基于ADS的微带天线的设计与仿真

基于 ADS 的微带天线的设计与仿真 The design and simulation of PIFA based on ADS 王伟堃（Wang Weikun）06250109 计算机与通信学院计算机与通信学院 本科生毕业设计说明书 基于基于 ADS 的微带天线的设计与仿真的微带天线的设计与仿真 作 者：王伟堃 学 号：06250109 专 业：通信工程 班 级：06 级通信工程（1）班 指导教师：侯 亮 答辩时间：2010 年 6 月 15 日 前前 言言 平面倒F天线(PIFA,Planar Inverted F Antenna)主要应用在手机终端中，由于其体积小、 重量轻、成本低、性能好，符合当前无线终端对天线的要求，因而得到广泛的应用，进行了 许多研究工作。 先进设计系统(Advanced Design System)，简称 ADS，是安捷伦科技有限公司(Agilent)为 适应竞争形势，为了高效的进行产品研发生产，而设计开发的一款 EDA 软件。软件迅速成为 工业设计领域 EDA 软件的佼佼者，因其强大的功能、丰富的模板支持和高效准确的仿真能力 （尤其在射频微波领域），而得到了广大 IC 设计工作者的支持。ADS 可以模拟整个信号通 路，完成从电路到系统的各级仿真。它把广泛的经过验证的射频、混合信号和电磁设计工具 集成到一个灵活的环境中，包括从原理图到 PCB 板图的各级仿真，当任何一级仿真结果不 理想时，都可以回到原理图中重新进行优化，并进行再次仿真，直到仿真结果满意为止，保 证了实际电路与仿真电路的一致性。 本设计通过 ADS 软件对微带天线进行设计，设计了平面倒 F 天线，即 PIFA 天线的设计 以及利用 Hilbert 分型结构对天线小型化设计。论文主要包括：PIFA 天线的介绍，ADS 软件 的使用，PIFA 天线的设计以及仿真，优化及结果分析等内容。论文结构安排如下：第一章 绪论；第二章 FIFA 天线原理及介绍；第三章 ADS 软件的使用；第四章 PIFA 天线的设计；第 五章仿真优化及结果分析。 第一章介绍了本设计要解决的问题，提出了用 ADS 软件设计 PIFA 天线。第二章详细介 绍了 PIFA 天线的工作原理和 Hilbert 分型结构的原理。第三章介绍本次设计主要用到的 ADS 相关的功能。第四章详细的介绍了设计的全过程。第五章就仿真结果及进一步优化做了 详尽的分析。 由于水平有限，设计难免存在漏洞和缺陷，欢迎批评指正。 摘摘 要要 平面倒F天线(PIFA,Planar Inverted F Antenna)是一种常用的平面天线，平面倒F天线具有 体积小，重量轻，低剖面，结构简单，易于加工制作等优点，因此被广泛应用于移动电话等 移动通信终端设备上。 本设计通过ADS软件对PIFA天线进行仿真设计，尝试了一种PIFA天线设计方法。在文中 给出了清晰地设计的步骤，阐述了设计中微带天线参数的计算方法，结合设计方法给出了一 个中心频率为2.4GHz，工作带宽不小于120MHz，增益大于1.5dB，输入阻抗接近50, 方向 图接近全向或半全向，具有水平和垂直极化特性的微带天线的设计及利用Hilbert分型结构 小型化天线 的设计。仿真结果的分析验证了此方法的正确性和可行性。该方法利用ADS仿真 软件进行微带天线的设计，可减少工作量，提高设计的准确性，降低设计成本，因而可使设 计工作简单化，能够达到事半功倍的效果。 关键词关键词：微带；PIFA；Hilbert；ADS Abstract Planar inverted F antenna (PIFA, Planar Inverted F Antenna) is a common planar antenna. Planar inverted F antenna has the feature of small-volumed, lightweight, low-profile,and simple structure and it is easy to manufacture, etc. Therefore, it is widely used in mobile phones and other mobile communication terminal devices. The simulation design pattern to the PIFA antenna is a new way that used by the ADS software. The text shows a clear step of the design, and elaborate the caculating