实验四印刷偶极子天线设计

实验四

印刷偶极子天线的

设计与调试

（一）实验目的了解印刷偶极子天线的结构和工作原理学习使用ADSMomentum设计天线的基本方法仿真，调试，优化印刷偶极子天线（二）实验内容熟悉ADSLayout的使用环境。使用ADS软件设计一个1.8GHz的印刷偶极子天线。通过仿真分析该天线的性能。（三）微带天线的技术指标谐振频率(ResonanceFrequency)带宽(Bandwidth)反射损耗(ReturnLoss)输入阻抗(Impedance)增益(Gain)（四）印刷偶极子天线简介

——结构图立体图平面图（四）印刷偶极子天线简介

——组成部分天线的组成包括偶极子天线臂巴伦线地板馈线通孔

箭头的方向表示了电流的流向1.8GHz印刷偶极子天线的尺寸偶极子天线臂

Ld=29mmWd=6mmGapg2=3mm

微带巴伦

Lb=25mmLh=3mm

Gapg1=1mm

Wf=3mmWb=5mmWh=3mm

通孔

r=0.4mm

地板

Lg=12mmWg=19mm

（五）ADS软件的使用本节内容是介绍使用ADS软件设计印刷偶极子天线的方法：包括Layout绘制、层定义、端口定义、仿真，优化等。下面开始按顺序详细介绍ADS软件的使用方法。ADS软件的启动启动ADS进入如下界面创建新的工程文件点击File->NewProject设置工程文件名称（本例中为Antenna）及存储路径点击LengthUnit设置长度单位为毫米创建新的工程文件（续）工程文件创建完毕后主窗口变为下图Layout中的背景设置直接在Main窗口中点击，打开Layout窗口，在Layout中，选择option-preference，对系统设计的背景参数进行设置。我们选择其中的LayoutUnit，设置如右图，选择LayoutUnit为mm，Resolution填写为0.0001表示精确到小数点后四位。以确保在天线设计过程中的精度。其他子菜单设置一般选择默认。

在Layout中绘制天线

由于我们设计的是双面天线，在一个介质板上贴有上下两层，上层为馈线，下层为偶极子天线和地板。首先设计底层，选择cond2，如图

在Layout中绘制天线由于我们设计的矩形天线，所以我们选择，然后在窗口中选择一点，开始画矩形，矩形大小的控制可以看右下角的右边的坐标，它表示相对位置的距离。同样，点击鼠标右键的“measure”，可以测量相对尺寸，如右图：

在Layout中绘制天线完成对底层cond2的全部设计，如下图

在Layout中绘制天线选择：Option=>Layers,将cond2的ShapeDisplay由filled改为outlined，这样便于测量尺寸。可得右图：

在Layout中绘制天线将设计的层面改为cond，重复上面的设计，完成对于顶层cond的设计，可以得到右图：

图中，红色是对应cond层（顶层），黄色对应cond2（底层），下面在顶层与底层之间加上一个通孔在Layout中绘制天线

下面在cond与cond2层之间加一个通孔（Via），选择层为：加通孔，因为是圆形的通孔，所以选择，如下图：

这样就完成了天线尺寸的基本设计。

层定义

这是至关重要的一步。由Momentum=>Substrate=>Create/Modify，进入层定义对话窗口。作如下设置：将地面GND的边界由Closed改为Open（1），然后点击左下角的Add，增加一层Alumina_0（2），并且把这一层重新定义如下所示（3），即跟上面的FreeSpace定义完全一样，重新命名为FreeSpace_bottom，当然命名为其他名字也是没有问题的。这样上下形成了对称的结构。最后定义Alumina中的各个参数，即定义Real为4.6，LossTangent为0.018（4），表示损耗正切为0.018。我们需要的天线的层结构如下图所示：

