微带天线的设计与仿真论文2.docx
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微带天线的设计与仿真论文2
2015届《微波射频》
课程设计
《微带天线设计与仿真》
学生姓名邹海洋
学号5021211133
所属学院信息工程学院
专业通信工程
班级通信工程15-1
指导教师石鲁珍
教师职称讲师
塔里木大学教务处制
目录
微带天线的设计与仿真-3-
摘要-3-
关键词:
微带天线ADS2009-3-
微带天线的设计背景知识-3-
1、微带天线的基础知识:
-3-
1、微带天线主要的优点:
-3-
2、微带天线的主要的缺点:
-3-
2、矩形微带天线:
-4-
3、工程设计方法-4-
4、主要技术指标-5-
矩形微带天线设计-6-
1、几何参数计算-6-
2、微带天线具体设计与仿真的ADS仿真步骤:
-8-
微带天线匹配优化设计-12-
1、设计步骤:
-12-
总结:
-15-
参考文献:
-15-
微带天线的设计与仿真
摘要
天线是无线电设备的重要组成部分,其主要的功能是将电磁波发射只空气中或从空气中接收电磁波,所以天线也可视为射频收发电路与空气的信号耦合器。
天线性能的好坏直接影响无线电设备的性能。
微带天线是近30年来逐渐发展起来的一类新型天线。
其体积小、质量小、结构简单等特点等优点被广泛用于微波通信接收系统级测量领域中。
由于现在在学习ADS2009,自我感觉设计微带天线的设计与我学习的专业相关性比较大。
对天线的参数设计不但加强我对与电磁场与电磁波以及ADS2009的掌握能力,对于锻炼自己的能力有很大的作用。
关键词:
微带天线ADS2009
微带天线的设计背景知识
1、微带天线的基础知识:
早在1953年就提出了微带天线的概念,但是为引起重视。
直到1970年左右由于材料科学的发展使微带天线的发展有了长远的进步。
按结构特征我们把微带天线分为两个大类,即微带贴片天线和微带缝隙天线;按形状分析可以分为矩形、圆形、环形等。
按工作原理分类,可以分为两类:
谐振型和非谐振型,与微波天线相比微带天线有如下的特点。
1、微带天线主要的优点:
(1)体积小,质量小。
(2)具有平面结构,并可以制成与导弹、卫星载体表面共型的结构。
馈电网络可与天线结构一起制成,适合用于印刷电路技术的大批量生产。
(3)能与有源器件和电路集成成为单一的模块。
(4)便于获得圆极化容易实现双频段、双极化等多项功能工作。
2、微带天线的主要的缺点:
(1)频带窄。
(2)有导体和介质耗损,并且会激励表面波,导致辐射效率低。
(3)功率容量小,一般用于中、小功率场合。
(4)性能受基片材料影响较大。
不过,以发展了不少技术来克服或减少上述缺点。
当然,这一性能的改进往往以牺牲其他的特性作为代价的。
微带天线现在以大量运用于100MHz到1000MHz的宽广频域上的大量无限电设备中,特别是在飞行器与地面便携式设备中。
要求低坡面的场合,即使微波天线的一些性能不如常规天线,也往往被优先的选用。
随着微带天线的材料、设计和加工工艺的不断提升,其运用也在不断的加强。
微带天线拥有如上的优点使其在很多领域替代了传统的常规天线,成为一些民用于商用设备,特别是便携式设备的更新换代产品。
2、矩形微带天线:
通常把贴片形状为矩形的微带天线,称其为矩形微带天线。
常用的矩形微带天线的分析设计方法分为传输模发和谐振法。
传输模发的思路是把矩形块等效为辐射阻抗加上一段很宽的微带线,由于设计公式近似且需要实验调整,这种方法是不准确的。
然而谐振法是把微带天线看做具有屏蔽的封闭腔体,这种方法精度好,但是设计成本高。
3、工程设计方法
在工程上,微带天线用传输模式近似设计,很宽的微带线沿横向式
谐振得的。
在贴片下面,电场沿谐振长度正玄变化,假定电场沿宽带W方向不变化,并且天线的辐射的宽度的边沿。
辐射边沿可以看做用微带传输线连接起来的辐射槽。
单个辐射槽的辐射电导为
单个辐射槽的辐射电纳为
式中,
是宽度W的微带特性阻抗,
是有效介电常数,
是边沿电容引起的边沿延伸。
边沿电场盖住了微带边沿,等效为贴片长度增加。
为了计算天线的辐射阻抗,天线可以等效为槽阻抗与传输线级联。
输入导纳为
式中,Y=
微带线内传输常数。
谐振时,
式中仅剩两个电导,即
微带天线的工作频率与结构参数的关系如下
W不是很关键,通常按照下式确定
4、主要技术指标
描述微带天线能量转换和方向特性的电参数有很多,诸如输入阻抗、辐射电阻、方向图、方向系数、增益、效率、频带特性和极化特性等。
微带天线的电参数决定于天线的形式和工作频率,根据一定的天线结构和工作频率计算其电参称为天线分析。
根据用途和工作频率对天线电参数提的设计要求设计天线形式称为天线设计与天线综合。
(1)增益G
式中,
为被测天线距离R处所接收到的功率密度;
为全向天线距离R处所接受到的功率密度。
增益表示天线方向性好坏的重要指标。
(2)输入阻抗
式中,
为在馈入点上的射频电压;I为在馈入点上的射频电流。
(3)驻波比VSWR
天线是单口网络,输入驻波比或反射系数是一个基本指标,为了使天线辐射尽可能的多的功率,必须使天线与空气匹配,输入驻波比尽可能的小。
