Ads-设计矩形微带天线课件

实验

矩形微带天线的设计

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矩形微带天线的设计1（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（一）实验目的了解微带天线设计的基本流程2（二）设计要求用陶瓷基片（εr＝9.8），厚度h＝1.27mm，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h＝1.27mm，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。（二）设计要求用陶瓷基片（εr＝9.8），厚度h＝1.27m3（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（三）微带天线的技术指标辐射方向图4（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（四）设计的总体思路计算相关参数5（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）相关参数的计算需要进行计算的参数有6（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TransmissionLineCalculator软件计算得出（五）相关参数的计算（续）贴片宽度W、贴片长度L、馈电点的位7（五）相关参数的计算（续）（五）相关参数的计算（续）8（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（六）用ADS设计过程有了上述的计算结果，就可以用ADS进行9ADS软件的启动启动ADS进入如下界面ADS软件的启动启动ADS进入如下界面10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－>Preferences…－>LayoutUnits，如下图所示创建新的工程文件进入ADS后，创建一个新的工程，命名为rec11设定度量单位设定度量单位12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Momentum－>Substrate－>Create/Modify…，在SubstrateLayer标签里，保留FreeSpace和////GND////的设置不变，点击Alumina层，修改其设置为：介质层设置在ADS的Layout中进行设计，介质层和金属层的13介质层设置（续）介质层设置（续）14金属层设置点击MetallizationLayers标签，在LayoutLayer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SubstrateLayer栏中选择“------”后，点击“Strip”按钮，这将看到“------Stripcond”。一切完成后，点击OK。金属层设置点击MetallizationLayers标签，15金属层设置（续）金属层设置（续）16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vcond，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中制版准备工作做好以后，下面就可以进行Layo17在Layout中制版（续）在Layout中制版（续）18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“MeshFrequency”和“NumberofCellsperWavelength”设置得小一点仿真预设置在进行layout仿真之前，先要进行预设置。在菜单19仿真预设置（续）仿真预设置（续）20进行仿真点击Momentum->Simulation->S-parameter弹出仿真设置窗口，该窗口右侧的SweepType选择Linear，Start、Stop分别选为2.5GHz、3.5GHz，FrequencyStep选为0.05GHz。Update后，点击Simulation按钮。进行仿真点击Momentum->Simulation-21仿真结果仿真结果22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）＝5.15－j22.1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23总体的2D辐射方向图总体的2D辐射方向图24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）＝5.15－j22.1，这可以等效为一个电阻和电容的串连。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，25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原理匹配的原理是：串联一根50欧姆传输线，使得S11参数26匹配过程新建一个Schematic文件，绘出如下的电路图：

匹配过程新建一个Schematic文件，绘出如下的电路图：27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）其中TL1和TL2的L是待优化的参量，初值取128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）插入S参数优化器，一个Goal。其中Goal的29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）设置好OPTIM。30匹配过程（续）优化电路图为：匹配过程（续）优化电路图为：31匹配过程（续）点击仿真按钮，当CurrentEF＝0时，优化目标完成。把它update到原理图上（Simulate－>UpdateOpimizationValues）。Deactivate优化器。最终原理图如下：匹配过程（续）点击仿真按钮，当CurrentEF＝0时，优化32匹配过程（续）匹配过程（续）33原理图中的仿真点击仿真按钮，可以看到仿真结果为：原理图中的仿真点击仿真按钮，可以看到仿真结果为：34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f＝3GHz处，S(1,1)的幅值是5.539E-4，可见已经达到相当理想的匹配。原理图中的仿真（续）放置Marker可以得到更详细的数据35修改Layout参照Schematic计算出来的结果，修改Layout图形如下修改Layout参照Schematic计算出来的结果，修改L36两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50Ω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。两点说明由于这里是手工布板，而不是由Schematic自动生37仿真结果按照前述的步骤进行仿真，仿真结果是仿真结果按照前述的步骤进行仿真，仿真结果是38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。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39总体的2D辐射方向图总体的2D辐射方向图40天线增益和方向性系数天线增益和方向性系数41天线效率天线效率42（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）设计小结矩形微带天线设计是微带天线设计的基础，然而作为43（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会比较大的，在圆图中反映出来的匹配结果也不是很理想。这也许是由一些公式的近似导致的，但这也使电路匹配成为设计工作必不可少的一环。

