印刷偶极子天线设计

实验四

印刷偶极子天线的

设计与调试

（一）实验目的了解印刷偶极子天线的结构和工作原理学习使用ADSMomentum设计天线的基本方法仿真，调试，优化印刷偶极子天线（二）实验内容熟悉ADSLayout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谐振频率(ResonanceFrequency)带宽(Bandwidth)反射损耗(ReturnLoss)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（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软件的启动启动ADS进入如下界面创建新的工程文件点击File->NewProject设置工程文件名称（本例中为Antenna）及存储路径点击LengthUnit设置长度单位为毫米创建建新新的的工工程程文文件件（（续续））工程程文文件件创创建建完完毕毕后后主主窗窗口口变变为为下下图图Layout中中的的背背景景设设置置直接接在在Main窗窗口口中中点点击击，，打打开开Layout窗窗口口，在Layout中中，，选选择择option-preference，对对系统统设设计计的的背背景景参参数数进行行设设置置。。我们们选选择择其其中中的的LayoutUnit，设设置置如如右右图图，，选择LayoutUnit为mm，，Resolution填写写为0.0001表表示精精确到到小数数点后后四位位。在Layout中绘绘制天天线由于我我们设设计的的是双双面天天线，，在一一个介介质板板上贴贴有上上下两两层，，上层层为馈馈线，，下层层为偶偶极子子天线线和地地板。。首先设设计底底层，，选择择cond2，，如图图在Layout中绘绘制天天线由于我我们设设计的的矩形形天线线，所所以我我们选选择，，然后后在窗窗口中中选择择一点点，开开始画画矩形形，矩矩形大大小的的控制制可以以看右右下角角的右右边的的坐标标，它它表示示相对对位置置的距距离。。同样，点击击鼠标右键键的“measu在Layout中绘完成对底层层cond2的全部部设计，如如下图在Layout中绘绘制天线选择：Option=>Layers,将cond2的的ShapeDisplay由filled改为outlined，这在Layout中绘绘制天线将设计的层层面改为cond，，重复上面面的设计，，完成对于于顶层cond的设设计，可图中，红色是对应应cond层（顶层）），黄色对对应cond2（底层），下下面在顶层层与底层之之间加上一一个通孔在Layout中绘绘制天线下面在cond与cond2层之间加加一个通孔孔（Via），选择择层为：加通孔，因因为是圆形形的通孔，，所以选择择，，如下图：：这样就完成成了天线尺尺寸的基本本设计。层定义这是至关重重要的一步步。由Momentum=>Substrate=>Create/Modify，进入入层定义对对话窗口。。作如下设置置：将地面GND的边界界由Closed改改为Open（1），然后点击击左下角的的Add，，增加一层层Alumina_0（2），并且把这这一层重新新定义如下下所示（3），即跟上面面的FreeSpace定义义完全一样样，重新命命名为FreeSpace_bottom，当当然命名为为其他名字字也是没有有问题的。。这样上下下形成了对对称的结构构。最后定定义Alumina中的各个个参数，即即定义Real为4.6，LossTangent为为0.018（4），表示损耗耗正切为0.018。我们需需要的天线线的层结构构如下图所所示：层定义—MetallizationLayer设置置去掉通常微微带天线的的地面（GND）而而加FreeSpace_bottom，与上上面的FreeSpace向向对称，这这样更加符符合移动通通信下天线线的实际情情况，对于于移动通信信总是希望望全向的天天线，这样样可以克服服一般的微微带天线只只能向半空空辐射的缺缺点而成为为全向天线线。层定义—MetallizationLayer设置置在Conductivity中填电导导率，Thickness中中填金属厚厚度。其中中铜的电导导率为5.78E＋＋006，，厚度为0.018mm。在在这些都设设置结束以以后点击Apply和OK就可以以了。端口定义有两个解决决的办法，，采用：两个Differentialport一个Internalport配配合一个GroundReferencePort由于在前面面的层定义义中取消了了GND，所以不能定定义SinglePort（NotAvailable）本例中采用用第二种方方案端口定义选中加加Port。第一一个Ｐort加在cond上上，第二个个Port加在cond2上上。此时，，可以选择择Options=>MidpointSnap，使使得Port加在物物体的中间间位置。端口定义义可以双击击端口对对端口进进行修改改，选择Port对应的的层：端口定义义由Momentum=>PortEditor,再用用鼠标选选中端口口，进行行编辑。。