实验四印刷偶极子天线的印刷偶极子天线的设计与调试设计与调试1（一）实验目的（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2（二）实验内容（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的印刷偶极子天线。n通过仿真分析该天线的性能。3（三）微带天线的技术指标（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)4（四）印刷偶极子天线简介四）印刷偶极子天线简介 结构图结构图 立体图 平面图5（四）印刷偶极子天线简介（四）印刷偶极子天线简介 组成部分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61.8GHz印刷偶极子天线的尺寸印刷偶极子天线的尺寸偶极子天线臂 Ld=29mm Wd=6mm Gap g2=3mm 微带巴伦 Lb=25mm Lh=3mm Gap g1=1mm Wf=3mm Wb=5mm Wh=3mm 通孔 r=0.4mm 地板 Lg=12mm Wg=19mm 7（五）五）ADS软件的使用软件的使用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。n下面开始按顺序详细介绍ADS软件的使用方法。8ADS软件的启动软件的启动n启动ADS进入如下界面9创建新的工程文件创建新的工程文件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10创建新的工程文件（续）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11Layout中的背景设置中的背景设置 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。 12在在LayoutLayout中绘制天线中绘制天线 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 13在在LayoutLayout中绘制天线中绘制天线 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。 同样，点击鼠标右键的“measure”，可以测量相对尺寸，如右图： 14在在LayoutLayout中绘制天线中绘制天线完成对底层cond2的全部设计，如下图 15在在LayoutLayout中绘制天线中绘制天线 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： 16在在LayoutLayout中绘制天线中绘制天线 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17在在LayoutLayout中绘制天线中绘制天线 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。 18层定义层定义 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： 将地面GND的边界由Closed改为Open（1 1），然后点击左下角的Add，增加一层Alumina_0（2 2），并且把这一层重新定义如下所示（3 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 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： 1920212223层定义层定义Metallization LayerMetallization Layer设置设置 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。24层定义层定义Metallization LayerMetallization Layer设置设置 在Conductivity中填电导率，Thickness中填金属厚度。其中铜的电导率为5.78E006，厚度为0.018mm。在这些都设置结束以后点击Apply 和 OK就可以了。 25端口定义端口定义有两个解决的办法，采用：v两个Differential port v一个Internal port 配合一个 Ground Reference Port 由于在前面的层定义中取消了GND，所以不能定义Single Port（Not Available）本例中采用第二种方案26端口定义端口定义 选中 加Port。第一个ort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。27端口定义端口定义可以双击端口对端口进行修改 ，选择Port对应的层：28端口定义端口定义 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： 29在Layout中设计天线全貌30参数仿真参数仿真MeshMesh设置设置 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。31参数仿真参数仿真选择Momentum中的SimulationSparameters 出现一个对话框如右图。在Sweep Type 中可以选择Single，Adaptive，Linear 32参数仿真参数仿真 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adaptive33参数仿真参数仿真如下图对S参数仿真进行设置：点击update，Simulate，开始仿真。34参数仿真参数仿真仿真结果：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 35天线的带宽天线的带宽 对于VSWR1.5,天线带宽为13%(1.683GHz1.917GHz) 对于VSWRPost 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+j1.8 点击Compute。37观察表面电流的分布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：38天线的辐射方向图 E E Theta E Phi39观察天线的增益观察天线的增益 选择Momentum=Post Processing=Radiation Pattern-2D Data Display,然后点击Compute,得到：40观察天线的增益观察天线的增益41观察天线的观察天线的2维维 E面面vPlanar 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42观察天线的观察天线的2维维 E面面 首先，观测Planar Cut（垂直极化）。在Far Field Cut 3D Far Field,设置如下图： 43E 平面平面 垂直截面垂直截面 Phi=900 E E Theta E Phi44E 平面平面 水平截面水平截面 Theta=450 E E Theta E Phi同样的方法可以得到水平截面下的二维E平面45天线参数的优化天线参数的优化 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行优化，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。下面就天线的带宽通过调节偶极子宽度Wd进行优化，目的演示优化的过程。46天线参数的优化天线参数的优化 选择Momentum-Optimization- parameters,进入优化参数设置对话框：在nominal Value填入4，表示优化的Wd的起始值，Perturbed Value表示优化的终止值。47天线参数的优化天线参数的优化 单击add，会弹出一个新的窗口提供有关设置参数的信息，点击OK。一个新的Layout窗口将会自动弹出。 由于我们是对偶极子天线臂宽进行设置，先用Ctrl鼠标选中天线臂的四个角。 如下图：48天线参数的优化天线参数的优化 选择Edit- Move- Move Relatively.在新弹出的对话框中填入如下图 表示相对位移为Y轴正向移动6mm，点击Apply。 可以从Layout图中看出Wd变为了10mm 单击Save Design。 回到原Layout中单击OK，完成参数的定义，同时，新产生的Layout图会自动关闭。49天线参数的优化天线参数的优化 选择Momentum-Optimization- Goal,设置优化的目标，如下图：点击Add，然后点击OK，结束对于优化目标的设置50天线参数的优化天线参数的优化 选择Momentum-Optimization- Run运行优化，如下图：在这里，我们选用默认设置。然后，点击左下角的Start开始进行优化。并弹出如下对话框：51天线参数的优化天线参数的优化 当优化运行完毕之后，得到优化后的Wd的参数52天线参数的优化天线参数的优化n对于其他参数的优化可以采用类似的方法。n但是，对于优化的条件过于苛刻时，优化将不能正常进行，ADS将不能实现优化的目标，而只能取接近优化目标的值53天线的实物图天线的实物图天线的正反面图54思考题思考题v 尝试同时设置多个参数（如Wd和Lb）对同一个目标（如反射损耗）进行优化。v 用ADS分析天线的各个参数（偶极子天线臂长Ld、宽Wd，巴伦线长Lb，地板长Lg、宽Wg）对于天线性能（谐振频率、带宽、匹配、反射损耗等）的影响。v讨论进一步减小天线尺寸的方法。55