层定义—MetallizationLayer设置去掉通常微带天线的地面（GND）而加FreeSpace_bottom，与上面的FreeSpace向对称，这样更加符合移动通信下天线的实际情况，对于移动通信总是希望全向的天线，这样可以克服一般的微带天线只能向半空辐射的缺点而成为全向天线。层定义—MetallizationLayer设置在Conductivity中填电导率，Thickness中填金属厚度。其中铜的电导率为5.78E＋006，厚度为0.018mm。在这些都设置结束以后点击Apply和OK就可以了。

端口定义有两个解决的办法，采用：两个Differentialport一个Internalport配合一个GroundReferencePort由于在前面的层定义中取消了GND，所以不能定义SinglePort（NotAvailable）本例中采用第二种方案端口定义选中加Port。第一个Ｐort加在cond上，第二个Port加在cond2上。此时，可以选择Options=>MidpointSnap，使得Port加在物体的中间位置。

端口定义可以双击端口对端口进行修改，选择Port对应的层：端口定义由Momentum=>PortEditor,再用鼠标选中端口，进行编辑。在Port2的设置中，Associatewithportnumber中，写入1，表示Port2是Port1的参考地。如右图：

在Layout中设计天线全貌Ｓ参数仿真—Mesh设置

在Momentum=>Mesh=>Setup中设置Mesh，Mesh的设置决定了仿真的精度。通常，MeshFrequency和NumberofCells

PerWavelength

越大，精度越高。但是这是以仿真时间的增加为代价的。有时不得不以精度的降低换取仿真时间的减小。在本例中，我们采用Mesh的默认值，即：MeshFrequency为后面S仿真中的频率上限值，NumberofCells

PerWavelength

为30。Ｓ参数仿真选择Momentum中的Simulation―Sparameters

出现一个对话框如右图。在SweepType中可以选择Single，Adaptive，Linear

Ｓ参数仿真

Single表示对单个频率点进行仿真，Adaptive表示根据曲线变化的幅度选择不同频率下的SamplePoint，以用最少的SamplePoint来描述图形，因此在对大范围的频率扫描时，推荐使用AdaptiveType；对于Linear，是选择上下频率的范围和步长，在规定频率段和规定步长下进行取点。这里选择adaptive

Ｓ参数仿真如下图对S参数仿真进行设置：点击update，Simulate，开始仿真。Ｓ参数仿真仿真结果：谐振频率是刚好位于1.800GHz的，反射波损耗为-28.161dB输入阻抗为Z0*（0.933+j0.036）=46.65+j1.8天线的带宽对于VSWR<1.5,天线带宽为13%(1.683GHz—1.917GHz)

对于VSWR<2.0,天线带宽为23.8%(1.600GHz—2.026GHz)观察远区辐射方向图

选择Momentum=>PostProcessing=>RadiationPattern，在弹出的对话框中：SelectFrequency中选择1.8GHz，因为这是谐振频率。在VisualizationType中选择3DVisualization，因为我们首先想观察三维视图。在Port1Impedance中写入端口1的输入阻抗，这个在S11图中我们已经测量了，为：46.65+j1.8Ω

点击Compute。观察表面电流的分布选择Current＝>SetPortSolutionWeights，单击OK。然后，选择Current=>PlotCurrents。按照相位从00->900->1800->2700，分别为：天线的辐射方向图

EEThetaEPhi观察天线的增益

选择Momentum=>PostProcessing=>RadiationPattern->2DDataDisplay,然后点击Compute,得到：观察天线的增益观察天线的2维E面PlanarCut又称为垂直截面，如下图，Phi是一定的，Theta从0-3600变化。这样截取的平面是与Layout平面相垂直的。ConicalCut又称为水平截面，它的Theta是确定的，而Phi是可以从0-3600变化。与Layout平面平行观察天线的2维E面首先，观测PlanarCut（垂直极化）。在FarField>Cut3DFarField,设置如下图：

