cos0丿-sin0、cos0丿-sin(-兀/2)、cos(-兀/2)丿-sin(兀/2)cos(兀/2)丿(0丫2/3丿(2/3)2/3丿(0)J/3丿(1)0丿丿(2.4.6

39、)ITFIII匸图2.3IFS生成Hilbert分形曲线的过程L(n)=4n+11h2n+11(2.4.7)图2.2.1为0-3阶的Hilbert分形迭代结构。从图中可以看出，Hilbert是1/3等边分形曲线，若0阶Hilbert曲线各边长均为h，贝Un阶Hilbert曲线总长度为:由等式（2.2.7）可知，随着Hilbert分形迭代次数的增加，Hilbert曲线的长度呈指数上升,趋近于无穷大，逐渐填充整个轮廓。当迭代次数为5时，X/4单极天线长度为原来的65倍，由于耦合效应的存在天线的谐振频率并没有降为原来的1/65而是1/II，但仍然具有很强的尺寸压缩能力。因此，Hilbert曲线非常适

40、合用于小型化分形天线的设计。目前，Hilbert分形曲线已应用于VHF他HF通信的天线设计中。0阶1阶2阶3阶图2.4Hilbert分形迭代结构第3章ADS软件的使用3.1ADS软件简介先进设计系统(AdvancedDesignSystem)，简称ADS，是安捷伦科技有限公司(Agilent)为适应竞争形势，为了高效的进行产品研发生产，而设计开发的一款EDA软件。软件迅速成为工业设计领域EDA软件的佼佼者，因其强大的功能、丰富的模板支持和高效准确的仿真能力(尤其在射频微波领域)，而得到了广大IC设计工作者的支持。ADS是高频设计的工业领袖。它支持系统和射频设计师开发所有类型的射频设计，从简单到

41、最复杂，从射频微波模块到用于通信和航空航天国防的MMIC。通过从频域和时域电路仿真到电磁场仿真的全套仿真技术，ADS让设计师全面表征和优化设计。单一的集成设计环境提供系统和电路仿真器，以及电路图捕获、布局和验证能力因此不需要在设计中停下来更换设计工具。先进设计系统是强大的电子设计自动化软件系统。它为蜂窝和便携电话、寻呼机、无线网络，以及雷达和卫星通信系统这类产品的设计师提供完全的设计集成。ADS电子设计自动化功能十分强大，包含时域电路仿真(SPICE-likeSimulation)、频域电路仿真(HarmonicBalance、LinearAnalysis)、三维电磁仿真(EMSimulati

42、on)、通信系统仿真(CommunicationSystemSimulation)、数字信号处理仿真设计(DSP)；ADS支持射频和系统设计工程师开发所有类型的RF设计，从简单到复杂，从离散的射频/微波模块到用于通信和航天/国防的集成MMIC,是当今国内各大学和研究所使用最多的微波/射频电路和通信系统仿真软件软件。此外Agilent公司和多家半导体厂商合作建立ADSDesignKit及ModelFile供设计人员使用。使用者可以利用DesignKit及软件仿真功能进行通信系统的设计、规划与评估，及MMIC/RFIC、模拟与数字电路设计。除上述仿真设计功能外，ADS软件也提供辅助设计功能,如De

43、signGuide是以范例及指令方式示范电路或系统的设计流程，而SimulationWizard是以步骤式界面进行电路设计与分析。ADS还能提供与其他EDA软件，如SPICE、MentorGraphics的ModelSim、Cadence的NC-Verilog、Mathworks的Matlab等做协仿真(Co-Simulation),加上丰富的元件应用模型Library及测量/验证仪器间的连接功能，将能增加电路与系统设计的方便性、速度与精确性。ADS软件版本有ADS2008、ADS2006A、ADS2005A、ADS2004A、ADS2003C、ADS2003A、ADS2002C和ADS200

44、2A以及ADS1.5等。3.2ADS的使用3.2.1微带线计算器LineCalc对于ADS微带线计算器LineCalc，根据微带线的偶模和奇模阻抗，按照给定的微带线路板的参数，使用ADS中的微带线计算器LineCalc计算得到微带线的几何尺寸W、S、L。图3.1微带线计算器LineCalcZEZeven即耦合线偶模阻抗ZZodd即耦合线奇模阻抗Z0指耦合线端接传输线特性阻抗(一般为50欧)C_DB用dB表示的耦合度C(dB)=20log10(ZE-ZO)/(ZE+ZO)E_eff耦合线有效电长度，单位度，即相位延迟Hu指微带线上部空间高度Mur磁导率计算耦合线时，只需按设计参数和板材条件设置即

