1、燕山大學課程設(shè)計說明書題目：基于ADS勺矩形微帶貼片天線的設(shè)計學院（系）： 理學院年級專業(yè)：電子信息科學與技術(shù) 13學 號:130108040056學生姓名：張鳳麒任春宇指導(dǎo)教師：徐天賦教師職稱：副教授院（系）： 理學院基層教學單位：電子信息科學與技術(shù)13學號130108040056學生姓名張鳳麒專業(yè)（班級）電子信息科學 與技術(shù)13設(shè)計題目基于ADS的矩形微帶貼片天線的設(shè)計設(shè) 計 技 術(shù) 參 數(shù)中心頻率 2GHz, FR4介質(zhì)基板 Er 4.4、h=1.6mm tan 8=0.02設(shè) 計 要 求完成矩形微帶貼片天線的建模、仿真、調(diào)試。熟悉ADS Momentum勺基本使用，掌握矩形微帶貼片天線

2、的原理、結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法。工 作 量18個工作日工 作 計 劃1-7工作日：矩形微帶貼片天線的工作原理及結(jié)構(gòu)，收集相關(guān)的設(shè)計資料。2-6工作日：針對對給定技術(shù)參數(shù)。使用ADS進行模擬仿真、調(diào)試。3-5工作日：總結(jié)設(shè)計結(jié)果結(jié)論，撰寫設(shè)計說明書。參 考 資 料1 M.M ,拉德馬內(nèi)斯射頻與微波電子學北京科學出版社2聯(lián)幺最儀微帶天線清華大學出版社3毛乃宏、供新德天線測量手冊國防工業(yè)出版社4陳艷華 ADS應(yīng)用詳解人民郵電出版社指導(dǎo)教師簽字基層教學單位主任簽字說明：此表一式四份，學生、指導(dǎo)教師、基層教學單位、系部各一份。年月 日燕山大學課程設(shè)計評審意見表指導(dǎo)教師評語:成績：指導(dǎo)教師：年 月 日答辯小組評語

3、：成績：評閱人：年 月 日課程設(shè)計總成績：答辯小組成員簽字：年 月 日燕山大學課程設(shè)計說明書基于ADS的矩形微帶貼片天線設(shè)計The Design of Rectangular microstrip patch antenna with ADS摘要：本文研究了通信系統(tǒng)中的矩形微帶貼片天線。首先介紹了矩形微帶貼片的背景及微帶饋電的設(shè)計考慮。使用了安捷倫輔助仿真工具ADS對2GHz矩形微帶貼片天線結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的參數(shù)進行了設(shè)置仿真及優(yōu)化，盡可能達到其相應(yīng)的技術(shù)指標。Abstract : This paper studies the rectangular microstrip patch antenna

4、 in communication system. Firstly, the background of rectangular microstrip patch and the design considerations of microstrip feed are introduced. The microstrip patch antenna structure and corresponding parameters of 2GHz rectangular microstrip patch antenna are simulated and optimized by ADS, and

5、the corresponding technical index is reached as far as possible.關(guān)鍵詞：矩形微帶貼片天線ADS 設(shè)計Keyword： Rectangular microstrip patch antenna ADS design一.矩形微帶貼片天線的背景微帶貼片天線由于具有質(zhì)量輕、體積小，易于制造等優(yōu)點，現(xiàn)今已經(jīng)廣 泛應(yīng)用于個人無線通信中。微帶貼片天線由接地板、介質(zhì)基片和介質(zhì)基片上 的輻射貼片構(gòu)成的，其中輻射貼片可以是任意的幾何形狀，但是只有有限的 幾何形狀能計算出輻射特性，比如矩形，圓形，橢圓形，三角形、半圓形、 正方形等比較規(guī)則的幾何形狀，其

6、中矩形和圓形貼片的研究最多，可以作為 單獨的天線使用也可以作為陣元使用。當然在實際應(yīng)用中，也有矩形和圓形 貼片達不到要求的情況，這就促使了人們對各種幾何形狀微帶貼片天線的研 究。本文選用矩形貼片來研究微帶天線。二.基本原理圖1顯示出了采用微帶線進行饋電的矩形微帶貼片天線幾何和立體圖形，主要由最下層的接地板、中間的介質(zhì)基板和最上面的矩形輻射貼片以及微帶 阻抗變換節(jié)和微帶饋線構(gòu)成。與天線性能相關(guān)的參數(shù)包括輻射元的長度L、輻射元的寬度 W、介質(zhì)層的厚度hr和損耗角正切 tan 6 o矩形微帶天線的長度L在理論上取值為入g/2。W 一般取值應(yīng)小于入g/2, 當W大于入g/2時將會產(chǎn)生高次模而導(dǎo)致場的畸