在Port2的设置置中，Associatewithportnumber中，，写入1，表示示Port2是是Port1的的参考地地。如右图：：在Layout中设计计天线全全貌Ｓ参数仿仿真—Mesh设置在Momentum=>Mesh=>Setup中设置Mesh，Mesh的设置决决定了仿仿真的精精度。Ｓ参数仿仿真选择Momentum中的的Simulation―Sparameters出现一个个对话框框如右图。在SweepType中可以选选择Single，，Adaptive，LinearＳ参数仿仿真Single表示对单单个频率率点进行行仿真，，Adaptive表示根据据曲线变变化的幅幅度选择择不同频频率下的的SamplePoint，以用最最少的SamplePoint来描述图图形，因因此在对对大范围围的频率率扫描时时，推荐荐使用AdaptiveType；对于于Linear，是选选择上下下频率的的范围和和步长，，在规定定频率段段和规定定步长下下进行取取点。这这里选择择adaptiveＳ参数仿仿真如下图对对S参数数仿真进进行设置置：点击update，Simulate，开开始仿真真。Ｓ参数仿仿真仿真结果果：谐振频率率是刚好好位于1.800GHz的，反射射波损耗耗为-28.161dB输入阻抗抗为Z0*（（0.933+j0.036）=46.65+j1.8天线的带带宽对于VSWR<1.5,天线带宽宽为13%(1.683GHz——1.917GHz)对于VSWR<2.0,天线带宽宽为23.8%(1.600GHz——2.026GHz)观察远区区辐射方方向图选择Momentum=>PostProcessing=>RadiationPattern，在弹弹出的对对话框中中：SelectFrequency中选择择1.8GHz，因为为这是谐谐振频率率。在VisualizationType中选择择3DVisualization，因因为我们们首先想想观察三三维视图图。在Port1Impedance中中写入端端口1的的输入阻阻抗，这这个在S11图图中我们们已经测测量了，，为：46.65+j1.8Ω点击Compute。。观察表面面电流的的分布选择Current＝＝>SetPortSolutionWeights，单单击OK。然后后，选择择Current=>PlotCurrents。。按照相相位从00->900->1800->2700，分别为为：天线的辐辐射方向向图EEThetaEPhi观察天线线的增益益选择择Momentum=>PostProcessing=>RadiationPattern->2DDataDisplay,然然后点点击Compute,得到：：观察天天线的的增益益观察天天线的的2维维E面PlanarCut又称称为垂垂直截截面，，如下下图，，Phi是是一定定的，，Theta从从0-3600变化。。这样样截取取的平平面是是与Layout平平面相相垂直直的。ConicalCut又称为为水平平截面面，它它的Theta是确定定的，，而Phi是可以以从0-3600变化。。与Layout平面平平行观察天天线的的2维维E面首先，，观测测PlanarCut（（垂直直极化化）。。在FarField>CuE平平面垂垂直截截面Phi=900EEThetaEPhiE平平面水水平截截面Theta=450EEThetaEPhi同样的的方法法可以以得到到水平平截面面下的的二维维E平面天线参参数的的优化化使用ADSLayout中中的optimization，，可以以完成成对于于天线线的优优化。。优化化时可可以对对一个个参数数进行行优化化，也也可以以同时时对多多个参参数进进行优优化。。通过过Goal设置优优化的的目标标，优优化的的目标标主要要是S11,S21参数,但是是不可可以对对介电电常数数、介介质板板厚度度等参参数进进行优优化。。下面就就天线线的带带宽通通过调调节偶偶极子子宽度度Wd进行优优化，，目的的演示优优化的的过程程。天线参参数的的优化化选择Momentum->Optimization->parameters,进进入优优化参参数设设置对对话框框：在nominalValue填入4，表表示优优化的的Wd的起始始值，，PerturbedValue表示优优化的的终止止值。。天线参参数的的优化化单击add，会会弹出一一个新的的窗口提提供有关关设置参参数的信信息，点点击OK。一个个新的Layout窗窗口将会会自动弹弹出。由于我们们是对偶偶极子天天线臂宽宽进行设设置，先先用Ctrl＋＋鼠标选选中天线线臂的四四个角。。如如下下图：天线参数的的优化选择Edit->Move->MoveRelatively.在在新弹出的的对话框中中填入如下下图表示相对位位移为Y轴轴正向移动动6mm，，点击Apply。。可以从Layout图中看出出Wd变为为了10mm单击SaveDesign。回到原Layout中单击OK，完成成参数的定定义，同时时，新产生生的Layout图图会自动关关闭。天线参数的的优化选择Momentum->Optimization->Goal,设设置优化的的目标，如如下图：点击Add，然后点击OK，结束对于优优化目标的的设置天线参数的的优化选择Momentu