2GHz矩形微带贴片天线设计要点.docx
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2GHz矩形微带贴片天线设计要点
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:
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):
理学院基层教课单位:
电子信息科学与技术13
电子信息科学
学号学生姓名张凤麒专业(班级)
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
中心频率2GHz,FR4介质基板Er=4.4、、tanδ
术
参
数
设
完成矩形微带贴片天线的建模、仿真、调试。
熟习
ADSMomentum的基本使用,
计
掌握矩形微带贴片天线的原理、结构及设计方法。
要
求
工
作18个工作日
量
工
1-7工作日:
矩形微带贴片天线的工作原理及结构,采集相关的设计资料。
作
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。
计
3-5工作日:
总结设计结果结论,撰写设计说明书。
划
参
[1]
M.M,拉德马内斯《射频与微波电子学》
北京科学第一版社
考
[2]
联繓仪《微带天线》
清华大学第一版社
资[3]毛乃宏、供新德《天线丈量手册》国防工业第一版社
料
陈艳华《ADS应用详解》
[4]
人民邮电第一版社
指导教师署名
基层教课单位主任署名
说明:
此表一式四份,学生、指导教师、基层教课单位、系部各一份。
年
月
日
燕山大学课程设计评审建议表
指导教师考语:
成绩:
指导教师:
年月日
争辩小组考语:
成绩:
评阅人:
年月日
课程设计总成绩:
争辩小构成员署名:
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
TheDesignofRectangularmicrostrippatchantennawithADS
大纲:
本文研究了通讯系统中的矩形微带贴片天线。
第一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:
Thispaperstudiestherectangularmicrostrippatchantennaincommunicationsystem.Firstly,thebackgroundofrectangularmicrostrippatchandthedesignconsiderationsofmicrostripfeedareintroduced.Themicrostrippatchantennastructureandcorrespondingparametersof2GHzrectangularmicrostrippatchantennaaresimulatedandoptimizedbyADS,andthecorrespondingtechnicalindexisreachedasfaraspossible.
要点词:
矩形微带贴片天线ADS设计
Keyword
ADS
design
:
Rectangularmicrostrippatchantenna
一.矩形微带贴片天线的背景
微带贴片天线因为拥有质量轻、体积小,易于制造等长处,当今已经广
泛应用于个人无线通讯中。
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,此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征,比方矩形,圆形,椭圆形,三角形、半圆形、
正方形等比较规则的几何形状,此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。
自然在实质应用中,也有矩形和圆形
贴片达不到要求的状况,这就促使了人们对各种几何形状微带贴片天线的研
究。
本文采纳矩形贴片来研究微带天线。
二.基根源理
图1显示出了采纳微带线进行馈电的矩形微带贴片天线几何和立体图形,
共9页第1页
燕山大学课程设计说明书
主要由最基层的接地板、中间的介质基板和最上边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含辐射元的长度L、
辐射元的宽度W、介质层的厚度hr和消耗角正切
tanδ。
矩形微带天线的长度L在理论上取值为λg/2。
W一般取值应小于λg/2,
当W大于λg/2时将会产生高次模而以致场的畸变。
对于工作在2.0GHz的矩形微带线,其介质波长λg=λ/Er=7.75cm,贴片的长度L=λg,
W 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,所以,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,因此可方便的一起光刻,制作简易。 但馈线自己也有辐射,从而搅乱天线方向图,降低增益,为此,一般要求微带线不可以宽, 希望微带线宽远小于波长。 因为天线输入阻抗不等于平时的50欧姆传输线阻抗,所以需要般配,采纳一段微带线进行阻抗变换实现般配。 基于ADS设计的矩形微带贴片天线如图2所示,包含最左侧的矩形辐射贴片、中间的微带阻抗变换节和右侧的任意长度的微带馈线。 共9页第2页 燕山大学课程设计说明书 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、相对介电常数和消耗角正切等参数,依据微带天线的技术指标: 谐振频率(ResonaceFrequency) 带宽(Bandwidth) 反射消耗(ReturnLoss) 输入阻抗(Impedance) 增益(Gain) 用ADS电磁仿真软件进行仿真和调理,快速地设计出满足系统要求频带的天线。 