基于ADS的微带缝隙天线的仿真设计

课程设计说明书题目：基于ADS的微带缝隙天线的仿真设计学院（系）：年级专业：学号：学生姓名：指导教师：教师职称：课程设计说明书第1页共13页基于ADS的微带缝隙天线的仿真设计摘要：通信系统的发展带来了天线行业的勃勃生机，在众多的天线类型中微带天线已成为当前研究的前沿之一，具有广阔的前景与实用意义。特别是微带缝隙天线，以其重量轻、剖面薄、平面结构且易与载体共形，馈电网络可与天线结构一起制成等优点已经引起天线工作者的广泛关注。本文就设计一个中心频率工作为880MHz，相对带宽为B=5％，介质板厚度h=1.6mm，损耗角正切tanδ=0.0018，介电常数为Er=2.3的微带缝隙天线展开研究以及仿真和优化。关键词：ADS；微带缝隙天线；仿真设计；DesignofmicrostripslotantennabasedonADSsimulationAbstract:Communicationsystemdevelopmenthasbroughttheantennathevitalityoftheindustry,inmanytypesofantennamicrostripantennahasbecomeoneoftheforefrontofcurrentresearch,hasbroadprospectsandpracticalsignificance.Microstripslotantenna,inparticular,withitslightweight,thinsection,flatstructureandeasywithconformalcarrier,feedingtheadvantagesofnetworkcanbemadewiththeantennastructurehascausedextensiveconcernofantennaworkers.Inthispaper,thedesignofaworkcenterfrequencyis880MHZ,relativebandwidthisB=5%,mediumplatethicknessh=1.6mm,losstangenttandelta=0.0018,thedielectricconstantofEr=2.3microstripslotantennastudyandsimulationandoptimization.Keywords:ADS;Microstripslotantenna.Thesimulationdesign;学习目的课程设计说明书第2页共13页1.学习射频电路的理论知识；2.掌握ADS并可以设计微带天线；3.通过ADS设计中心频率为880MHZ，相对带宽为B=5%的微带缝隙天线；学习器件ADS(AdvancedDesignsystem)软件ADS软件介绍ADS全称AdvancedDesignsystem，是Agilent公司2008年推出新版本的EDA软件。ADS经过多年的发展，仿真功能和仿真手法日益完善，最大的特点是集成了从IC级到电路级直至系统级的仿真模板。它内含基于矩量法的电磁仿真模板，ADSMomentum是一种对3D进行简化的2.5D电磁仿真器，非常适合第三维上均匀变化的结构仿真，如PCB板级设计、无源板级器件设计等。其仿真速度极快，同时保证和主流3D电磁仿真软件相当的精度。天线基础天线的性能直接影响着整个无线通信的性能，一般来说，表征天线性能的主要参数有方向特性、增益、输入阻抗、驻波比、极化特性等。（1）天线的极化方式所谓天线的极化，就是指天线辐射时形成的电场强度方向。当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波。由于电波的特性，决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减，而垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。（2）天线的增益天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它是选择基站课程设计说明书第3页共13页天线最重要的参数之一。（3）天线的阻抗天线的输入阻抗：是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。匹配的优劣一般用四个参数来衡量即反射系数，行波系数，驻波比和回波损耗，四个参数之间有固定的数值关系，使用那一个纯出于习惯。在我们日常维护中，用的较多的是驻波比和回波损耗。一般移动通信天线的输入阻抗为50Ohm或75Ohm。微带缝隙天线的仿真1.设计实例设计一个中心频率工作在880MHz的微带缝隙天线，相对带宽为5％的宽带缝隙天线。介质板的介电常数为Er=2.3，损耗角正切tanδ=0.0018，介质板厚度h=1.6mm。本例中的微带缝隙天线采用的是偏心双线馈电方式，这种馈电方式有利于扩展天线的带宽，天线的模型如图1所示。图1偏心双线馈电的微带缝隙天线课程设计说明书第4页共13页2.ADS仿真具体步骤（1）新建工程在开始菜单中选择“AdvancedDesignSystem2009→AdvancedDesignSystem”，在主窗口，通过点击下拉菜单“File→NewProject…”创建新项目，命名为“aperture_antenna”,并把单位选择成“millimeter”。（2）设置Layout层在“本例中需要用到两个Layout层，因此首先设置两个Layout层，分别命名为cond1和cond2。其中，cond1是微带馈线所在的Layout层；cond2层是开缝的接地板所在的Layout层。在Layout工作区单击鼠标右键，从弹出的的快捷菜单中单击【Layers】命令，弹出“LayerEditor”对话框，单击【Cut】按钮将默认的所有Layout层全部删除。