用ADS设计微带天线

用用 ADS 设计微带天线设计微带天线 一 原理 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 二 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 四 体会 用 ads 制作天线能够达到高精度 它与 sonnet 的不同在于它可以进行阻抗匹配的计算 使得天线更能符合实际的要求 由于 ADS 仿真比较慢 因此在初步设计的时候最好先用 sonnet 进行仿真 然后利用 ADS 的匹配工具进行匹配 便能方便精确的设计出一个好的天线 从这个天线的设计中也可以发现 矩形贴片微带天线的带宽相对较小 这样就对下面 的滤波器的设计提出了更高的要求 陶瓷 9 8 w 26 4mm L 19 2mm 微带 L 13 8 7mm W 0 23mm 所出参数如下 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 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 Power m1 THETA 10 log10 real Directivity 5 653 Max 2 000 m2 THETA 10 log10 real Gain 5 003 Max 2 00