method to the microstrip antenna. Combined with the design method, the microstrip antenna, its center frequency is 2.4GHz, and working bandwidth is no less than 120MHz,and the gain is larger than 1.5dB, input impedance close to 50. The design uses Hilbert typing small- structure antennas. Direction pattern is close to full or half-full, which also have horizontal and vertical polarization. The analysis of simulation results shows its correctness and feasibility. The method will be able to advance in reducing the workload, improving design accuracy, reducing design costs, so it can simplify the design work, and achieve a betterr effect. Keywords：microstrip； PIFA；Hilbert；Advanced Design System 目目 录录 第 1 章 绪 论.1 第 2 章 平面倒 F 天线原理.2 2.1 微带天线简介.2 2.1.1 微带天的结构 .2 2.1.2 微带天线的分类.3 2.1.3 微带天线的馈电方法 .3 2.1.4 徽带天线的优缺点 .3 2.1.5 微带天线的应用 .4 2.2 分形理论简介.4 2.2.1 分形的定义 .4 2.2.2 分形维数 .5 2.3 倒 F 原理及结构分析.8 2.4Hilbert 分形结构分析.9 第 3 章 ADS 软件的使用.12 3.1 ADS 软件简介.12 3.2 ADS 的使用.13 3.2.1 微带线计算器 LineCalc.13 3.2.2 版图仿真工具 Momentum.13 第 4 章 设计说明.15 4.1 天线结构设计与分析.15 4.2 相关参数的计算.15 4.3 天线设计.16 4.3.1 绘制版图 .16 4.3.2 层定义 .20 4.3.3 端口的定义 .21 4.3.4 参数仿真Mesh 设置 .22 第 5 章 仿真结果及分析.24 第 6 章设计总结.28 参考文献.29 英文原文.30 中文翻译.49 致 谢.62 图目录图目录 图 2.1 微带天线的基本结构.2 图 2.2 典型倒 L 和倒 F 形天线结构.9 图 2.3IFS 生成 Hilbert 分形曲线的过程.10 图 2.4Hilbert 分形迭代结构.11 图 3.1 微带线计算器 LineCalc .13 图 4.1 基于 Hilbert 分形结构的倒 F 天线结构.15 图 4.2ADS 启动界面.16 图 4.3 创建工程对话框.17 图 4.4 ADS 主窗口.17 图 4.5 新建版图设计 .17 图 4.6 Layout Unit 窗口.18 图 4.7 选择层窗口.18 图 4.8 天线尺寸测量 .19 图 4.9 倒 F 天线在 Layout 中的全貌 1.19 图 4.10 倒 F 天线在 Layout 中的全貌 2.19 图 4.9 Substrate Layers 中层的参数设置.20 图 4.10 Metallization Layer 中层的参数设置.21 图 4.11 端口的设置.22 图 4.12 Mesh 的设置 .23 图 4.13 仿真进程状态显示窗口.23 图 5.1 经过 Simulation 的仿真图.24 图 5.2 天线的增益.24 图 5.3 0 度表面电流分布图.25 图 5.4 90 度表面电流分布图.25 图 5.5 180 度表面电流分布图.26 图 5.6 270 度表面电流分布图.26 图 5.7 E 面辐射方向图.26 图 5.8 E Theta 面辐射方向图.27 图 5.9 E Phi 面辐射方向图.27 第第 1 章章 绪绪 论论 现代无线通信的飞速发展对无线通信设备的设计提出了越来越高的要求。平面倒F天线 (PIFA)具有尺寸小，重量轻且后向辐射小等优点而成为目前内置天线的主要形式。