E平面垂直截面Phi=900

EEThetaEPhiE平面水平截面Theta=450

EEThetaEPhi同样的方法可以得到水平截面下的二维E平面天线参数的优化

使用ADSLayout中的optimization，可以完成对于天线的优化。优化时可以对一个参数进行优化，也可以同时对多个参数进行优化。通过Goal设置优化的目标，优化的目标主要是S11,S21参数,但是不可以对介电常数、介质板厚度等参数进行优化。下面就天线的带宽通过调节偶极子宽度Wd进行优化，目的演示优化的过程。天线参数的优化

选择Momentum->Optimization->parameters,进入优化参数设置对话框：在nominalValue填入4，表示优化的Wd的起始值，PerturbedValue表示优化的终止值。天线参数的优化单击add，会弹出一个新的窗口提供有关设置参数的信息，点击OK。一个新的Layout窗口将会自动弹出。由于我们是对偶极子天线臂宽进行设置，先用Ctrl＋鼠标选中天线臂的四个角。如下图：天线参数的优化

选择Edit->Move->MoveRelatively.在新弹出的对话框中填入如下图

表示相对位移为Y轴正向移动6mm，点击Apply。可以从Layout图中看出Wd变为了10mm

单击SaveDesign。

回到原Layout中单击OK，完成参数的定义，同时，新产生的Layout图会自动关闭。天线参数的优化选择Momentum->Optimization->Goal,设置优化的目标，如下图：点击Add，然后点击OK，结束对于优化目标的设置天线参数的优化选择Momentum->Optimization->Run运行优化，如下图：在这里，我们选用默认设置。然后，点击左下角的Start开始进行优化。并弹出如下对话框：天线参数的优化当优化运行完毕之后，得到优化后的Wd的参数天线参数的优化对于其他参数的优化可以采用类似的方法。但是，对于优化的条件过于苛刻时，优化将不能正常进行，ADS将不能实现优化的目标，而只能取接近优化目标的值天线的实物图天线的正反面图思考题尝试同时设置多个参数（如Wd和Lb）对同一个目标（如反射损耗）进行优化。用ADS分析天线的各个参数（偶极子天线臂长Ld、宽Wd，巴伦线长Lb，地板长Lg、宽Wg）对于天线性能（谐振频率、带宽、匹配、反射损耗等）的影响。讨论进一步减小天线尺寸的方法。谢谢观看/欢迎下载BYFAITHIMEANAVISIONOFGOODONECHERISHESANDTHEENTHUSIASMTHATPUSHESONETOSEEKITSFULFILLMENTREGARDLESSOFOBSTACLES.BYFAITHIBYFAITH安全阀基本知识如果压力容器(设备/管线等)压力超过设计压力…1.尽可能避免超压现象堵塞(BLOCKED)火灾(FIRE)热泄放(THERMALRELIEF)如何避免事故的发生?2.使用安全泄压设施爆破片安全阀如何避免事故的发生?01安全阀的作用就是过压保护!一切有过压可能的设施都需要安全阀的保护!这里的压力可以在200KG以上,也可以在1KG以下!设定压力(setpressure)安全阀起跳压力背压(backpressure)安全阀出口压力超压(overpressure)表示安全阀开启后至全开期间入口积聚的压力.几个压力概念弹簧式先导式重力板式先导+重力板典型应用电站锅炉典型应用长输管线典型应用罐区安全阀的主要类型02不同类型安全阀的优缺点结构简单,可靠性高适用范围广价格经济对介质不过分挑剔弹簧式安全阀的优点预漏--由于阀座密封力随介质压力的升高而降低,所以会有预漏现象--在未达到安全阀设定点前,就有少量介质泄出.100%SEATINGFORCE75502505075100%SETPRESSURE弹簧式安全阀的缺点过大的入口压力降会造成阀门的频跳,缩短阀门使用寿命.ChatterDiscGuideDiscHolderNozzle弹簧式安全阀的缺点弹簧式安全阀的缺点=10090807060500102030405010%OVERPRESSURE%BUILT-UPBACKPRESSURE%RATEDCAPACITY普通产品平衡背压能力差.