实验4印刷偶极子天线设计.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,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,熟悉,ADS Layout,的使用环境。,使用,ADS,软件设计一个1.8,GHz,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,(,Resonance Freq,uency,),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 g,2,=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,启动,ADS,进入如下界面,创建新的工程文件,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,Layer,设置,在,Conductivity,中填电导率，,Thickness,中填金属厚度。其中铜的电导率为5.78,E006，,厚度为0.018,mm。,在这些都设置结束以后点击,Apply,和,OK,就可以了。,端口定义,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,由于在前面的层定义中取消了,GND，,所以不能定义,Single Port（Not Available）,本例中采用第二种方案,端口定义,选中 加,Port。,第一个,ort,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,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,C,ells,Per W,avelength,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,C,ells,Per W,avelength,为30。,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,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,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。,参数仿真,仿真结果：,谐振频率是刚好位于1.800,GHz,的，反射波损耗为-28.161,dB,输入阻抗为,Z0*（0.933+j0.036）=46.65+j1.8,天线的带宽,对于,VSWR1.5,天线带宽为,13%(1.683,GHz1.917GHz),对于,VSWRPost Processing=Radiation Pattern，,在弹出的对话框中：,Select Frequency,中选择1.8,GHz，,因为这是谐振频率,。,在,Visualization Type,中选择3,D 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+,j1.8,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0,0,-90,0,-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0-360,0,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0-360,0,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=90,0,E E Theta E Phi,E,平面 水平截面,Theta=45,0,E E Theta E Phi,同样的方法可以得到水平截面下的二维,E,平面,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6,mm，,点击,Apply。,可以从,Layout,图中看出,Wd,变为了10,mm,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。,