实验一：微带天线的设计与仿真

实验一 微带天线的设计与仿真实验一 微带天线的设计与仿真 1 实验步骤 仿真结果分析及优化 1 原理分析 本微带天线采用矩形微带贴片来进行设计 假设要设计一个在 2 5GHz 附近工作的微带天线 我采用的介质基片 r 9 8 h 1 27mm 理由是它的介电系数和厚度适中 在 2 5GHz 附近能达到较高的天线 效率 并且带宽相对较高 由公式 25 82mm 2 1 2 1 2 r r f c W 贴片宽度经计算为 25 82mm 8 889 2 1 12 1 2 1 2 1 w h rr e l 0 543mm 8 0 258 0 264 0 3 0 412 0 hw hw h l e e 可以得到矩形贴片长度为 18 08mml f c L er 2 2 馈电点距上边角的距离 z 计算如下 2 cos 2 cos 2 50 1 0 2 2 zR z G zY e r in 条件下 2 2 0 90 W Rr 0 W 得到 z 8 5966mm 利用 ADS 自带的计算传输线的软件 LineCalc 来计算传输线的宽度 设置如下 计算结果 在这类介质板上 2 5GHz 时候 50 传输线的宽度为 1 212mm 2 计算 基于 ADS 系统的一个比较大的弱点 计算仿真速度慢 特别是在 layout 下的速度令人 无法承受 所以先在 sonnet 下来进行初步快速仿真 判断计算值是否能符合事实 sonnet 中的仿真电路图如下 S11 图象如下 可见 按照公式计算出来的数据大致符合事实上模拟出来的结果 但是发现中心频率 发生了偏移 这主要是由于公式中很多的近似引起的 主要的近似是下面公式引起 条件下 2 2 0 90 W Rr 0 W 因为计算的时候没有符合的条件 W 25 82mm 而 0 120mm 相对之下 0 W 它们间的差距不是非常大 因此会引起和事实的不符 由于较为符合设想的结果 下面是本人利用 ADS 软件来进行天线的计算 首先 打开一个 layout 文件 设定其单位如下 然后打开 Momentum Substrate Create Modify 参数设置如下 再设置 Metallization Layers 上参数如下 原始图画如下 各个参数定义如图 经过仿真 得到如下图象 得到了和 sonnet 仿真类似的图象 此时在 2 5GHz 下 S11 Z0 3 118 j4 771 然后进行远区场的模拟 在 2 5GHz 时候 主要的功率增益 方向性系数和效率图如下 在 0 度的时候 天线增益为 4 142dB 方向性为 5 702dB 由于天线中心不是在 2 5GHz 下 并且反射系数最小值也有 2 807dB 所以要进行匹配 三 匹配 打开一个 Schematic 文件 将天线输入阻抗等效为一个纯电阻与一个电感串联后接地 在 2 5GHz 条件下 采用 L 型网络匹配方式 具体为串联一根 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 具体电路匹配如图所示 此时匹配后的输出 S11 为 0 027 如下所示 此时已经差不多实现了匹配 接下来将它画入电路板中 如图 实现了最终的电路图 其中在电路的左端加一端 50 欧姆阻抗线 为了方便输入 它的长度任定 这里取 1 2mm 用计算机模拟 得到输出 S11 图象如下 可见此时天线已经实现了匹配 天线的中心在 2 5GHz 它的大小为 0 1 带宽大致为 60MHz 左右 相对带宽为 2 4 再次看天线的远处辐射场 如图 作为与前面的增益相对照 发现大致和匹配前相似 有略微减小是因为导线对电磁波 的损耗引起的 Optim Optim1 SaveCurrentEF no UseAllGoals yes UseAllOptVars yes SaveAllIterations no SaveNominal no UpdateDataset yes SaveOptimVars no SaveGoals yes SaveSolns yes Seed SetBestValues yes NormalizeGoals no FinalAnalysis None StatusLevel 4 DesiredError 0 0 MaxIters 300 OptimType Random OPTIM MLOC TL2 L 8 66429 mm o W 0 23 mm Subst MSub1 MLIN TL1 L 10 932 mm o W 0 23 mm Subst MSub1 Goal OptimGoal1 RangeMax 1 2 45GHz RangeMin 1 2 45GHz RangeVar 1 freq Weight Max 50 Min SimInstanceName SP1 Expr dB S 1 1 GOAL MSUB MSub1 Rough 0 mm TanD 0 T 0 018 mm Hu 3 9e 034 Cond 1 0E 50 Mur 1 Er 9 8 H 1 27 mm MSubS Param SP1 Step 0 05 GHz Stop 2 9 GHz Start 2 0 GHz S PARAMETERS C C1 C 0 5 pF R R1 R 82 Ohm Term Term1 Z 50 Ohm Num 1 2 12 22 32 42 52 62 72 82 02 9 50 40 30 20 10 60 0 freq GHz dB S 1 1 Readout m1 m1 freq dB S 1 1 50 408 Min 2 450GHz 2 22 42 62 82 03 0 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 55 0 freq GHz dB S 1 1 Readout m2 m2 freq dB S 1 1 50 408 Min 2 450GHz Linear Polarization 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 100 50 40 30 20 10 60 0 THETA Mag dB E coE cross 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 100 135 90 45 0 45 90 135 180 180 THETA Phase deg 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 100 10 20 30 40 0 50 THETA Mag dB Axial Ratio 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 100 135 90 45 0 45 90 135 180 180 THETA Phase deg Circular Polarization 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 100 50 40 30 20 10 60 0 THETA Mag dB E leftE right 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 100 135 90 45 0 45 90 135 180 180 THETA Phase deg 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 100 40 45 35 50 THETA Mag dB Axial Ratio 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 