45、可，其中Z0选定后，输入Z。、ZE，C_DB是自动计算出的。点击上箭头，软件即会给出耦合线的物理尺寸，即W线宽、S耦合线间距、L耦合线长度。3.2.2版图仿真工具MomentumADS软件提供了一个2.5D的平面电磁仿真分析功能一一Momentum(ADS2005A版本Momentum已经升级为3D电磁仿真器)，可以用来仿真微带线、带状线、共面波导等的电磁特性，天线的辐射特性，以及电路板上的寄生、耦合效应。所分析的S参数结果可直接使用于些波平衡和电路包络等电路分析中，进行电路设计与验证。把电路图导入到Layout界面注意事项：要关闭Term以及接地去掉，不可以让他们出现在原理图中。去掉的方法与

46、关闭优化控件的方法相同，即使用区I按钮，把这些元件打上红叉。然后用LayoutGenerate/updateLayout命令完成导入。Momentum中optionspreferenee的常用设置：网格（Grid）的间距和显示，端口（port）和地（ground）在layout中的显示大小，layout窗口背景色（backgroundcolor），丝印层文字的显示大小layout的单位（unit）等。第4章设计说明4.1天线结构设计与分析图4.1（b）为水平单元cd段（见图3.2（b）被Hilbert分形结构取代的倒F单极天线。该天线印刷在厚度为1.6mm的FR4介质板（相对介电常数为4.4）

47、的上表面，而底面为接地板（注意，天线所在介质板部分的底面没有地板），如图4.1（a）所示。图4.1（b）为标签天线的俯视图，从图中我们可以看到天线的短路点a直接与接地板相连，而馈电点e直接与射频模块的匹配电路输出端相连。接地板卩图4.1基于Hilbert分形结构的倒F天线结构Hilbert分形倒F单极天线的abc段可等效成电阻和电感的串联（谐振时短路，故a端可看作短路点）。dce段可等效为电容和电阻的并联（相当于负载，谐振时开路，故d端可看作开路的谐振器）。所以d端电压最大，电流为零；a端电压为零，电流最大。因此，在仿真与优化天线时，我们可以调整动和ce段的长度和线宽来实现与输出电路的匹配。4

48、.2相关参数的计算对于4/单极印制天线来说，其线宽w可由以下等式得到：其中+1-1r+72+1r,Abd_pi|DcdUtfidLayers,将cond的ShapeDisplay由filled改为outlined，这样便于测量尺寸。可得下图：图4.10倒F天线在Layout中的全貌24.3.2层定义层定义是至关重要的一步。由Momentum=Substrate=Create/Modify,进入层定义对话窗口。作如下设置：定义Alumina中的各个参数，将Alumina的名字改为RF4,因为我们用的介质板的材料叫RF4即定义Thickness为1.6mm，表示介质板的厚度为1.6mm；Real为

49、4.4，表示介质板的相对介电常数为4.4；LossTangent为0.018,表示损耗正切为0.018。最后点击Apply。我们需要的天线的层结构设置如图4.9所示：图4.9SubstrateLayers中层的参数设置MetallizationLayer层的参数设置，在Conductivity选择Sigma(Re,Im)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。设置层参数图如图4.10所示。Create/IodifySubstrate:1SubstrateLayersWstiLliia

50、tiinLiysrsLav&rsppingSelect3layoutlayertomapasastriporslottoaninterfaceplane(dashed1祜司orasaviatoasubstrateb卿:LayoutLayerSubstrateLasers:NameRF4/；/GND/；/bpeThicknessConductivityRealInagForaperfectsheetconductorthesimulatorignoresthickness.Strip|Slot1ViaUnmapOverlapPrecedenceHelpCancelI图4.10Metallizat

51、ionLayer中层的参数设置4.3.3端口的定义选中增加Port。Port加在cond层天线的接地端，也就是天线的a端。可以选择Options=MidpointSnap，使得Port加在物体的中间位置。由Momentum=PortEditor,再用鼠标选中端口，进行编辑。在PortType中选择Single。点击Apply就OK了。编辑如图4.11所示。图4.11端口的设置4.3.4S参数仿真一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，MeshFrequency和NumberofCellsPerWavelength越大，精度越高

52、。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：MeshFrequency为后面S仿真中的频率上限值，NumberofCellsPerWavelength为30。选择Momentum中的SimulationSparameters出现一个对话框在SweepType中可以选择Single，Adaptive，Linear。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SamplePoint，以用最少的SamplePoint来描述图形，因此在对大范围的频率扫描时，推荐使用Adaptive

53、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。Start里为扫描的起始频率，Stop为扫描的结束频率。SamplePointsLimt为扫描的取样个数。这里一般设置为25，设置好点击AddFrequencyPlanList添加。最后点击Simulate进行仿真。SimiLatidb.Cantrol:1图4.12Mesh的设置图4.13仿真进程状态显示窗口第5章仿真结果及分析基本版图绘制好后，对天线的基本性能进行仿真，结果如图5.1所示:.卢D201-J.slrlFrequency-II-J-UFrequencymlfreq=

