射频微波天线及ADS仿真

第12章射频 微波天线 12 1天线基础知识12 2常见的天线结构 12 3单极天线和对称阵子天线 12 4喇叭天线12 5抛物面天线 12 6微带天线 12 1天线基础知识 12 1 1天线基本指标 天线的基本指标介绍如下 1 天线增益G定义为 12 1a 式中 Pr为被测天线距离R处所接收到的功率密度 单位为W m2 Pi为全向性天线距离R处所接收到的功率密度 单位为W m2 增益为G的天线距离R处的功率密度应为接收功率密度 即 2 天线输入阻抗Zin定义为式中 U为在馈入点上的射频电压 I为在馈入点上的射频电流 12 1b 12 2a 天线是个单口网络 输入驻波比或反射系数是一个基本指标 为了使天线辐射尽可能多的功率 必须使天线与空气匹配 输入驻波比尽可能小 阻抗 驻波比与反射系数的关系为 12 2b 3 辐射效率 r定义为 12 3 式中 Pr为天线辐射出的功率 单位为W Pi为馈入天线的功率 单位为W 4 辐射方向图 用一极坐标图来表示天线的辐射场强度与辐射功率的分布 如图12 1所示 5 半功率角的定义如图12 2所示 图12 1辐射方向图 图12 2半功率波束宽度 a 按电场定义 b 按功率定义 6 旁瓣 在主辐射波瓣旁 还有许多副瓣 沿角度方向展开如图12 3所示 其中 HPBW 为半功率波束宽度 辐射最大功率下降3dB时的角度 FNBW为第一零点波束宽度 SLL为旁瓣高度 辐射最大功率与最大旁瓣的差 图12 3主瓣与旁瓣 7 方向系数D定义为 12 4 式中 Pmax为最大功率密度 单位为W m2 Pav 为平均辐射功率密度 单位为W m2 常见的天线方向系数如下 偶极天线D 1 5或1 76dB 单极天线D 1 5或1 76dB 抛物面天线 喇叭天线 式中 d为抛物面半径 为信号波长 A为喇叭口面面积 12 1 2远区场概念 通常 天线看作是辐射点源 近区是球面波 远区为平面波 如图12 4所示 辐射方向图是在远区测量 下面给出远 近场的分界点 图12 4远区场概念 在图12 4中 有以下几何关系 通常 R l时 有如果 相位误差为22 5 远区场为 12 5 12 6b 12 6a 如果 相位误差为11 25 远区场为 12 6c 12 1 3天线的分析 一般地 天线的分析是解球坐标内的Helmholtz方程 得到矢量位函数 如图12 5所示 天线体积为V 电流为J 在观测点的矢量位函数为 12 7 为自由空间的格林函数 矢量位函数为天线上的电流与观测点格林函数乘积在天线体积上的积分 有了A r 即可得到H r 然后再求出E r 实际天线工程中 由于天线电流的分布很难确定 由积分计算矢量位函数也十分困难 常用的数值解法过程也很麻烦 图12 5求解矢量位函数 12 2常见的天线结构 在射频 微波应用上 天线的类型与结构有许多种类 就波长特性分 有八分之一波长 四分之一波长 半波天线 就结构分 有单极子型 对称振子型 喇叭型 抛物面型 角型 螺旋型 介质平板型及阵列型天线等 如图12 6所示 就使用频宽分 有窄频带型 10 以下 和宽频带型 10 以上 表12 1归纳了天线类型 图12 7给出了三种天线的增益比较 图12 6常见天线 图12 7三种常用天线增益比较 表12 1天线分类 12 3单极天线和对称阵子天线 单极天线和对称阵子是全向天线 广泛应用于广播 移动通信和专用无线系统中 对称阵子是基本天线 单极天线是对称阵子的简化形式 长度是对称阵子的一半 与地面的镜像可以等效为对称阵子 如图12 8所示 对称阵子长度小于一个波长 辐射方向图是个油饼形或南瓜形 在 90 时电场辐射最强 0 时没有辐射 磁场辐射是个圆环 沿方向相同 单极天线是个全向天线 可以接收任何方向的磁场信号 增益为1 图12 8单极天线和对称阵子及其方向图 一般地 对称阵子天线的长度等于半波长 单极天线的长度等于四分之一波长 阻抗为73 增益为1 64 2 15dB 如果天线长度远小于波长 称为短阵子 输入阻抗非常小 难于实现匹配 辐射效率低 短阵子的增益近似为1 5 1 7dB 实际中把单极阵子称作鞭状天线 长度为四分之一波长 与同轴线内导体相连 接地板与外导体相接 接地板通常是车顶或机箱 如图12 9所示 辐射方向图是对称阵子方向图的一半 上半部分 阻抗也是对称阵子的一半 37 图12 9单极天线的馈电 对称阵子和单极天线有许多变形 折合阵子是两个对称阵子的对接 如图12 10所示 折合后的长度为半波长 阻抗为4 73 300 折合阵子可以看成对称模和非对称模的叠加 图12 10折合阵子天线 单极天线的另一种变形是倒L型和倒F型天线 如图12 11所示 四分之一波长的变形天线尺寸降低 便于安装 图12 11 c 是一种宽带变形 用金属板代替了导线 单极天线的另一种变形是倒L型和倒F型天线 如图12 11所示 四分之一波长的变形天线尺寸降低 便于安装 图12 11 c 是一种宽带变形 用金属板代替了导线 图12 11倒L型和倒F型天线 12 4喇叭天线 喇叭天线是波导与空气的过渡段 有圆喇叭和方喇叭两种 分别与圆波导和方波导相连接 