在普通产品基础上加装波纹管,使其平衡背压的能力有所增强.能够使阀芯内件与高温/腐蚀性介质相隔离.平衡波纹管弹簧式安全阀的优点优异的阀座密封性能,阀座密封力随介质操作压力的升高而升高,可使系统在较高运行压力下高效能地工作.ResilientSeatP1P1P2先导式安全阀的优点平衡背压能力优秀有突开型/调节型两种动作特性可远传取压先导式安全阀的优点对介质比较挑剃,不适用于较脏/较粘稠的介质,此类介质会堵塞引压管及导阀内腔.成本较高.先导式安全阀的缺点重力板式产品的优点目前低压储罐呼吸阀/紧急泄放阀的主力产品.结构简单.价格经济.重力板式产品的缺点不可现场调节设定值.阀座密封性差,并有较严重的预漏.受背压影响大.需要很高的超压以达到全开.不适用于深冷/粘稠工况.几个常用规范ASMEsectionI-动力锅炉(FiredVessel)ASMEsectionVIII-非受火容器(UnfiredVessel)API2000-低压安全阀设计(LowpressurePRV)API520-火灾工况计算与选型(FireSizing)API526-阀门尺寸(ValveDimension)API527-阀座密封(SeatTightness)介质状态(气/液/气液双相).气态介质的分子量&Cp/Cv值.液态介质的比重/黏度.安全阀泄放量要求.设定压力.背压.泄放温度安全阀不以连接尺寸作为选型报价依据!如何提供高质量的询价?弹簧安全阀的结构弹簧安全阀起跳曲线弹簧安全阀结构弹簧安全阀结构导压管活塞密封活塞导向不平衡移动副(活塞)导管导阀弹性阀座P1P1P2先导式安全阀结构先导式安全阀的工作原理频跳安全阀的频跳是一种阀门高频反复开启关闭的现象。安全阀频跳时，一般来说密封面只打开其全启高度的几分只一或十几分之一，然后迅速回座并再次起跳。频跳时，阀瓣和喷嘴的密封面不断高频撞击会造成密封面的严重损伤。如果频跳现象进一步加剧还有可能造成阀体内部其他部分甚至系统的损伤。安全阀工作不正常的因素频跳后果1、导向平面由于反复高频磨擦造成表面划伤或局部材料疲劳实效。2、密封面由于高频碰撞造成损伤。3、由于高频振颤造成弹簧实效。4、由频跳所带来的阀门及管道振颤可能会破坏焊接材料和系统上其他设备。5、由于安全阀在频跳时无法达到需要的排放量，系统压力有可能继续升压并超过最大允许工作压力。安全阀工作不正常的因素A、系统压力在通过阀门与系统之间的连接管时压力下降超过3%。当阀门处于关闭状态时，阀门入口处的压力是相对稳定的。阀门入口压力与系统压力相同。当系统压力达到安全阀的起跳压力时，阀门迅速打开并开始泄压。但是由于阀门与系统之间的连接管设计不当，造成连接管内局部压力下降过快超过3%，是阀门入口处压力迅速下降到回座压力而导致阀门关闭。因此安全阀开启后没有达到完全排放，系统压力仍然很高，所以阀门会再次起跳并重复上述过程，既发生频跳。导致频跳的原因导致接管压降高于3%的原因1、阀门与系统间的连接管内径小于阀门入口管内径。2、存在严重的涡流现象。3、连接管过长而且没有作相应的补偿（使用内径较大的管道）。4、连接管过于复杂（拐弯过多甚至在该管上开口用作它途。在一般情况下安全阀入口处不允许安装其他阀门。）导致频跳的原因B、阀门的调节环位置设置不当。安全阀拥有喷嘴环和导向环。这两个环的位置直接影响安全阀的起跳和回座过程。如果喷嘴环的位置过低或导向环的位置过高，则阀门起跳后介质的作用力无法在阀瓣座和调节环所构成的空间内产生足够的托举力使阀门保持排放状态，从而导致阀门迅速