100 135 90 45 0 45 90 135 180 180 THETA Phase deg Absolute Fields 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 100 1E 1 1E 2 1 THETA Mag V EthetaEphi 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 100 135 90 45 0 45 90 135 180 180 THETA Phase deg 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 100 1E 4 1E 3 1E 5 3E 3 THETA Mag A HthetaHphi 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 100 135 90 45 0 45 90 135 180 180 THETA Phase deg Powerm1 THETA 10 log10 real Directivity 5 653 Max 2 000 m2 THETA 10 log10 real Gain 5 003 Max 2 000 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 100 40 30 20 10 0 50 10 THETA Mag dB Readout m2 Readout m1 m1 THETA 10 log10 real Directivity 5 653 Max 2 000 m2 THETA 10 log10 real Gain 5 003 Max 2 000 GainDirectivity Efficiency 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 100 1E 7 1E 6 1E 5 1E 4 1E 8 4E 4 THETA Mag m2 Effective Area 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 100 1E 6 1E 5 1E 4 1E 3 1E 7 2E 3 THETA Mag W sterad Radiated Power 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 100 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 100 THETA Percentage 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 100 40 30 20 10 0 50 10 THETA Mag dB Readout m2 Readout m1 m1 THETA 10 log10 real Directivity 5 653 Max 2 000 m2 THETA 10 log10 real Gain 5 003 Max 2 000 Linear Polarization m3 THETA dB Eco 0 001 Max 2 000 m4 THETA dB Ecross 33 871 Max 1 000 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 100 50 40 30 20 10 60 0 THETA Mag dB Readout m3 Readout m4 m3 THETA dB Eco 0 001 Max 2 000 m4 THETA dB Ecross 33 871 Max 1 000 E coE cross 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 100 135 90 45 0 45 90 135 180 180 THETA Phase deg 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 100 10 20 30 40 0 50 THETA Mag dB Axial Ratio 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 100 135 90 45 0 45 90 135 180 180 THETA Phase deg Absolute Fields m5 THETA mag Etheta 0 922 Max 2 000 m6 THETA mag Ephi 0 019 Max 1 000 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 100 1E 1 1E 2 1 THETA Mag V Readout m5 Readout m6 m5 THETA mag Etheta 0 922 Max 2 000 m6 THETA mag Ephi 0 019 Max 1 000 EthetaEphi 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 100 135 90 45 0 45 90 135 180 180 THETA Phase deg 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 100 1E 4 1E 3 1E 5 3E 3 THETA Mag A HthetaHphi 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 100 135 90 45 0 45 90 135 180 180 THETA Phase deg Power m1 THETA 10 log10 real Directivity 5 653 Max 2 000 m2 THETA 10 log10 real Gain 5 003 Max 2 000 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 100 40 30 20 10 0 50 10 THETA Mag dB Readout m2 Readout m1 m1 THETA 10 log10 real Directivity 5 653 Max 2 000 m2 THETA 10 log10 real Gain 5 003 Max 2 000 GainDirectivity 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 100 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 100 THETA Percentage Efficiency 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 100 1E 7 1E 6 1E 5 1E 4 1E 8 4E 4 THETA Mag m2 Effective Area Radiated Power 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 100 1E 6 1E 5 1E 4 1E 3 1E 7 2E 3 THETA Mag W sterad Circular Polarization 80 60 40 20 0 20 40 60 80