阻抗、驻波比与反射系数的关系为
(4)辐射效率
式中,
为天线辐射出的功率;
为馈入天线的功率。
(5)旁瓣在主辐射波旁边还有很多旁瓣,沿角度方向展开。
其中HPBN为半功率波束宽度,辐射最大功率下降为3dB时的角度;FNBW为第一零点波束宽度:
SLL为旁瓣高度,是辐射最大功率与最大旁瓣的差。
矩形微带天线设计
用陶瓷基片
=9.8,厚度h=1.27mm。
在设计在3GHz附近工作的矩形微带天线,输入阻抗为50欧。
1、几何参数计算
根据线面的方程式计算相关的矩形天线的几何参数,
馈线的宽度可以由ADS2009自带工具LineCalc软件计算,如下图
图1LineCalc软件启动
(1)启动后,跳出主界面,得到2图
图2LineCalc主界面
(2)在“ComponentType”中选择“MLIN”,设置相关的参数,运行结果:
图3运行结果与显示界面
结论:
从计算结果可以得到新加的馈线的宽度为1.23mm,长度为3mm。
2、微带天线具体设计与仿真的ADS仿真步骤:
(1)进入ADS2009后,创建新工程,我命名为:
weidai1
(2)单击主界面的新建数据显示窗口,创建Layout文件,如下图所示
图4Layout仿真主界面
(3)单击鼠标右键执行菜单命令preferences/layoutUnits,.设定度量单位为mm。
一般在ADS2009中,度量单位的默认值为mil,如图所示
图5修改单位设置
(4)执行菜单命令Momentum/Substrate/create/Modify,在“SubstrateLayer”,标签里,保留“FreeSpace”和“////GND////”的设置不变,选中”Alumina”层,修改设置介质层。
选中“LayoutLayer”标签,在“Thickness”栏后面设置微带线板厚度为0.018mm。
图6修改参数图
(1)在“TLines-Microstrip”标签,选中Mlin控件设计。
图7矩形微带天线版图
(2)在进行Layout仿真之前,先进行预设。
执行菜单【Momentum】/【Mesh】/【Setup】,选择“Global”标签,设置相关参数。
图8仿真参数设置
(3)执行命令【Momkentum】/【Simulation】/【S-parameter】,弹出仿真设计窗口,其相关频率设为2.5GHz、3,5GHz、步长为0.05GHz.添加后运行。
图9频率设置
图10运行界面
图10运行后得到的结果
结果分析:
由图10可见,理论上的计算结果与实际的仿真结果还是相当的不错的,中心频率约为3GHz。
中心频率处反射系数S11比较大,匹配不理想。
在3GHz处,m2距离原图上的坐标原点还有相当的距离。
输入阻抗为Z0*(0.116-j0.551)=5.8-j27.55
.为进一步减小反射系数,达到理想的匹配,并且使中心频率更加精确,可以在原理图中进行匹配。
微带天线匹配优化设计
天线在3GHz下的输入阻抗是Z0*(0.116-j0.551)=5.8-j27.55
.可以等效为一个电阻和电容的窜联。
根据电路的相关知识,R=5.8
,C=1.9pF。
匹配的原理是,在天线信号输入端,窜联一根50
传输线,使得S11参数在等反射系数源旋转,达到g=1的等电导圆,然后再并联一根50
的传输线,将S11参数转移到近0处。
所需要计算的就是窜联传输线和并联传输线的长度。
1、设计步骤:
(1)新建原理图文件,命名为:
weidai2
(2)选择相关的控件进行电路连接。
连接后的图像我得到以下的图像:
图11微带天线等效电路
(3)其中,TL1和TL2进行优化,其图像如下:
图12优化参量的设置
由于其设计较为有难度在这里表示出来,下面的一般就不在表述。
图13改参数后的图
(4)添加goal控件以及相关的参数,同时增加相关的OPTIM器件。
得到如下的图像:
图14相关等效图
(5)仿真得到的图形为如下:
图15运行结果
(6)进行优化,将OPTIM叉掉得到如下的图形:
图16新的优化图形
最后我得到的图像为:
图17优化后的图像
结论分析:
与以前的微带天线没有匹配的仿真图形相比,我们可以得到以下的东西:
从图中M1数据可以看出中心频率3GHz的S11参数已经达到了-50.789,M2在阻抗圆上接近圆心,输入阻抗基本匹配。
总的来说就是达到了实验的要求。
总结:
在本次的课程设计中,遇到的问题很多,学习到的东西也很多。
我们不但要善于跟着老师去学习,我们也要要学会自主学习的学习,这是我们以后必须要学会的东西。
做工程最接近于实际,只有在实际工程中,我们会面临很多问题,我感觉我们只有解决这个问题。
学习解决实际问题是最重要的事,在这次课设中我不断的发现问题,解决问题,我感觉我收获很大。
参考文献:
【1】牛纲编著电路设计与仿真100例[M]电子工业出版社2011.9.
【2】车向前穆秀青编著ADS2009射频电路设计与仿真[M]电子工业出版社2010.6
【3】
【4】
【5】
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- 关 键 词:
- 微带 天线 设计 仿真 论文