实验4印刷偶极子天线设计

实验4印刷偶极子天线设计
观察天线的增益
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实验4印刷偶极子天线设计
观察天线的2维 E面
❖ Planar Cut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。
Conical Cut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
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实验4印刷偶极子天线设计
在Layout中设计天线全貌
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实验4印刷偶极子天线设计
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，Mesh Frequency和 Number of Cells Per Wavelength 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： Mesh Frequency为后面S仿真中的频率上 限值， Number of Cells Per Wavelength 为30。
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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
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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。
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Ｓ参数仿真
选择Momentum中的Simulation―Sparameters
•出现一个对话框如 •右图。在Sweep Type 中可以选择 Single，Adaptive， Linear
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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Sample Point，以用最少的 Sample Point来描述图形，因此在对大范 围 的 频 率 扫 描 时 ， 推 荐 使 用 Adaptive Type；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
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创建新的工程文件（续）
n 工程文件创建完毕后主窗口变为下图
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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Layout Unit ，设置如右图，选择 Layout Unit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。
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实验4印刷偶极子天线设计
层定义—Metallization Layer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。
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天线的辐射方向图
•
E
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E Theta
E Phi
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观察天线的增益
选择 Momentum =>Post Processing= >Radiation Pattern->2D Data Display, 然后点击 Compute,得 到：
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Ｓ参数仿真
如下图对S参数仿真进行设置：
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点击update，Simulate，开始仿真。
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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
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，Loss Tangent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：
极子天线。 n 通过仿真分析该天线的性能。
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（三）微带天线的技术指标
n 谐振频率(Resonance Frequency) n 带宽(Bandwidth) n 反射损耗(Return Loss) n 输入阻抗(Impedance) n 增益(Gain)
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偶极子天线臂 Ld=29mm Wd=6mm Gap g2=3mm
微带巴伦 通孔
Lb=25mm Lh=3mm Gap g1=1mm Wf=3mm Wb=5mm Wh=3mm
r=0.4mm
地板
Lg=12mm Wg=19mm
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（五）ADS软件的使用
n 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。
可以双击端口对端口进行修改 ，选择Port对应的层：
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端口定义
由Momentum => Port Editor, 再用鼠标 选中端口，进行编 辑。在Port 2的设 置中，Associate with port number 中，写入1，表示 Port2是Port1的参 考地。如右图：
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观察天线的2维 E面
首先，观测Planar Cut（垂直极化）。在Far Field > Cut 3D Far Field,设置如下图：
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E 平面 垂直截面 Phi=900
•E
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E Theta
E Phi
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端口定义
•由于在前面的层定义中取消了GND， •所以不能定义Single Port（Not Available） 有两个解决的办法，采用： 两个Differential port 一个Internal port 配合一个 Ground
Reference Port
•本例中采用第二种方案
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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)
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观察远区辐射方向图
选择Momentum=>Post Processing=>Radiation Pattern，在弹出的对话框中： Select Frequency中选择1.8GHz，因为这是谐振 频率 。在Visualization Type中选择3D Visualization，因为我们首先想观察三维视图。 在Port1 Impedance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。
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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=>Midpoint Snap ， 使 得 Port 加 在物体的中间位置。
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端口定义
n 下面开始按顺序详细介绍ADS软件的使 用方法。
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ADS软件的启动
n 启动ADS进入如下界面
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创建新的工程文件
n 点击File->New Project设置工程文件名称（本 例中为Antenna）及存储路径
n 点击Length Unit设置长度单位为毫米
实验4印刷偶极子天线设 计
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2020/11/17
实验4印刷偶极子天线设计
（一）实验目的
n 了解印刷偶极子天线的结构和工作原理 n 学习使用ADS Momentum设计天线的基
本方法 n 仿真，调试，优化印刷偶极子天线
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（二）实验内容
n 熟悉ADS Layout的使用环境。 n 使用ADS软件设计一个1.8GHz的印刷偶
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（四）印刷偶极子天线简介 ——结构图
•
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立体图
平面图
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（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
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1.8GHz印刷偶极子天线的尺 寸
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层定义—Metallization Layer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。
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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
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同样，点击鼠标右键的 “measure”，可以测量 相对尺寸，如右图：
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在Layout中绘制天线
完成对底层cond2的全部设计，如下图
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在Layout中绘制天线
选择： Option=>Layers, 将cond2的Shape Display由filled 改为outlined， 这样便于测量尺 寸。可得右图：
E 平面 水平截面 Theta=450
•同样的方法可以得到水平截面下的二维E平面
•E
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E Theta
E Phi
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天线参数的优化
使用ADS Layout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Leabharlann Baidu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。
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。
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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：
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观察表面电流的分布
选 择 Current ＝ > Set Port Solution Weights，单击OK。然 后 ， 选 择 Current =>Plot Currents。按 照 相 位 从 00->900>1800->2700 ， 分 别 为 ：
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