GHz矩形微带贴片天线设计

1、燕山大学课 程 设 计 说 明 书题目: 基于ADS的矩形微带贴片天线的设计 学院（系）： 理学院 年级专业：电子信息科学与技术13学 号：130108040056 学生姓名：张凤麒 任春宇 指导教师： 徐天赋 教师职称： 副教授 燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）： 理学院 基层教学单位：电子信息科学与技术13学 号130108040056学生姓名张凤麒专业（班级）电子信息科学与技术13设计题目基于ADS的矩形微带贴片天线的设计设计技术参数中心频率2GHz，FR4介质基板Er4.4、h=1.6mm、tan=0.02设计要求完成矩形微带贴片天线的建模、仿真、调试。熟悉ADS Momentu

2、m的基本使用，掌握矩形微带贴片天线的原理、结构及设计方法。工作量18个工作日工作计划1-7工作日：矩形微带贴片天线的工作原理及结构，收集相关的设计资料。2-6工作日：针对对给定技术参数。使用ADS进行模拟仿真、调试。3-5工作日：总结设计结果结论，撰写设计说明书。参考资料1 M.M，拉德马内斯 射频与微波电子学 北京科学出版社2 联繓仪 微带天线 清华大学出版社3 毛乃宏、供新德 天线测量手册 国防工业出版社 4 陈艳华 ADS应用详解 人民邮电出版社指导教师签字基层教学单位主任签字说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。年 月 日 燕山大学课程设计评审意见表指导教师评语

3、：成绩： 指导教师： 年 月 日答辩小组评语：成绩： 评阅人： 年 月 日课程设计总成绩：答辩小组成员签字：年 月 日 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书基于ADS的矩形微带贴片天线设计The Design of Rectangular microstrip patch antenna with ADS摘要：本文研究了通信系统中的矩形微带贴片天线。首先介绍了矩形微带贴片的背景及微带馈电的设计考虑。使用了安捷伦辅助仿真工具ADS对2GHz矩形微带贴片天线结构及相应的参数进行了设置仿真及优化，尽可能达到其相应的技术指标。Abstract：This paper studies the rec

4、tangular microstrip patch antenna in communication system. Firstly, the background of rectangular microstrip patch and the design considerations of microstrip feed are introduced. The microstrip patch antenna structure and corresponding parameters of 2GHz rectangular microstrip patch antenna are sim

5、ulated and optimized by ADS, and the corresponding technical index is reached as far as possible.关键词：矩形微带贴片天线 ADS 设计Keyword：Rectangular microstrip patch antenna ADS design一.矩形微带贴片天线的背景微带贴片天线由于具有质量轻、体积小，易于制造等优点，现今已经广泛应用于个人无线通信中。微带贴片天线由接地板、介质基片和介质基片上的辐射贴片构成的，其中辐射贴片可以是任意的几何形状，但是只有有限的几何形状能计算出辐射特性，比如矩形，圆

6、形，椭圆形，三角形、半圆形、正方形等比较规则的几何形状，其中矩形和圆形贴片的研究最多，可以作为单独的天线使用也可以作为阵元使用。当然在实际应用中，也有矩形和圆形贴片达不到要求的情况，这就促使了人们对各种几何形状微带贴片天线的研究。本文选用矩形贴片来研究微带天线。二.基本原理图1显示出了采用微带线进行馈电的矩形微带贴片天线几何和立体图形，主要由最下层的接地板、中间的介质基板和最上面的矩形辐射贴片以及微带阻抗变换节和微带馈线构成。与天线性能相关的参数包括辐射元的长度L、辐射元的宽度W、介质层的厚度h、介质的相对介电常数er和损耗角正切tan。 矩形微带天线的长度L在理论上取值为g/2。W一般取值应

7、小于g/2，当W大于g/2时将会产生高次模而导致场的畸变。对于工作在2.0GHz的矩形微带线，其介质波长g=/ =7.75cm,贴片的长度L=g/2=3.575cm，W<L取3.0cm图1 矩形微带贴片天线几何和立体图形本文设计的矩形微带贴片天线只在介质基片的一面上有辐射单元，因此，可以用微带线或同轴线馈电。该天线利用微带线进行馈，用微带线馈电时，馈线与微带贴片是共面的，因而可方便的一起光刻，制作简便。但馈线本身也有辐射，从而干扰天线方向图，降低增益，为此，一般要求微带线不能宽，希望微带线宽远小于波长。因为天线输入阻抗不等于通常的50 欧姆传输线阻抗，所以需要匹配，选用一段微带

8、线进行阻抗变换实现匹配。 基于ADS设计的矩形微带贴片天线如图2所示，包括最左边的矩形辐射贴片、中间的微带阻抗变换节和右边的任意长度的微带馈线。 图2 设计矩形微带贴片天线模型三.矩形微带贴片天线设计及仿真结果先利用天线工作频率及介质基板的参数，计算得出贴片的长度和宽度。初步设计矩形贴片的模型，设置介质基板的厚度、相对介电常数和损耗角正切等参数，根据微带天线的技术指标： 谐振频率（Resonace Frequency） 带宽（Bandwidth） 反射损耗（Return Loss） 输入阻抗（Impedance） 增益（Gain） 用ADS电磁仿真软件进行仿真和调节，快速地设计出满足系统要求频

