用ADS设计微带天线
用ADS 设计微带天线
一、原理
本微带天线采用矩形微带贴片来进行设计。
假设要设计一个在2.5GHz 附近工作的微带天线。我采用的介质基片,
εr= 9.8, h=1.27mm。理由是它的介电系数和厚度适中,在2.5GHz 附近能达到较高的天线效率。并且带宽相对较高。
c ⎛εr +1⎫
由公式:W = ⎪
2f r ⎝2⎭
-1/2
=25.82mm
贴片宽度经计算为25.82mm 。
εe =
εr +1εr -1⎛
2
+
12h ⎫ 1+⎪2⎝w ⎭
-1/2
=8.889;
(ε+0. 3)(w /h +0. 264)∆l
∆l=0.543mm; =0. 412e
εe -0. 258w /h +0. 8h
可以得到矩形贴片长度为:
L =
c 2f r e
-2∆l =18.08mm
馈电点距上边角的距离z 计算如下:
12G
=Y in (z ) ==250cos (βz )
2
R r cos (
2
2πe
λ0
⨯z )
R r =
90λ20
2
(W
得到:z=8.5966mm
利用ADS 自带的计算传输线的软件LineCalc 来计算传输线的宽度,设置如下:
计算结果:在这类介质板上,2.5GHz 时候50Ω传输线的宽度为1.212mm 。 二、计算
基于ADS 系统的一个比较大的弱点:计算仿真速度慢。特别是在layout 下的速度令人 无法承受,所以先在sonnet 下来进行初步快速仿真。判断计算值是否能符合事实。
sonnet 中的仿真电路图如下:
S11图象如下:
可见,按照公式计算出来的数据大致符合事实上模拟出来的结果。但是发现中心频率发生了偏移,这主要是由于公式中很多的近似引起的。主要的近似是下面公式引起
R r =
90λ20
2
(W
因为计算的时候没有符合W
由于较为符合设想的结果,下面是本人利用ADS 软件来进行天线的计算: 首先,打开一个layout 文件,设定其单位如下:
然后打开Momentum/Substrate/Create/Modify,参数设置如下:
再设置Metallization Layers上参数如下;
原始图画如下:
各个参数定义如图,经过仿真,得到如下图象:
得到了和sonnet 仿真类似的图象,此时在2.5GHz 下,S11=Z0(3.118+j4.771) 然后进行远区场的模拟(在2.5GHz 时候):
主要的功率增益,方向性系数和效率图如下:
在0度的时候,天线增益为4.142dB ,方向性为5.702dB 。 由于天线中心不是在2.5GHz 下,并且反射系数最小值也有-2.807dB 。所以要进行匹配。 三、匹配
打开一个Schematic 文件,将天线输入阻抗等效为一个纯电阻与一个电感串联后接地。在2.5GHz 条件下,采用L 型网络匹配方式。具体为串联一根50欧姆传输线,使得S11参数在等反射系数圆上旋转,到达g=1的等g 圆上,然后再并联一根50欧姆传输线,将S11参数转移到接近0处。具体电路匹配如图所示:
此时匹配后的输出S11为0.027,如下所示
此时已经差不多实现了匹配,接下来将它画入电路板中。如图,实现了最终的电路图。
其中在电路的左端加一端50欧姆阻抗线,为了方便输入。它的长度任定,这里取1~2mm 。用计算机模拟,得到输出S11图象如下:
可见此时天线已经实现了匹配,天线的中心在2.5GHz ,它的大小为0.1。 带宽大致为60MHz 左右,相对带宽为:2.4% 再次看天线的远处辐射场,如图:
作为与前面的增益相对照,发现大致和匹配前相似,有略微减小是因为导线对电磁波的损耗引起的。 四、体会
用ads 制作天线能够达到高精度,它与sonnet 的不同在于它可以进行阻抗匹配的计算,
使得天线更能符合实际的要求。
由于ADS 仿真比较慢,因此在初步设计的时候最好先用sonnet 进行仿真,然后利用ADS 的匹配工具进行匹配。便能方便精确的设计出一个好的天线。
从这个天线的设计中也可以发现,矩形贴片微带天线的带宽相对较小,这样就对下面的滤波器的设计提出了更高的要求。
陶瓷9.8,w=26.4mm,L=19.2mm,微带L=13、8.7mm ,W=0.23mm,所出参数如下:
d B (S (1, 1) )
freq, GHz
S (1, 1)
freq (2.000GHz to 2.900GHz)
Linear Polarization
E_coE_cross
Axial Ratio
050-10
40
]
-20]
B B d 30-30d [[ . . g g a a M -40M 20-5010-60
-100-80
-60
-40
-20
20
40
60
80
100
-100
-80
-60
-40
-20
20
40
60
80
100
THETA
THETA
[1**********]590
90
]
]
g e 45g e 45d d [ e 0[ e 0s s a h -45a h -45P P -90-90-135-135-180
-180
-80
-60
-40
-20
20
40
60
80
-80
-60
-40
-20
20
40
60
80
THETA
THETA
Circular Polarization
E_leftE_right
Axial Ratio
050
-10
]
-20]
45
B B d d [-30[ . . g g a a M -40M 40
-50-60
35-100-80
-60
-40
-20
20
40
60
80
100
-100
-80
-60
-40
-20
20
40
60
80
100
THETA
THETA
[1**********]590
