2.2G矩形微带贴片天线的设计与仿真1

课程设计说明书题目：2.2G矩形微带贴片天线的设计与仿真学院（系）：年级专业：学号：学生姓名：指导教师：教师职称：燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：基层教学单位：学号学生姓名专业（班级）设计题目2.2G矩形微带贴片天线的设计与仿真设计技术参数1.FR4介质基板（4.4Er，mmh6.1，02.0tan）2.工作频率为2.2GHz3.矩形微带天线相对宽度大于1%4.天线馈线阻抗为50Ohm设计要求1.用FR4介质基板（4.4Er，mmh6.1，02.0tan）在ADSLayout中设计一个工作在2.2GHz，相对宽度大于1%的矩形微带天线，采用微带馈电方式，馈线阻抗为50Ohm2.了解未带天线设计的基本流程，掌握矩形微带天线的设计方法3.熟练掌握ADSMomentum在微带天线设计中的使用方法工作量两周工作日左右每个工作日四到六小时工作计划2011/11/07-2011/11/10选定课题并查阅相关资料2011/11/11-2011/11/14设计课题步骤并上机实践2011/11/15-2011/11/17整理数据，完成分析2011/11/18-2011/11/20撰写课程设计任务书参考资料[1]徐兴福.ADS2008射频仿真电路设计.电子工业出版社.2009[2]陈艳华李朝晖夏玮.ADS应用详解——射频电路设计与仿真.人民邮电出版社,2008.9[3]黄玉兰.ADS射频电路设计基础与典型应用.人民邮电出版社，2010.1[4]美I.J.鲍尔P.布哈蒂亚著，梁联倬等译，微带天线.年电子工业出版社1985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：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共页第页2.2G矩形微带贴片天线的设计与仿真2.2Grectangularmicrostrippatchantennadesignandsimulation摘要：利用ADS2009软件设计矩形微带贴片天线，通过采用简单明了的传输线模型，建立微带线嵌入馈电贴片天线的精确模型并对之进行分析已成为可能。另外，通过应用曲线拟合公式，也可以确定50Ohm输入阻抗所需的精确嵌入长度。馈电机制在微带贴片天线设计中扮演了重要角色。并在仿真中观察天线的三维图形。Abstract：TheuseofADS2009softwaredesignofrectangularmicrostrippatchantenna,throughtheuseofsimpletransmissionlinemodel,establishthemicrostrippatchantennaembeddedfeedaccuratemodelandcarriesontheanalysishasbecomepossible.Inaddition,throughtheapplicationofcurvefittingformula,itcandeterminetheinputimpedanceofthe50Ohmrequiredpreciseembeddinglength.Thefeedmechanisminthedesignofmicrostrippatchantennaplaysanimportantrolein.Andinthesimulationof3Dgraphicsonantenna.关键字：矩形微带贴片天线馈电方式天线分析软件仿真Keywords：RectangularmicrostrippatchantennaFeedmodeAntennaanalysisSoftwaresimulation燕山大学课程设计说明书共页第页序言：目前，在许多应用场合（如移动通信手机中）都需要体积小、重量轻的小型接收天线。微带贴片天线代表一系列的小型天线，以其剖面低、重量轻的优点而成为人们的首选。通过采用简单明了的传输线模型，建立微带线嵌入馈电贴片天线的精确模型并对之进行分析已成为可能。另外，通过应用曲线拟合公式，也可以确定50Ohm输入阻抗所需的精确嵌入长度。馈电机制在微带贴片天线设计中扮演了重要角色。微带天线可以由同轴探针或嵌入的微带线来馈电，同轴探针馈电在有源天线应用中具有优势，而微带线馈电则是适合于开发高增益微带阵列天线。在一个薄的介质基板上，一面覆上金属薄层作为接地板，另一面采用刻蚀地方法做出各种形状的贴片，利用微带或者同轴对贴片进行馈电，这就是最基本的微带贴片天线。正文：一.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。1.1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燕山大学课程设计说明书共页第页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。在通信领域还经常应用到极化分集，将两个极化正交的天线用来同时接受同一个信号，产生极化分集增益。若电场矢量具有两个不同幅度且相位相互正交的分量，则在空间某定点上合成的电场矢量的方向将以场的频率旋转，其电场矢量端点的轨迹为椭圆，而随着波的传播，电场矢量在空间的轨迹为一条椭圆螺旋线，这种波称为椭圆极化波。若电场矢量具有两个相同幅度且相位相互正交的分量，则空间某定点上合成的电场矢量的方向将以场的频率旋转，其电场矢量端点的轨迹为圆，此时称为圆极化波。1.2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，它是选择基站天线最重要的参数之一。