在用Schematic进行天线的匹配时，以S11为目标利用仿真优化器来求所需传输线长度的方法

，是一种省时省力有效的方法。（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44

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矩形微带天线的设计46（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（一）实验目的了解微带天线设计的基本流程47（二）设计要求用陶瓷基片（εr＝9.8），厚度h＝1.27mm，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h＝1.27mm，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。（二）设计要求用陶瓷基片（εr＝9.8），厚度h＝1.27m48（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（三）微带天线的技术指标辐射方向图49（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（四）设计的总体思路计算相关参数50（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）相关参数的计算需要进行计算的参数有51（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TransmissionLineCalculator软件计算得出（五）相关参数的计算（续）贴片宽度W、贴片长度L、馈电点的位52（五）相关参数的计算（续）（五）相关参数的计算（续）53（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（六）用ADS设计过程有了上述的计算结果，就可以用ADS进行54ADS软件的启动启动ADS进入如下界面ADS软件的启动启动ADS进入如下界面55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－>Preferences…－>LayoutUnits，如下图所示创建新的工程文件进入ADS后，创建一个新的工程，命名为rec56设定度量单位设定度量单位57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Momentum－>Substrate－>Create/Modify…，在SubstrateLayer标签里，保留FreeSpace和////GND////的设置不变，点击Alumina层，修改其设置为：介质层设置在ADS的Layout中进行设计，介质层和金属层的58介质层设置（续）介质层设置（续）59金属层设置点击MetallizationLayers标签，在LayoutLayer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SubstrateLayer栏中选择“------”后，点击“Strip”按钮，这将看到“------Stripcond”。一切完成后，点击OK。金属层设置点击MetallizationLayers标签，60金属层设置（续）金属层设置（续）61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vcond，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中制版准备工作做好以后，下面就可以进行Layo62在Layout中制版（续）在Layout中制版（续）63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“MeshFrequency”和“NumberofCellsperWavelength”设置得小一点仿真预设置在进行layout仿真之前，先要进行预设置。在菜单64仿真预设置（续）仿真预设置（续）65进行仿真点击Momentum->Simulation->S-parameter弹出仿真设置窗口，该窗口右侧的SweepType选择Linear，Start、Stop分别选为2.5GHz、3.5GHz，FrequencyStep选为0.05GHz。Update后，点击Simulation按钮。进行仿真点击Momentum->Simulation-66仿真结果仿真结果67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）＝5.15－j22.1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68总体的2D辐射方向图总体的2D辐射方向图69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）＝5.15－j22.1，这可以等效为一个电阻和电容的串连。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，70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原理匹配的原理是：串联一根50欧姆传输线，使得S11参数71匹配过程新建一个Schematic文件，绘出如下的电路图：

匹配过程新建一个Schematic文件，绘出如下的电路图：72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）其中TL1和TL2的L是待优化的参量，初值取173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）插入S参数优化器，一个Goal。其中Goal的74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）设置好OPTIM。75匹配过程（续）优化电路图为：匹配过程（续）优化电路图为：76匹配过程（续）点击仿真按钮，当CurrentEF＝0时，优化目标完成。把它update到原理图上（Simulate－>UpdateOpimizationValues）。Deactivate优化器。最终原理图如下：匹配过程（续）点击仿真按钮，当CurrentEF＝0时，优化77匹配过程（续）匹配过程（续）78原理图中的仿真点击仿真按钮，可以看到仿真结果为：原理图中的仿真点击仿真按钮，可以看到仿真结果为：79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f＝3GHz处，S(1,1)的幅值是5.539E-4，可见已经达到相当理想的匹配。原理图中的仿真（续）放置Marker可以得到更详细的数据80修改Layout参照Schema