本文设计的天线是设计在相对介电常数为,厚度为,消耗角正切值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 ,宽度为30mm;微带阻抗变换节的长宽分别为、;微带馈线的长宽为、;激励端口P1的参照是GND地平面, 共9页第3页 燕山大学课程设计说明书 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,该模型采纳的是单面覆铜 板,在Layout中设置cond层为贴片。 2.层定义 经过层定义Momentum=>Substrate=>Create/Modify设置SubstrateLayer 及MetallizationLayers相关参数。 3.端口定义 经过端口定义即Moumentum=>PortEditor,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— 3.0GHz可得: 共9页第4页 燕山大学课程设计说明书 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,但是S(1,1)参数性能很差, 远小于-10dB。 所以后续要进行般配及优化设计。 5.般配设计 在原理图窗口中由Tools=>SmithChart打开圆图般配窗口,设置天线的阻抗参 数选择微带线般配可得: 图5SmithChart用微带线般配 共9页第5页 燕山大学课程设计说明书 微带般配线的特色阻抗Z0为125Ohm电长度,由Linecalc计算匹 配微带线的物理尺寸和馈线的宽度。 在原理图中设计般配电路如图6: 图6矩形微带贴片天线的原理图般配 6.原理图S参数仿真 由Simulation可得S参数: S(1,1)=-45.888dB完整吻合设计要求 图7原理图般配电路的S参数 7.设置般配及馈线层 Layout中增添微带般配线及馈线,设置为cond层。 设计好的矩形微带贴 片天线模型如图8 共9页第6页 燕山大学课程设计说明书 图8矩形微带贴片天线模型 (2)天线模型S参数模拟 经过对S参数的模拟可得: 相对带宽(计算获得) 回波消耗 由Moumentum=>Simulation=>S-parameters可得: 图9矩形微带贴片天线的S参数 共9页第7页 燕山大学课程设计说明书 谐振点频率基本满足2GHz周边,反射消耗为dB(S(1,1))为 。 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%。 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整吻合设计要求。 (3)显示表面电流 1.矩形微带贴片天线由两段不一样宽度的微带线及金属贴片构成,信号从微带馈线端点馈入,在天线的贴片大将产生必定的电流分布,这类电流分部就是在天线四周空间激倡导的电磁场。 由Momentum=>Post-processing=>RadiationPattern,选择Current=>Set PortSolutionWeights,单击OK,而后选择Current=>PlotCurrents,分别选择0°、 90°、180°、270°天线表面电流。 由图可知: 由电流相位进行的不一样相位扫描刷新获得的成效,电流分布遇到相 位常数的影响。 几何结构的对天线表面电流有影响。 电流是如何在贴片结构中运动从而激倡导电磁场。 经过这类方法的修正比传统尝试多次加工和调整贴片或不停进行 切割要更为精确。 共9页第8页 燕山大学课程设计说明书 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=>RadiationPattern=>2Ddatadisplay. 由图中可得天线增益的实部Gain≈。 (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穷大的,大多数应用都近似满足这样的条件。 共9页第9页 燕山大学课程设计说明书 图12天线的三维辐射图 由Momentum=>Post-processing=>RadiationPattern=>FarField=>FarFieldPlot可得矩形微带贴片天线E面的三维方向图,由图可知体现对称全向的方 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=>RadiationPattern=>FarField=>Antennaparameters测.得的该矩形微带贴片天线的各项参数表如辐射功率为 ,增益为,方向性为6.17905等。 图13天线参数 2.经过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: 微带贴片的长度增大,谐振频率在较大幅度内减小。 微带贴片的宽度增大,谐振频率也会减小。 共9页第10页 燕山大学课程设计说明书 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讯和WLAN中得 到广泛的应用,这类天线从前的设计与解析是用等效电路大概的计算,在利用实验的方法调试直到满足为止。 而经过辅助软件的设计,研究微带馈电结 构的参数对天线宽频特征的影响,在理论计算的基础上选择合理的参数,试 制微带贴片天线,得测试结果与计算结果吻合较好。 本文实现了一种频率高,相对带宽大,驻波小,方向性好的微带贴片天 线,拥有质量轻、体积小,易于制造易与有源器件和电路集成为单一模块等 诸多长处。 五.参照文件: [1]M.M,拉德马内斯《射频与微波电子学》北京科学第一版社 [2]联繓仪《微带天线》清华大学第一版社 [3]毛乃宏、供新德《天线丈量手册》国防工业第一版社 [4]陈艳华《ADS应用详解》人民邮电第一版社 [5]康行健《天线原理与设计》北京理工大学第一版社 共9页第11页
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- GHz 矩形 微带 天线 设计 要点