不断缩小 的空间对天线性能提高提出了一个巨大挑战，尤其对带宽的要求仍然很高，目前PIFA提高带 宽的方法有很多，诸如增加寄生贴片，开矩形凹槽，改变馈点的结构，加多层贴片或多个支 路等，其中改变馈点结构是最直接有效的方法，但是此种方法在实际设计中不易实现，本文 利用Hilbert分型结构来小型化平面倒F贴片天线，分形结构的天线具有良好的尺寸缩减特性， 可以在有限的空间内大幅度提高天线的效率。利用一维的Hilbert分形结构在天线在尺寸的缩 减的同时，具有较高的天线效率。 现有已使用的RFID标签天线，大多数设计成单极鞭形天线，其结构简单，但所占用空间 较大。现代无线通信领域常采用的天线是倒F型单极天线，它结构紧凑，带宽适中，不容易 损坏，而且功耗更低。同时，分形结构的特性之一就是具有空间填充性能，即分形能够在很 小的体积内充分地利用空间。而采用分形结构设计的天线，可以大大减小天线的尺寸，提高 系统的稳定性。下文将设计一个中心频率为2.4GHz，工作带宽不小于120MHz，增益大于 1.5dB，输入阻抗接近50, 方向图接近全向或半全向，具有水平和垂直极化特性的平面倒F 天线。 第第 2 章章 平面倒平面倒 F 天线原理天线原理 2.1 微带天线简介 微带天线最初提出于20世纪50年代，发展于70年代，成熟于80年代，特别是在航天设备 和便携式通信系统中。与其他类型的天线相比，微带天线具有重量轻，剖面小，结构紧凑， 外观优美等众多优点，而且能够做成共形天线，便于制造和集成，成为了天线领域的一个研 究热点。 天线理论分析的基本问题就是求解天线在周围空间辐射的电磁场，求得电磁场数据后， 进而计算出方向图，增益以及输入阻抗等特性参数。迄今为止已经提出了众多方法对微带天 线进行理论分析，常见的方法有传输线模型理论，空腔模型理论等，这些分析方法相对比较 简单，缺点是精度不够。相对比较严格的计算方法也比较复杂的是积分方程法，即全波理论， 而对于复杂的微带天线结构一般都是利用数值分析的方法。 2.1.1 微带天的结构 微带天线的基本结构如图21所示。其结构一般包括三部分：介质基片、接地面和微带 辐射器。 基片地板 微带辐射器 微带馈线 /2 h 图 2.1 微带天线的基本结构 辐射贴片和接地面一般采用铜或者其它金属作为材料，形状可以设计成各种各样来满足 不同的要求。介质基片的相对介电常数通常较小，一般不超过10，通常取dim(A)的集合A，称为分形集。其中， Dim(A)为集合A的Hausdorff维数或分维数，dim(A)为其拓扑维数。一般说来，Dim(A)不是整 数，而是分数；(2)部分与整体以某种形式相似的形态，称为分形。 然而，经过理论和应用的检验，人们发现这两个定义很难包括分形如此丰富的内容。实 际上，对于什么是分形，到目前为止还没有确切的定义。正如生物学中“生命”的定义一样， 人们只能列出一系列生命体所具有的特征，比如对环境的适应能力、生命能力、运动能力以 及繁殖能力等等来说明。现在，人们一般采用著名分形几何学家Falconer在分形集几何学 中对分形集合F的描述来判断某一对象是否是分形。他的观点是最好把分形看成是具有某些 特性的集合，而不用去寻找一个几乎概括所有情形的精确定义。因此，Falconer列出了五条 用不确定性语言描述的分形集的特性： (1)分形集都具有任意小尺度下的比例细节， (2)分形集不能用传统的几何语言来描述，或者说它具有精细的结构。它既不是满足某些条 件的点的轨迹，也不是某些简单方程的解集。 (3)分形集具有某种自相似形式，可能是近似的自相似或者统计的自相似。 (4)一般，分形集的“分形维数”，严格大于它相应的拓扑维数。 (5)分形的生成方式很简单，可以用递归迭代产生。 其中前三项说明了分形在结构上的内在规律性，第(4)项说明了分形的复杂性，第(5)项则说 明了分形的生成机制。 2.2.2 分形维数 分形维数是分形理论中最重要的一个概念，它是对非光滑、非规则、破碎的等极其复杂 的分形客体进行定量刻画的重要参数，它表征了分形体的复杂程度、粗糙程度，即分形维数 越大，客体就越复杂、越粗糙，反之亦然。维数概念历来在数学和物理学中占据着重要的地 位。按传统的观点，维数是确定系统状态的独立变量，只能取整数。然而，在分形理论中， 对于一个分形客体，它的维数一般都不限于整数，而可取任何实数值。分形维数是定量刻画 分形特性的常数，能够反映分形的基本特征，而且赋予了很多崭新的内涵，但由于侧重面不 同，有多种定义和计算方法。常见的有Hausdorff维、信息维、容量维等，它们有各自不同 的应用。下面介绍几种常见的分形维数定义： (1)Hausdorff维数 设一个客体划分为个大小和形态完全相同的小客体，每一个小客体的线度是原客体的 6倍，该客体的Hausdorff维数为： (2.2.1) )/1ln( )(ln lim 0 H N D 其中表示整体所包含的小图形的个数。)