一般来说，增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。天线增益对移动通信系统的运行质量极为重要，因为它决定蜂窝边缘的信号电平。增加增益就可以在一确定方向上增大网络的覆盖范围，或者在确定范围内增大增益余量。任何蜂窝系统都是一个双向过程，增加天线的增益能同时减少双向系统增益预算余量。另外，表征天线增益的参数有dBd和dBi。DBi是相对于点源天线的增益，在各方向的辐射是均匀的；dBd相对于对称阵子天线的增益dBi=dBd+2.15。相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。一般地，GSM定向基站的天线增益为18dBi，燕山大学课程设计说明书共页第页全向的为11dBi。1.3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。驻波比：它是行波系数的倒数，其值在1到无穷大之间。驻波比为1，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。在移动通信系统中，一般要求驻波比小于1.5，但实际应用中VSWR应小于1.2。过大的驻波比会减小基站的覆盖并造成系统内干扰加大，影响基站的服务性能。回波损耗：它是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。回波损耗的值在0dB的到无穷大之间，回波损耗越大表示匹配越差，回波损耗越大表示匹配越好。0表示全反射，无穷大表示完全匹配。在移动通信系统中，一般要求回波损耗大于14dB。1.4天线的波瓣宽度波瓣宽度是定向天线常用的一个很重要的参数，它是指天线的辐射图中低于峰值3dB处所成夹角的宽度（天线的辐射图是度量天线各个方向收发信燕山大学课程设计说明书共页第页号能力的一个指标，通常以图形方式表示为功率强度与夹角的关系）。天线垂直的波瓣宽度一般与该天线所对应方向上的覆盖半径有关。因此，在一定范围内通过对天线垂直度（俯仰角）的调节，可以达到改善小区覆盖质量的目的，这也是我们在网络优化中经常采用的一种手段。主要涉及两个方面水平波瓣宽度和垂直平面波瓣宽度。水平平面的半功率角（H－PlaneHalfPowerbeamwidth）45°,60°,90°等)定义了天线水平平面的波束宽度。角度越大,在扇区交界处的覆盖越好，但当提高天线倾角时，也越容易发生波束畸变,形成越区覆盖。角度越小，在扇区交界处覆盖越差。提高天线倾角可以在移动程度上改善扇区交界处的覆盖，而且相对而言，不容易产生对其他小区的越区覆盖。二.微带贴片天线的仿真现在利用FR4介质基板，设计一个工作在2.2GHz的窄带矩形微带贴片天线。进而熟悉微带贴片天线设计的基本流程，掌握ADSMomentum在微带天线设计中的使用方法。矩形微带贴片天线可以单独作为天线，也可以作为微带天线阵列的阵元，如果天线的增益比较小，可以考虑将微带贴片天线组成阵列。2.1设计仿真用FR4介质基板（4.4Er，mmh6.1，02.0tan）在ADSLayout中设计一个工作在2.2GHz，相对宽度大于1%的矩形微带天线，馈电方式为采用微带馈电。2.2分析燕山大学课程设计说明书共页第页矩形微带天线的长度L在理论上取值为2/g，W一般取值应小于2/g，当W大于2/g时将会产生高次模而导致场的畸变。对于工作在3GHz的矩形微带天线，其介质波长cmrg6.6，所以贴片长度cmLg3.32/，W取2.5cm。2.3ADS仿真步骤（1）新建一个工程打开ADS2008，新建一个工程并命名为“Patch_antenna”选择单位为“mm”，如图1所示。在该工程中新建一个Layout文件并命名为“Patch”。图1新建工程（2）创建贴片模型由于贴片天线的结构比较简单，因此只需要画出贴片部分，接地板可以使用ADS中默认的//////GND/////，因此Layout层设置可以忽略。对于多层天线，为了方便，通常进行Layout层设置，包括设置Layout层中图形显示方式和重命名Layout层。图形显示方式有三种，可以以实心图显示，以轮廓线显示，也可以两者都显示。当天线多层时，为了观察方便，通常选择一轮廓线方式显示。在工具栏中的当前层下拉列表中选择当前的Layout层为cond燕山大学课程设计说明书共页第页层。单击工具栏中的矩形工具，或者使用多边形工具。执行菜单命令【Insert】→【CoordinateEntry】，如图2所示。在弹出的坐标输入对话框中输入矩形初始点（0,0），单击【Apply】按钮，输入矩形终点（33,25），单击【OK】按钮，如图3所示。完成之后，可以看到在Layout里画好的贴片，如图4所示。图2输入坐标1图3输入坐标2燕山大学课程设计说明书共页第页图4Layout中的贴片（3）基板设置执行菜单命令【Momentum】→【Substrate】→【Creat/Modify】，在弹出的对话中设置基板基本参数，该基板有空气层、贴片层、FR4介质层，接地板组成。将“FreeSpace”重命名为“Air”，将介质层命名为FR4，并设置介质厚度为1.6mm，介电常数为4.4，以及损耗角正切为0.02.接地板不需要设置，ADS默认就有一层接地板，其固定形式为//////GND/////，如图3.6所示。（4）把Layout层映射到金属层把Layout层映射到金属层，也就是把Cond层粘贴到FR-4介质板上，在图3.6左上部分选择“LayoutLayer”标签页，如图5所示，在右方“Name”下拉列表中选择贴片所在Layout层Cond，将贴片粘贴在空气与介质板交界面上，单击【Strip】按钮完成贴片的粘贴。一般