单击【New】按钮创建两个金属层cond1和cond2，同时为了观察方便，选择Layout中的图形以轮廓线方式显示，如图2所示。图2Layout层设置窗口（3）创建接地板模型课程设计说明书第5页共13页①单击工具栏中的画矩形的工具，执行菜单命令【Insert】→【CoordinateEntry】，在弹出的对话框中输入矩形接地板初始坐标值（0,0），单击【Apply】按钮，输入接地板的终点（220，145），单击【OK】按钮，如图所示。双击已经创建好的接地板图形，弹出该图形的属性对话框，如图3所示，在下拉列表中选择Layout层“cond2”。图3输入接地板坐标②利用矩形或多边形绘图工具创建矩形的缝隙，输入缝隙的始末坐标（57，62）和（163，83.5）。注意，这里缝隙不能和之前创建好的接地板的Layout层在同一层上。双击创建好缝隙，在属性对话框中的层选项中选为“cond1”。因为接下来将要使用BooleanLogical工具在接地板上剪出一个缝隙，而在运用BooleanLogical工具时要求两个做布尔代数的图形必须是在不同Layout层上。③下面运用BooleanLogical工具来创建开缝隙的接地板。按住【Ctrl】键，选择图所示中创建好的缝隙与接地板，执行菜单命令【Edit】→【BooleanLogical】，弹出“BooleanLogicalOperationBetweenLayers”对话框，如图6所示。Cond2层的图形减去cond1层的图形，布尔减之后的图形选择cond2作为其Layout层。做完布尔减之后的图形如图4所示。如图5所示是将cond2层在层设置中改成实心显示后的图。从图中可以清晰地看出，在接地板的中心剪出了一个缝隙。课程设计说明书第6页共13页图4做完布尔减之后的接地板图5改为实心显示后的接地板（4）创建微带馈线模型首先用ADS中的Linecacl工具计算50Ohm的线宽和100Ohm的线宽。经过Linecacl计算，50Ohm的线宽为5.3mm，100Ohm的线宽为1.54mm。按照图1所示的馈线尺寸，可以使用矩形工具或多边形工具，仿照前面方法创建微带馈线，如图6所示。确保馈线的层属性为cond1,如果Layout层不是cond1，请按前面的方法在属性对话框中将其改为cond1。图6微带缝隙天线模型课程设计说明书第7页共13页（5）创建微带基板设置执行菜单命令【Momentum】→【Substrate】→【Creat/Modify】,在弹出的对话框里设置基板的基本参数。将介质板的厚度设置为1.6mm，介质板的介电常数设为2.3，损耗角正切设置为0.0018，如图7所示。图7设置基板参数（6）Layout层映射选择“LayoutLayers”标签页，如图8所示，将cond1、cond2分别粘贴在介质板两面上，完成映射后，单击【OK】按钮。（7）端口设置①单击工具栏中的图标，分别在cond1层及cond2层上添加一个端口。注意：端口所在的Layout层必须和其对应的物体在同一层上，如果端口要加在cond1层上，那么该端口的Layout层属性也要设置成cond1。课程设计说明书第8页共13页②执行菜单命令【Momentum】→【PortEditor】，然后回到Layout工作区，单击添加的端口，将Port1的类型设置成“Internal”，将Port2的类型设置成“GroundReference”。图8Layout层映射（6）S参数仿真设置①执行菜单命令【Momentum】→【Simulation】→【S-parameters】，弹出S参数仿真控制界面，在仿真控制界面上设置频率起始点。②单击【Simulate】按钮，进行S参数仿真。电磁仿真需要的时间和天线的尺寸有很大的关系，天线越大，仿真需要的时间越长。最终仿真的S参数如图9所示。从图中可以看出，该天线的中心频率为880MHz，中心频率出的S11达到-35.297dB，带宽范围为836～924MHz，相对带宽达到5%。课程设计说明书第9页共13页图9仿真后的S11性能工程上习惯看电压驻波比（VSWR）,因此需要在ADS中编辑VSWR公式，将S11性能转化为VSWR性能。在数据显示窗口中，单击图标，并将其拖曳到空白的工作区，在公示栏中输入VSWR公式。编辑完VAWR公式之后，单击【OK】按钮。回到工具栏单击图标，将其拖曳到空白的工作区。最终的VSWR曲线如图10所示。图10仿真后的S11性能课程设计说明书第10页共13页（6）后处理执行菜单命令【Momentum】→【Post-processing】→【RadiationPattern】，在弹出的对话框中选择所需要考察的频率、可视方式、激励源幅度和相位、端口阻抗，单击【Compute】按钮进行运算。在右侧显示区中可以观察到天线的三维图及远场三维方向图，如图11所示。图11f=880MHz的远场方向图在“SolutionSetup”里面将频率选择为880MHz，并在画图属性对话框中选择电流显示方式为带箭头显示，电流幅度按照对数尺度显示。在右边的显示图像区域可以看到电流分布，如图12所示。课程设计说明书第11页共13页图12f=880MHz缝隙天线的电流分布通常选取两个正交面来描述天线，这里将画出XOZ面和YOZ面的二维图。执行菜单命令【Momentum】→【Post-processing】→【RadiationPattern】，在弹出的对话框中选择可视方式为2D方式。选择“2DSettings”标签页，在图中设置XOZ面和YOZ面。其中，XOZ面对应着切割角度为00，YOZ面对应着切割角度为900。以XOZ面为例，设计得到如图13所示的XOZ面上二维特性和图14所示的XOZ面上的极化特性。-150-100-50050100150-2002002030401050THETAMag.[dB]图13XOZ面上二维特性图14XOZ面上的极化特性