喇叭天线可以单独用于微波系统 也可作为面天线的馈源 喇叭天线增益可以严格计算 通常使用喇叭天线做测量标准 对于图12 12所示矩形波导喇叭 获得最佳增益的天线尺寸和增益为 12 8 12 9 图12 12矩形喇叭及其方向图 对于图12 13所示圆锥喇叭 获得最佳增益的天线尺寸和增益为如 a b 22 86mm 10 16mm A B 22 86cm 10 16cm的10GHz矩形喇叭 增益为22dB 12 10 12 11 图12 13圆锥喇叭 12 5抛物面天线 抛物面天线是一种高增益天线 是卫星或无线接力通信等点对点系统中使用最多的反射面天线 如图12 14所示 金属抛物面反射器将焦点上的馈源发射的球面波变成平面波发射出去 如果照度效率为100 则有效面积等于实际面积 即 12 12 图12 14抛物面天线 实际中 由于溢出 阻塞和损耗 照度效率只有55 75 取最坏情况55 半功率波束宽度为 增益为 12 13 12 14 12 15 若有抛物面口径为1m 工作频率为10GHz 照度效率为55 的抛物面天线 可以计算出增益为37dB HPBW为2 3 在55m处形成远场 平面波 抛物面的增益很高 波束很窄 抛物面的对焦非常重要 喇叭馈源与同轴电缆连接 抛物面天线通常有四种馈源方式 如图12 15所示 图12 15抛物面天线的四种馈源方式 a 前馈 b 卡赛格伦 c 格利高里 d 偏馈 前馈最简单 照度效率为55 60 馈源及其支架会产生遮挡 增加旁瓣和交叉极化 卡赛格伦的优点是馈源靠近接收机前端 连接线短 格利高里与卡赛格伦相似 只是用了椭圆副反射面 效率为76 偏馈的方法避免了馈源或副反射面的遮挡 旁瓣类似 同样增益下尺寸较小 在微波低端或射频波段 抛物面的尺寸太大 可以用部分抛物面 这种天线常用在船上 为了减轻重量 承受风压 抛物面可以做成网状的 12 6微带天线 微带天线的优缺点及应用同常规的微波天线相比 微带天线具有一些优点 因而 在大约从100MH到50GHz的宽频带上获得了大量的应用 与通常的微波天线相比 微带天线的一些主要优点是 重量轻 体积小 剖面薄的平面结构 可以做成共形天线 制造成本低 易于大量生产 可以做得很薄 因此 不扰动装载的宇宙飞船的空气动力学性能 无需作大的变动 天线就能很容易地装在导弹 火箭和卫星上 天线的散射截面较小 稍稍改变馈电位置就可以获得线极化和圆极化 左旋和右旋 比较容易制成双频率工作的天线 不需要背腔 微带天线适合于组合式设计 固体器件 如振荡器 放大器 可变衰减器 开关 调制器 混频器 移相器等可以直接加到天线基片上 馈线和匹配网络可以和天线结构同时制作 但是 与通常的微波天线相比 微带天线也有一些缺点 频带窄 有损耗 因而增益较低 大多数微带天线只向半空间辐射 最大增益实际上受限制 约为20dB 馈线与辐射元之间的隔离差 端射性能差 可能存在表面波 功率容量较低 但是有一些办法可以减小某些缺点 例如 只要在设计和制造过程中特别注意就可抑制或消除表面波 微带天线的应用在许多实际设计中 微带天线的优点远远超过它的缺点 在一些显要的系统中已经应用微带天线的有 移动通信 卫星通讯 多普勒及其它雷达 无线电测高计 指挥和控制系统 导弹遥测 武器信管 便携装置 环境检测仪表和遥感 复杂天线中的馈电单元 卫星导航接收机 生物医学辐射器 这些绝没有列全 随着对微带天线应用可能性认识的提高 微带天线的应用场合将继续增多 常用的微带天线是矩形或圆形 矩形贴片天线如图12 16所示 图12 16矩形贴片天线 12 6 1微带天线基本知识和矩形微带天线 常用的微带天线的分析设计方法有传输模法和谐振模法 传输模法的思路是把矩形块等效为辐射阻抗加载的一段很宽的微带线 由于设计公式近似且有实验调整 这种方法是不准确的 谐振模法是把微带天线看成是具有磁壁的封闭腔体 这种方法精度好 但计算成本太高 工程上 微带天线用传输模式近似设计 很宽的微带线沿横向是谐振的 在贴片下面电场沿谐振长度正弦变化 假定电场沿宽带W方向不变化 并且天线的辐射是宽边的边沿 辐射边沿可以看作用微带传输线连接起来的辐射槽 如图12 17所示 单个辐射槽的辐射电导为单个辐射槽的辐射电纳为 W 0 W 0 12 16 12 17 式中k0 2 0是自由空间的波数 Z0是宽度W的微带特性阻抗 e是有效介电常数 L是边沿电容引起的边沿延伸 由图12 17可看出 边沿电场盖住了微带边沿 等效为贴片的电长度增加 12 18 图12 17边沿辐射槽 为了计算天线的辐射阻抗 天线可以等效为槽阻抗和传输线级联 输入导纳为式中Ys为式 12 17 给出的辐射槽导纳 2 e 0微带线内传播常数 谐振时 L L g 2 0 2 e 式 12 19 仅剩两个电导 即Yin 2G 12 20 12 19 微带天线的工作频率与结构参数的关系为W不是很关键 通常按照下式确定 12 21 12 22 图12 18矩形天线实例 设计实例 设计3 GHz 微带天线 基板参数为2 2 0 762 并用四分之一线段实现与50 馈线的匹配 天线拓扑如图12 18所示 步骤一 