9、带的天线。本文设计的天线是设计在相对介电常数为4.4，厚度为1.6mm，损耗角正切值0.02的基板上的中心频率为2.0GHz矩形微带贴片天线，贴片的长度为35.75mm，宽度为30mm；微带阻抗变换节的长宽分别为9.40mm、0.37mm；微带馈线的长宽为9.11mm、3.10mm；激励端口P1的参考是GND地平面，端口阻抗设置为50Ohm。 （1）矩形微带贴片天线仿真过程1.建模层选择矩形微带贴片天线在设计中考虑是单面天线，该模型采用的是单面覆铜板，在Layout中设置cond层为贴片。2.层定义通过层定义Momentum=>Substrate=>Create/Modify设置S

10、ubstrate Layer及Metallization Layers相关参数。3.端口定义通过端口定义即Moumentum=>Port Editor,设置cond层端口Port1可得在Layout中设计天线的全貌为：图3 在Layout中模拟矩形微带贴片天线全貌图4.S参数仿真 由Moumentum=>Simulation=>S-parameters设置扫描范围为1.0GHz3.0GHz可得： 图4 模拟矩形微带贴片天线的S参数从图中可以看出S参数的中心频率为2.0GHz，但是S（1,1）参数性能很差，远小于-10dB。因此后续要进行匹配及优化设计。5.匹配设计在原理图窗口

11、中由Tools=>Smith Chart打开圆图匹配窗口，设置天线的阻抗参数impedance=74.5-J*75.55选择微带线匹配可得：图5Smith Chart用微带线匹配微带匹配线的特征阻抗Z0为125Ohm电长度Value=38.5，由Linecalc计算匹配微带线的物理尺寸和馈线的宽度。在原理图中设计匹配电路如图6： 图6矩形微带贴片天线的原理图匹配6.原理图S参数仿真由Simulation可得S参数：S（1,1）=-45.888dB完全符合设计要求 图7 原理图匹配电路的S参数7.设置匹配及馈线层 Layout中添加微带匹配线及馈线，设置为cond层。设计好的矩形微带贴片天

12、线模型如图8 图8 矩形微带贴片天线模型 （2）天线模型S参数模拟通过对S参数的模拟可得：l 相对带宽（计算得到）l 回波损耗由Moumentum=>Simulation=>S-parameters可得： 图9 矩形微带贴片天线的S参数l 谐振点频率基本满足2GHz附近，反射损耗为dB(S(1,1)为-24.074dB。l 约在(1.984GHz-2.021GHz)的工作频带范围内为天线带宽，天线的相对带宽约为1.85%。l 由Smith圆图输入阻抗为Z0*(0.892-j0.049)=44.6-j2.45。由以上参数可知设计矩形微带贴片天线完全符合设计要求。（3）显示表面电流 1

13、. 矩形微带贴片天线由两段不同宽度的微带线及金属贴片构成，信号从微带馈线端点馈入，在天线的贴片上将产生一定的电流分布，这种电流分部就是在天线周围空间激发起的电磁场。 由Momentum=>Post-processing=>Radiation Pattern,选择Current=>Set Port Solution Weights,单击OK,然后选择Current=>Plot Currents,分别选择0°、90°、180°、270°天线表面电流。由图可知：l 由电流相位进行的不同相位扫描刷新得到的效果，电流分布受到相位常数的影响。

14、l 几何结构的对天线表面电流有影响。l 电流是如何在贴片结构中运动从而激发起电磁场。l 通过这种方法的修正比传统试探多次加工和调整贴片或不断进行切割要更为精确。 图10 天线表面电流模拟图 2.天线的增益图11 天线的增益图由Momentum=>Post-processing=>Radiation Pattern=>2D data display. 由图中可得天线增益的实部Gain1.104dB。（4）天线的E面辐射方向图Momentum中使用的距量法(MOM)仿真技术假设介质平面是无限大的，大多数应用都近似满足这样的条件。图12 天线的三维辐射图 由Momentum=>

15、;Post-processing=>Radiation Pattern=>Far Field=>Far Field Plot可得矩形微带贴片天线E面的三维方向图，由图可知呈现对称全向的方式向外进行辐射。 1.模拟测得天线各项参数及参数调试结论 由Momentum=>Post-processing=>Radiation Pattern=>Far Field=>Antenna parameters.测得的该矩形微带贴片天线的各项参数表如辐射功率为0.00066，增益为0.43893，方向性为6.17905等。图13天线参数 2. 通过Momentum=>Component=>Parameters对矩形微带贴片天线的各项参数的调试优化可得一些结论：l 微带贴片的长度增大，谐振频率在较大幅度内减小。l 微带贴片的宽度增大，谐振频率也会减小。l 介电常数越高则天线的谐振频率越低。四.结束总结矩形微带贴片天线是一种宽带全向的平面天线在无线通信和WLAN中得到广泛的应用，这种天线以前的设计与分析是用等效电路粗略的计算，在利用实验的方法调试直到满足为止。而通过辅助软件的设计，研究微带馈电结构的参数对天线宽