(N 如果把一个客体的线度放大L倍，那么得到的新客体是原客体的K倍，则该客体的维数为 H D (2.2.2) L K DH ln ln (2)信息维数 i D 在Hausdorff维数现的定义中，只考虑了所需覆盖的个数，而不考虑每个覆盖)(N 中所含分形集元素的多少。设表示分形集的元素属于覆盖中的概率，则信息维数 i U i P i U 为： i D (2.2.3) ln ln lim 1 0 ii N i i PP D 在等概率的情况下，即信息维数等于Hausdorff维数。)/(IPi Hi DD (3)并联维数 g D 若分形中某两点之间的距离为，其关联函数为，则关联维数为：)(C g D (2.2.4) )/1ln( )(ln lim C Dg 式中： (2.2.5) 2 11, 1 )( i N i ji N ji PXXH N C (4)相似维数 s D 设分形整体S是由N个非重叠的部分组成，如果每一个部分经过放大, 321 SSS N S i S 倍后可与S全等(N)，并且，则相似维数为： i r/1, 2 , 1, 10irirri (2.2.6) )/1ln( ln r N Ds 相似维数风与Hausdorff维数是一致的，但在某些情况下，特别是对某些分形曲线， H D 用相似维数似乎要更方便些。 (5)容量维数 c D 容量维数是由Kolmogorov推导的，它的定义类似于Hausdorff维数，是以包覆为基础的。 假定要考虑的图形是n维欧氏空间中的有界集合，用半径为的球填入该图形，假定 n R 是球的个数最小值，则容量维数可用下式来定义：)(N c D (2.2.7) )/1 (ln )(ln lim 0 N N D c c 除上述定义的几种分形维数外，还有谱维数、模糊维数、拓扑维数、广义维数、微分维 数、分配维数、质量维数、填充维数等。在分析研究中，之所以对分形维数有很多定义是因 为要找到对任何事物都适用的定义并不容易。由于测定维数的对象不同，就某一分形维数的 定义而言，有些对象适用，而另外一些就可能完全不适用，因而对不同定义的维数使用不同 的名称把它们区分开。为了便于表示，通常把非整数值的维数统称为分形维数。 2.1.3分形结构的描述语言 描述分形结构的通用方法是函数迭代系统(IFS)，它能够方便地生成各种分形结构。函 数迭代系统(IFS)建立在一系列自仿变换因子W的基础上，完成对初始几何结构的迭代。W可 用公式表示为： (2.2.8) f e y x dc ba y x w 或者等价于 (2.2.9),(),(fdycxebyaxyxw 式中，a、b、c、d、e、f为实数，a、b、c、d控制几何结构的旋转和伸缩，e、f控制几 何结构线性位移。 假设存在一系列自仿变换因子集合W=和一个最初的几何结构 4321 ,wwwwW N w 么。那么，将这些自仿变换因子集合形作用于初始几何结构么，就会生成一系列新的几何结 构，我们将其记为，把这些结果做并集就可以得到新的几),(),(),( 321 AwAwAw)(AwN 何结构，表示如下： (2.2.10)()( 1 AwUAW n N n 式中，称为H算子(Hutchinson Operator)。)(Aw 将作用于就可以生成下一个几何结构，依次类推，将反复作用于前一)(AW 1 A 2 A)(AW 个几何结构，就可以不断地生成新的几何结构。函数迭代系统就是通过这个迭代方式，可以 根据具体需要，在初始几何结构的基础上，生成任意阶的分形结构。例如，设集合为一 0 A 个初始几何结构，则由该初始几何结构生成的第K+1阶分形结构可以通过以下迭代得到： (2.2.11)(.,),(),(),( 14231201kk AWAAAWAAWAAWA 一个函数迭代系统通过反复作用于一个几何结构会生成一个收敛的几何结构序列，这个 最终的几何结构可以由下式表示： A (2.2.12)( AWA 这个几何结构函数迭代系统的“吸引子”，代表自仿变换因子集合W的一个“固定点”。由 于函数迭代系统提供了一种描述、分类和操作分形结构的通用方法，所以它是分形结构设计 的强有力工具。 2.3 倒 F 原理及结构分析 PIFA的典型结构包括一个平面的矩形金属片、一个大的接地平面、一个窄的短路金属板 (置于矩形平面金属片长度较短边的边缘)。一方面，PIFA可以被认为是一个线性倒F型天线 (IFA：InvertedF Antenna)，将IFA的金属线辐射体替换为金属板后，频宽比原来的IFA宽。 另一方面，也可以将PIFA视为一个短路的矩形微带天线，这种短路的矩形微带天线其实际共 振模态与矩形微带天线的共振模态是一样的，都是共振在基本模态。 