90
]
]
g 45g e e 45d d [0[ e e 0s s a -45a h h -45P P -90-90-135-135-180
-180
-100
-80
-60
-40
-20
20
40
60
80
100
-100
-80
-60
-40
-20
20
40
60
80
100
THETA
THETA Absolute Fields
Etheta Ephi
Htheta
Hphi
1
3E-31E-3
]
1E-1
]
V A [[ . . g g a a 1E-4
M M 1E-2
1E-5
-100
-80
-60
-40
-20
20
40
60
80
100
-100
-80
-60
-40
-20
20
40
60
80
100
THETA THETA
[1**********]590
90
]
]
g g e 45e 45d d [ e 0[ e 0s s a h -45a h -45P P -90-90-135-135-180
-180
-80
-60
-40
-20
20
40
60
80
-80
-60
-40
-20
20
40
60
80
THETA
THETA
Effective Area
4E-41E-4]
]
B 21E-5d [m [. g . a g 1E-6M a M 1E-71E-8
-100
-80
-60
-40
-20
20
40
60
80
100
THETA
THETA
Efficiency Radiated Power
1002E-3901E-380]
70d 1E-4e
a g a 60r e t t n 50s /1E-5e r c e 40W [ . P 30g a 1E-620M 101E-7
-100
-80
-60
-40
-20
20
40
60
80
100
-100
-80
-60
-40
-20
20
40
60
80
100
THETA THETA
THETA=2.000
10*log10(real(Directivity))=5.653Max
M a g . [d B ]
THETA
Linear Polarization
]
B d [ . g a M THETA
18013590
]
g e 45d [ e 0s a h -45P -90-135-180
-100
-80
-60
-40
-20
020
40
60
80
100
THETA
Axial Ratio
5040
]
B d 30[ . g a M 20100
-100
-80
-60
-40
-20
20
40
60
80
100
THETA
18013590
]
g e 45d [ e 0s a h -45P -90-135-180
-100
-80
-60
-40
-20
20
40
60
80
100
THETA
Absolute Fields
]
V [ . g a M THETA
18013590
]
g e 45d [ e 0s a h -45P -90-135-180
-100
-80
-60
-40
-20
020
40
60
80
100
THETA
Htheta
Hphi
3E-31E-3
]
A [ . g a M 1E-4
1E-5
-100
-80
-60
-40
-20
20
40
60
80
100
THETA
18013590
]
g e 45d [ e 0s a h -45P -90-135-180
-100
-80
-60
-40
-20
20
40
60
80
100
THETA
Circular Polarization
E_leftE_right
0-10
]
-20B d [ . g -30a M -40-50-60
-100
-80
-60
-40
-20
020
40
60
80
100
THETA
18013590
]
g e 45d [ e 0s a h P -45-90-135-180
-100
-80
-60
-40
-20
020
40
60
80
100
THETA
Axial Ratio
50
]
45
B d [ . g a M 40
35-100
-80
-60
-40
-20
20
40
60
80
100
THETA
18013590
]
g e 45d [ e 0s a h P -45-90-135-180
-100
-80
-60
-40
-20
20
40
60
80
100
THETA
]
B d [ . g a M THETA
Efficiency
[***********]0100
-100
-80
-60
-40
-20
20
40
60
80
100
THETA
Effective Area
4E-41E-4
]
21E-5m [ . g a 1E-6M 1E-71E-8
-100-80
-60
-40
-20
20
40
60
80
100
THETA
Radiated Power
2E-31E-3
]
d a 1E-4r e t s /1E-5[W . g a 1E-6M 1E-7
-100
-80
-60
-40
-20
20
40
60
80
100
THETA
P e r c e n t a g e
S11
M a g . [d B ]
Frequency m1
freq=2.436GHz
dB(wdai1_mom_a..S(1,1))=-13.216Min
S11
200100
P h a s e [d e g ]
0-100-200
2.0
2.2
2.4
2.6
2.8
3.0
Frequency
S11
freq (2.000GHz to 2.900GHz)