确定各项参数 W 3 95cm e 2 14 L 0 04cm L 3 34cm Rin 288 步骤二 阻抗变换器的特性阻抗为 ZT0 120 步骤三 由微带原理计算得变换器的长度和宽度为 l1 1 9cm w1 0 0442cm 微带天线的辐射方向图可以用电磁场理论严格计算 图12 19是典型的方向图 典型 HPBW 50 60 G 5 8dB 图12 19微带天线的典型方向图 在许多场合下要利用合适的馈线点实现微带天线的圆极化 如图12 20所示 90 耦合器激励两个方向的线极化构成圆极化 或者扰动微带天线的辐射场实现圆极化 图12 20圆极化微带天线 12 6 2微带天线的其他形式 导体贴片一般是规则形状的面积单元 如矩形 圆形或圆环形薄片等 也可以是窄长条形的薄片振子 对称阵子 由这两种单元形成的微带天线分别称为微带贴片天线和微带振子天线 如图12 21 a b 所示 微带天线的另一种形式是利用微带线的某种形变 如弯曲 直角弯头等 来形成辐射 称为微带线型天线 如图12 21 c 所示 因为这种天线沿线传输行波 故又称为微带行波天线 微带天线的第四种形式是利用开在接地板上的缝隙 由介质基片另一侧的微带线或其他馈线 如稽线 对其馈电 称之为微带缝隙天线 如图12 21 d 所示 由各种微带辐射单元可构成多种多样的阵列天线 如微带贴片阵天线 微带振子阵天线 等等 图12 21微带天线的四种形式 图12 22为两种馈电形式的矩形微带天线示意图 图 a 是背馈 同轴线的外导体与接地板连接 内导体穿过介质与贴片天线焊接 图 b 为侧馈 通过阻抗变换与微带线连接 图12 22微带天线的两种馈电方式 微带天线馈电 大多数微带天线只在介质基片的一面上有辐射单元 因此 可以用微带天线或同轴线馈电 因为天线输入阻抗不等于通常的50 传输线阻抗 所以需要匹配 匹配可由适当选择馈电的位置来做到 但是 馈电的位置也影响辐射特性 图3 7微带线馈电的天线 图3 9同轴馈电的微带天线 微带馈电 中心微带馈电和偏心微带馈电 馈电点的位置也决定激励那种模式 当天线元的尺寸确定以后 可按下法进行匹配 先将中心馈电天线的贴片同50 的馈线一起光刻 测量输入阻抗并设计出匹配变阻器 再在天线元与馈线之间接入该匹配变阻器 重新做成天线 另外 如果天线的几何图形只维持主模 则微带馈线可偏向一边以得到良好的匹配 特定的天线模可用许多方法激励 如果场沿矩形贴片的宽度变化 则当馈线沿宽度移动时 输入阻抗随之而变 从而提供了一种阻抗匹配的简单办法 馈电位置的改变 使得馈线和天线之间的耦合改变 因而使谐振频率产生一个小的漂移 而辐射方向图仍然保持不变 不过 稍加改变贴片尺寸或者天线尺寸 可补偿谐振频率的漂移 同轴线馈电 各种同轴激励示于图3 在所有的情况中 同轴插座安装在印制电路板的背面 而同轴线内导体接在天线导体上 对指定的模 同轴插座的位置可由经验去找 以便产生最好的匹配 使用N型同轴插座的典型微带天线示于图3 中 图3 9同轴馈电的微带天线 同轴馈电模拟 根据惠更斯原理 同轴馈电可以用一个由底面流向顶面的电流圆柱带来模拟 这个电流在地板上被环状磁流带圈起来 同轴线在地板上的开口则用电壁闭合 如果忽略磁流的贡献 并假定电流在圆柱上是均匀的 则可进一步简化 简化到最理想的情况是 取出电流圆柱 用一电流带代替 类似微带馈电的情况 该带可认为是圆柱的中心轴 沿宽度方向铺开并具有等效宽度的均匀电流带 对于给定的馈电点和场模式 等效宽度可以根据计算与测量所得的阻抗轨迹一致性经验地确定 一旦这个参数确定了 它就可以用在除馈电点在贴片边缘上以外的任何馈电位置和任何频率 当馈电点在贴片边缘上时 可以认为 在贴片边缘上的边缘场使等效馈电宽度不同于它在天线内部时的值 在矩形天线中 等效宽度为同轴馈线内径的五倍时 可给出良好的结果 图3 10同轴线馈电的微带天线 矩形微带天线作为独立天线应用时采用背馈方式 而作为单板微带天线的阵元时必须采用侧馈方式 在制作侧馈的矩形微带天线时 可按下述方法实现匹配 将中心馈电天线的贴片同50 馈线一起光刻制作 实测其输入阻抗并设计出匹配器 然后在天线辐射元与微带馈线间接入该变换器 任何形式的平面几何结构都可以用作微带天线 图12 23是部分微带天线形式 图12 23微带天线的其他结构 a 常用形式 b 可能结构 微带行波天线 微带行波天线 MTA 是由基片 在基片一面上的链形周期结构或普通的长TEM波传输线 也维持一个TE模 和基片另一面上的地板组成 TEM波传输线的末端接匹配负载 当天线上维持行波时 可从天线结构设计上使主波束位于从边射到端射的任意方向 图3 5微带行波天线 微带缝隙天线 微带缝隙天线由微带馈线和开在地板上的缝隙组成 缝隙可以是矩形 宽的或窄的 圆形或环形 窄缝圆环缝宽缝圆贴片缝图3 6微带缝隙天线 12 6 3圆盘微带天线的设计实例圆盘形微带天线是另一种基本形式 参数包括圆盘半径 馈电位置 输入阻抗 天线Q值 辐射效率 总效率 输入VSWR及频带 辐射方向图 计算过程复杂 已有图表和软件可使用 下面给出圆盘半径计算公式 并以900MHz天线为例 圆盘半径为 