10 TM 将短路金属板置于辐射金属与接地平面之间时，将使矩形辐射金属的长度减半，从而达到缩 小天线的目的，此时在短路会属板的位置，的电场为零。当短路金属板的宽度等于平 10 TM 面矩形辐射贴片的宽度时，即为“短路面加载”；当短路金属板宽度比平面矩形金属片窄时， 即为“短路壁加载”，天线的有效电感增加，共振频率低于传统的短路微带天线。因此，在 相同尺寸的平面矩形金属片下，要得到相同共振频率，就必须使平面矩形金属片缩小，从而 达到原先将天线缩小的目的。加载短路金属板，一方面可以实现小型化，另一方面可以使整 个天线的有效电感增加，谐振频率低于传统的一端短路微带天线，拓展了微带天线在频段方 面的使用范围。 倒F天线常用于无线通信系统中，典型的倒F天线结构如图32(b)所示。倒F天线是在倒 L(如图32(a)所示)天线的垂直元末端加上一个倒L结构而构成。使用附加的这个结构可以 调整天线和馈电端的匹配，不需要另外的匹配电路，简化了天线结构。倒F天线具有低轮廓 结构，辐射场具有水平和垂直两种极化，这些特性对天线的设计非常重要。 图 2.2 典型倒 L 和倒 F 形天线结构 在设计印刷倒F单极天线时，我们可以通过调整天线尺寸达到工作频段所要求的理想匹 配效果。一般来说，倒F天线水平单元的尺寸估算值可以由以下经验公式得到： (2.3.1) e cdbc f C LL 4 (2.3.2) 2/1 10 11 2 1 1 2 1 w h rre 其中，表示bc段的长度，为cd段的长度，C为真空中的光速，为介质板的有效 bc L cd L e 介电常数，为相对介电常数，h和W分别为介质板的厚度和天线的线宽。 r 2.4Hilbert 分形结构分析 Hilbert曲线作为一个连续图形不存在任何交叉点，随着分形阶数的增加，曲线通过自 相似迭代从一维空间逐渐填充到二维空间，曲线具有严格的自相似性。阶Hilbert分形曲 线的分形维数可以按下式计算： (2.4.1) )12/() 12ln( )14/() 14ln( )( 1 1 nn nn nD Hilbert曲线的分形维数随曲线阶数的增加而增大，表征了分形曲线占据空间的利用率。 由公式(2.2.1)可知，Hilbert分形曲线的分数维取值范NI为1，2，是一种结构简单、空间 占有率高的分形结构。下面利用函数迭代系统简单描述一下Hilbert分形曲线的生成过程， 如图34所示。 此处，初始Hilbert分形曲线为一个二维几何结构： (2.4.2) ; 1,1 , 0 ; 1,1 , 0 ; 0,1 , 0 0 xy yx xy H 四个隶属变换因子分别作用于初始Hilbert分形曲线，经四次迭代，依次生成l阶 0 H Hilbert分形曲线、2阶Hilbert分形曲线以及3和4阶Hilbert分形曲线。对于Hilbert 1 H 2 H 分形曲线隶属变换因子集合，如令其中，s表示尺度变换矩阵，r表示旋转变换wtrsw 矩阵，t表示线性位移矩阵。则： (2.4.3) 3/10 03/1 12 1 n s (2.4.4) cossin sincos r (2.4.5) 0 1 12 1 , 3/1 0 12 1 , 3/2 3/2 12 1 , 3/2 0 12 1 4321 nnnn tttt 式中，为Hilbert分形曲线的阶数，为Hilbert分形曲线旋转角度，n 分别对应隶属变换因子集合矿中的四个元素，则 4321 ,2/, 0 , 2/tttt 4321 ,wwww Hilbert分形曲线的隶属变换因子集合为：w (2.4.6) 0 1 )2/cos()2/sin( )2/sin()2/cos( 3/10 03/1 3/1 0 )2/cos()2/sin( )2/sin()2/cos( 3/10 03/1 3/2 3/2 cossin sincos 3/10 03/1 3/2 0 cossin sincos 3/10 03/1 12 1 )( )( )( )( )( 4 3 2 1 n Hw Hw Hw Hw HW 图 2.3IFS 生成 Hilbert 分形曲线的过程 图2.2.1为0-3阶的Hilbert分形迭代结构。从图中可以看出，Hilbert是13等边分形曲 线，若0阶Hilbert曲线各边长均为h，则n阶Hilbert曲线总长度为： (2.4.7) hnL n n 12 14 )( 1 1 由等式(2.2.7)可知，随着Hilbert分形迭代次数的增加，Hilbert曲线的长度呈指数上 升，趋近于无穷大，逐渐填充整个轮廓。当迭代次数为5时，X4单极天线长度为原来的65 倍，由于耦合效应的存在天线