54、2.400GHzdEijl:iEnd;iriEinnon.S(1)=-1m2frcc-2ZC0CI-z_idiEju让心i.iiHiiEiiiuind.S1,1)j-1了0.丘n3FtL-2ACCGH2tn/hn_mniin_1?n门逢一工了*00日2十口匸2.2LI2.252；JU上为24U2.452.60卫出2.bUS11freq(：.23CGH:ti.fDDGH:)图5.1经过Simulation的仿真图从S11图中看出天线的中心频率在2.4GHz处，达到设计要求。天线将在2.4GHz的频率处工作。但是从下图的红线中看出天线在中心频率初的增益只有-10dB远没有达到设计的要求，经过了多次

55、修改天线的增益也不符合标准。-40Directivity-50IIIIIIIIIIII-|匚T-图5.2天线的增益对天线表面电流的分布的观察选择Current=SetPortSolutionWeights，单击OK。然后，选择Current=PlotCurrents。按照相位从0。-90。-180。-270。，观察天线的表面电流分布，分布图如图5.25.5所示：图5.30度表面电流分布图图5.490度表面电流分布图图5.5180度表面电流分布图图5.6270度表面电流分布图从上图中我们可以看出天线在不同照相位，天线上的电流强弱的不同。图5.7E面辐射方向图图5.8ETheta面辐射方向图图5.

56、9EPhi面辐射方向图从上面图5.7中我们可以看出天线的E平面图接近全向，图5.8的ETheta和图5.9的EPhi可以看出天线的辐射接近半全向，符合了平面倒F天线对方向图的要求。第6章设计总结基于ADS的微带天线的设计，这一课题主要涉及到两方面的内容：微带天线的设计和ADS软件的使用，通过本次设计我对ADS软件有了一个初步的认识，ADS是一个很强大的射频仿真软件，可以对射频通信的各个部分都可以仿真，但是我只是使用到了他的一小部分功能，使用了他的版图仿真功能，经过3个月的学习和使用也只是初窥门径，用到的是它的皮毛而已。本次毕业设计我利用了ADS软件经行了一个中心频率在2.4GHz,工作带宽不小

57、于120MHz,增益大于1.5dB，输入阻抗接近50Q的平面倒F形微带天线。在设计的过程中，我遇到了很多的问题，现在总结如下：在天线的设计上，我通过查阅了很多资料，了解了有关平面倒F天线的基本结构，倒F天线其实就是在倒L天线的垂直元末端上再加了一个倒L结构构成的。使用附加的这一个倒L形结构可以调节天线的馈电端的匹配，而不需要另外的匹配电路，从而简化了天线的结构了解了天线的基本结构后，最重要的就是在ADS软件下对天线的设计与仿真，在这之前我都觉得天线的设计也还是很简单的，天线的理论设计无非就是对参数的计算，而且计算得公式又都是给定的。但是到了仿真阶段，我就发现天线设计的难度远比我想象的要大，对天

58、线参数的各个细节都要注意，天线的层的设定，层与层之间的介质材料的相对介电常数的设定，天线的馈电点以及天线参数的设定不同而天线的接地也有不同的类型。这些都是我在版图设计过程中遇到的问题，这些问题一一解决后，就开始了仿真，在仿真图形出来后，就要用到Hilbert分形结构对倒F天线的“臂”要开始小型化，倒F天线唯一的缺点就是这个F的“臂”太长，Hilbert分形正是在不改变天线的各个参数的情况下对天线的“臂”经行小型化，从而使天线实用化，但是我计算后对天线的“臂”进行改变后发现这一结构对我的天线的影响还是很大的，因此我只能在天线的版图里对天线的臂长进行逐渐优化，从而使我的天线接近要求的指标参数。在这

59、次设计中，我的天线的基本指标都还是符合要求的，但是在天线的增益和天线的输入阻抗这两个部分没有达到设计要求，所以我的设计只能算是成功了一半，这是我本次设计遗留的问题，由于时间紧迫，这两个问题我只能放到我以后的工作和学习中将它们解决。毕业设计作为对大学所学知识的综合考察，把所学知识应用到实际当中去。知识积累和能力在这次毕业设计中得到体现，同时也发现了自己欠缺和不足。更重要的是在近三个月的时间里，养成了我独立思考问题的习惯，同时也体会到严谨的学习态度、团队合作意识和务实创新的精神对学习和工作的重要，这是我们今后应该倍加珍惜的财富。参考文献雷振亚编著，射频/微波电路导论，西安：西安电子科技大学出版社，

60、2005.8逯贵祯等编著，射频电路的分析和设计，北京：北京广播学院出版社，2003.6RichardChi-HsiLi著，射频电路和射频集成电路设计中的关键课题，北京：高等教育出版社，2005（美）PavelEretchKo著；王子宇等译，射频电路设计：理论与应用（美）PeinholdLudwig,北京：电子工业出版社，2002.5（美）W.AlanDavis,KrishnaK.Agarwal著；李福乐等译，射频电路设计，北京：机械工业出版社姚娜，分形天线在多频无线通信中的研究与应用，硕士学位论文，西安电子科技大学，2006张钧，微带天线理论与工程M,北京：国防工业出版社，19882007安全