7、變。 對于工作在2.0GHz的矩 形微帶線，其介質(zhì)波長 Xg=XI廬 =7.75cm,貼片的長度 L=入g/2=3.575cm, W<L 取 3.0cm圖1矩形微帶貼片天線幾何和立體圖形本文設(shè)計的矩形微帶貼片天線只在介質(zhì)基片的一面上有輻射單元，因此，可 以用微帶線或同軸線饋電。該天線利用微帶線進行饋，用微帶線饋電時，饋 線與微帶貼片是共面的，因而可方便的一起光刻，制作簡便。但饋線本身也 有輻射，從而干擾天線方向圖，降低增益，為此，一般要求微帶線不能寬， 希望微帶線寬遠小于波長。因為天線輸入阻抗不等于通常的 50歐姆傳輸線阻 抗，所以需要匹配，選用一段微帶線進行阻抗變換實現(xiàn)匹配。基于ADS

8、設(shè)計的矩形微帶貼片天線如圖2所示，包括最左邊的矩形輻射 貼片、中間的微帶阻抗變換節(jié)和右邊的任意長度的微帶饋線。圖2設(shè)計矩形微帶貼片天線模型三.矩形微帶貼片天線設(shè)計及仿真結(jié)果先利用天線工作頻率及介質(zhì)基板的參數(shù)，計算得出貼片的長度和寬度。 初步設(shè)計矩形貼片的模型，設(shè)置介質(zhì)基板的厚度、相對介電常數(shù)和損耗角正 切等參數(shù)，根據(jù)微帶天線的技術(shù)指標：諧振頻率(Resonace Frequency帶寬(Bandwidth)反射損耗(Return Loss)輸入阻抗(ImpedancR增益(Gain)用ADS電磁仿真軟件進行仿真和調(diào)節(jié)，快速地設(shè)計出滿足系統(tǒng)要求頻 帶的天線。本文設(shè)計的天線是設(shè)計在相對介電常數(shù)為4

9、.4,厚度為1.6mm,損耗角正切值0.02的基板上的中心頻率為2.0GHz矩形微帶貼片天線，貼片的長度為 35.75mm,寬度為30mm；微帶阻抗變換節(jié)的長寬分別為 9.40mm、0.37mm； 微帶饋線的長寬為9.11mm、3.10mm；激勵端口 P1的參考是GND地平面，端口阻抗設(shè)置為50Ohm。(1)矩形微帶貼片天線仿真過程1 .建模層選擇矩形微帶貼片天線在設(shè)計中考慮是單面天線，該模型采用的是單面覆銅 板，在Layout中設(shè)置cond層為貼片。2 .層定義通過層定義 Momentum=>Substrate=>Create/Modify 設(shè)置 Substrate Layer

10、及 Metallization Layers 相關(guān)參數(shù)。3 .端口定義通過端口定義即 Moumentum=>Port Editor,設(shè)置cond層端口 Port1可得在Layout中設(shè)計天線的全貌為：下中， h 4 HF*+1十T T T T T T T T T T T 十十年 十中 十 十十 *十 十 T T T T 十寸十4 4 44-曹 T* 4-fr + a ："：.：節(jié):餐渣:；：*銹:：-：.鏘：<；<-*1詠：*：:曲:呼"：*;：* 產(chǎn):中次:"： ：;：曲鏟;：¥3ssi£338&W：咨審BS8 必:

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17、稔著微勰談澎密瑞1 11iI 1卜4 -4 # 4+ 4-卜+ -1刷鬻物嬲也段獺1麹蠲爨鬣翳蠲嘉WISH蟋 + + +* + r11i 能患簿舞iiii繆1 期壁螂鞫睛蹩就* + +1 11*14 41 1卜4口陋瞬g翱麓器事瞬思豁爵嗓牌矍晨二建:金客'>''：* 中+ +k 4 一禺海網(wǎng)物甲卓潺 閨y；JJ.W WJU腎巴巴現(xiàn)印舊網(wǎng)國X* 網(wǎng)&TiWM 器JWJAJAAAMW WJ JJ 網(wǎng)格網(wǎng)出T ；胃那璃脾網(wǎng)網(wǎng)下中幽內(nèi)評廿 叢 陶 V(惻陽牖1、舊.巴K YHW X*4- 4 +小# 4-11|*4.4.4.* + +4.44*4.*4.+ 4.+

18、4.4. + 4.+ 4*+4.+ 4.44.+ 4.冬+4" +1111111 P 1 P 11111111 V I V 111111111 1 H 1 II 114- 4- 41 I P414- +1 1圖3在Layout中模擬矩形微帶貼片天線全貌圖4 .S參數(shù)仿真由 Moumentum=>Simulation=>S-parametersiS置掃描范圍為 1.0GHz一3.0GHz 可得:燈” 1.13mlfreq=2 DOOGHzqiti mo m. .S(1.1 >D. 545 / -4 D. 777im限由內(nèi)亡電二 £0 * H 49口 一 j1