12 23 式中设计实例 设计900MHz圆盘微带天线 介质参数为4 5 1 6 1 确定参数 天线的拓扑结构为 设计频率f0 0 9GHz 最大输入驻波比VSWR 2 0 1 基板参数为高度h 0 16cm 介电常数 r 4 5 损耗正切tan 0 015 导体铜的 1 0 2 利用公式求出圆盘圆形天线的半径 接头馈入位置 频率与输入阻抗的关系 半径 4 580cm 馈电点 1 800cm 频率与阻抗对应关系如表12 1所示 表12 1频率与阻抗对应关系 频带内阻抗在圆图上的位置如图12 24 a 所示 3 利用公式求出天线的总 Q 值 辐射效率 总效率 天线频带宽度 计算结果 输入阻抗50 90ohms 矩形片总Q 47 639 辐射效率 95 97 总效率 21 10 相对带宽 1 48 阻波比2 00 1VSWR 4 利用公式求得天线的辐射方向图 如图12 24 b c 所示 5 圆盘天线的实际结构如图12 24 d 所示 图12 24圆盘形微带天线结构图 12 7矩形微带天线的设计 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 二 设计要求 用陶瓷基片 r 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 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 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 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 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 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 ADS软件的启动 启动ADS进入如下界面 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 设定度量单位 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 续 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 续 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 续 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 续 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 仿真结果 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 总体的2D辐射方向图 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 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 匹配过程 新建一个Schematic文件 绘出如下的电路图 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 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 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 优化电路图为 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 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 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 修改Layout 参照Schematic计算出来的结果 修改Layout图形如下 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50 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 仿真结果 按照前述的步骤进行仿真 仿真结果是 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 总体的2D辐射方向图 天线增益和方向性系数 天线效率 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 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 Thankyou fugw2003 6 12 7天线阵和相控阵 单个天线的波束宽度与增益的矛盾限制了它的使