19、 £11圖4 模擬矩形微帶貼片天線的S參數(shù)從圖中可以看出S參數(shù)的中心頻率為2.0GHz,但是S (1,1)參數(shù)性能很差, 遠小于-10dB。因此后續(xù)要進行匹配及優(yōu)化設(shè)計。5 .匹配設(shè)計在原理圖窗口中由Tools=>Smith Chart打開圓圖匹配窗口，設(shè)置天線的阻抗參數(shù)impedance=74.5-J*75.55選擇微帶線匹配可得:j3 ma"回 U鼎XRprJ»"T愜< 口 鞫I 111 附啊 | MEl|l.««WI E|q W33Q +J仲一吟共9頁第11頁圖5Smith Chart用微帶線匹配微帶匹配線的特征阻抗

20、 Z0為125Ohm電長度Value=38.5,由Linecalc計算匹配微帶線的物理尺寸和饋線的寬度。在原理圖中設(shè)計匹配電路如圖6:MSubS1 P SNF1 File=wFatch1 s1 pBPL-9-4-40 m eMLINTLi&ubst=KMuiibl w=o.37 mmTerm. .Trm.1 .Numi=1 z=5d Ohm Sj.ip&rarn -SP1 .Start=H Q GHz stop =3 GHZ 'Step =0.01 GHxTL2Subst=MMul&W=3.OO mmL=9.11 mim.MSUB .MSut>1'

21、 H=1 mm Er=4.4- Mur=lCondl ,OE+5OHlj = 1 0e+033 mmT=0 mmTan口=O ONRough =D mm圖6矩形微帶貼片天線的原理圖匹配6.原理圖S參數(shù)仿真由Simulation可得S參數(shù)：S (1,1) =-45.888dB完全符合設(shè)計要求freq=2.OOOGHzJ）=95一區(qū)88圖7原理圖匹配電路的S參數(shù)7 .設(shè)置匹配及饋線層Layout中添加微帶匹配線及饋線，設(shè)置為cond層。設(shè)計好的矩形微帶貼 片天線模型如圖8圖8矩形微帶貼片天線模型(2)天線模型S參數(shù)模擬通過對S參數(shù)的模擬可得：相對帶寬(計算得到)回波損耗由 Moumentum=&g

22、t;Simulation=>S-parameters可得:fiFE=2.OT0GI-kdB|Fatcli nTiua. 8(1.1 1=-24.074NovOBxflie - Dala&eC Patdi_rrwrn_3信:PMch mog1國LI薩H .043一二frB1.eS4GHE僖節(jié)事拈h.mi.aSOjiliOAa圖9矩形微帶貼片天線的S參數(shù)諧振點頻率基本滿足2GHz附近，反射損耗為dB(S(1,1)為 -24.074dB。約在(1.984GHz-2.021GHz)的工作頻帶范圍內(nèi)為天線帶寬，天線的 相對帶寬約為1.85%。由 Smith 圓圖輸入阻抗為 Z0*(0.89

23、2-j0.049)=44.6-j2.45。由以上參數(shù)可知設(shè)計矩形微帶貼片天線完全符合設(shè)計要求。(3)顯示表面電流1.矩形微帶貼片天線由兩段不同寬度的微帶線及金屬貼片構(gòu)成，信號從微帶饋線端點饋入，在天線的貼片上將產(chǎn)生一定的電流分布，這種電流分 部就是在天線周圍空間激發(fā)起的電磁場。由 Momentum=>Post-processing=>Radiation Pattern選擇 Current=>Set Port Solution Weights單擊 OK,然后選擇 Current=>Plot Currents分別選擇 0°、 90°、180°、

24、270°天線表面電流。由圖可知：由電流相位進行的不同相位掃描刷新得到的效果，電流分布受到相 位常數(shù)的影響。幾何結(jié)構(gòu)的對天線表面電流有影響。電流是如何在貼片結(jié)構(gòu)中運動從而激發(fā)起電磁場。通過這種方法的修正比傳統(tǒng)試探多次加工和調(diào)整貼片或不斷進行 切割要更為精確。2.天線的增益圖10天線表面電流模擬圖GainDirectivitym 1THE-F7X = O.OOO1O*Iq 0 1 O(real(Gain)=O 43。圖11天線的增益圖由 Momentum=>Post-processing=>RadiationPattern=>2D data display. 由圖中1(

25、T2g1Weal(Gam)尸口一43。可得天線增益的實部Gain= 1.104dB。(4)天線的E面輻射方向圖Momentum中使用的距量法(MOM)仿真技術(shù)假設(shè)介質(zhì)平面是無限 大的，大多數(shù)應(yīng)用都近似滿足這樣的條件。inso270圖12天線的三維輻射圖由 Momentum=>Post-processing=>Radiation Pattern=>Far Field=>Far FieldPlot可得矩形微帶貼片天線 E面的三維方向圖，由圖可知呈現(xiàn)對稱全向的方式向外進行輻射。1.模擬測得天線各項參數(shù)及參數(shù)調(diào)試結(jié)論由 Momentum=>Post-processing=>Radiation Pattern=>Far Field=>