射頻微波天線及仿真第1頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六12.1天線基礎知識

12.1.1天線基本指標 天線的基本指標介紹如下：

(1)天線增益G定義為 （12-1a）

式中,Pr為被測天線距離R處所接收到的功率密度,單位為W/m2;Pi為全向性天線距離R處所接收到的功率密度,單位為W/m2。第2頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六 增益為G的天線距離R處的功率密度應為接收功率密度,即

(2)天線輸入阻抗Zin定義為

式中,U為在饋入點上的射頻電壓；I為在饋入點上的射頻電流。（12–1b）（12–2a）第3頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六 天線是個單口網絡,輸入駐波比或反射系數是一個基本指標,為了使天線輻射盡可能多的功率,必須使天線與空氣匹配,輸入駐波比盡可能小。阻抗、駐波比與反射系數的關系為（12–2b）第4頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六

(3)輻射效率ηr定義為 （12-3） 式中,Pr為天線輻射出的功率,單位為W；Pi為饋入天線的功率，單位為W。

(4)輻射方向圖：用一極坐標圖來表示天線的輻射場強度與輻射功率的分布,如圖12-1所示。

(5)半功率角的定義如圖

12-2所示。

第5頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12-1輻射方向圖第6頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12-2半功率波束寬度(a)按電場定義；(b)按功率定義第7頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六

(6)旁瓣:在主輻射波瓣旁,還有許多副瓣,沿角度方向展開如圖12-3所示。其中,HPBW為半功率波束寬度,輻射最大功率下降3dB時的角度;FNBW為第一零點波束寬度;SLL為旁瓣高度,輻射最大功率與最大旁瓣的差。

第8頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12-3主瓣與旁瓣第9頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六

(7)方向系數D定義為 （12-4） 式中,Pmax為最大功率密度,單位為W/m2;Pav為平均輻射功率密度,單位為W/m2。 常見的天線方向系數如下： 偶極天線D=1.5或1.76dB

單極天線D=1.5或1.76dB

拋物面天線 喇叭天線 式中,d為拋物面半徑,λ為信號波長,A為喇叭口面面積。第10頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六

12.1.2遠區場概念 通常,天線看作是輻射點源,近區是球面波,遠區為平面波,如圖12-4所示。輻射方向圖是在遠區測量。下面給出遠、

近場的分界點。

第11頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12-4遠區場概念第12頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六 在圖12-4中,有以下幾何關系： 通常,R<<Δl時,有

如果,相位誤差為22.5°,遠區場為（12-5）

（12–6b）

（12–6a）

第13頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六 如果,相位誤差為11.25°,遠區場為 （12-6c）

12.1.3天線的分析 一般地,天線的分析是解球坐標內的Helmholtz方程,得到矢量位函數。如圖12-5所示,天線體積為V,電流為J,在觀測點的矢量位函數為（12-7）第14頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六

為自由空間的格林函數。矢量位函數為天線上的電流與觀測點格林函數乘積在天線體積上的積分。有了A(r),即可得到H(r),然后再求出E(r)。實際天線工程中,由于天線電流的分布很難確定,由積分計算矢量位函數也十分困難,常用的數值解法過程也很麻煩。

第15頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12-5求解矢量位函數第16頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六12.2常見的天線結構 在射頻/微波應用上,天線的類型與結構有許多種類。就波長特性分,有八分之一波長、四分之一波長、半波天線；就結構分,有單極子型、對稱振子型、喇叭型、拋物面型、角型、螺旋型、介質平板型及陣列型天線等,如圖12-6所示；就使用頻寬分,有窄頻帶型（10%以下）和寬頻帶型（10%以上）。表12-1歸納了天線類型。圖12-7給出了三種天線的增益比較。

第17頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12-6常見天線第18頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12-7三種常用天線增益比較第19頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六表12-1天線分類第20頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六12.3單極天線和對稱陣子天線 單極天線和對稱陣子是全向天線,廣泛應用于廣播、移動通信和專用無線系統中。對稱陣子是基本天線,單極天線是對稱陣子的簡化形式,長度是對稱陣子的一半,與地面的鏡像可以等效為對稱陣子,如圖12-8所示。對稱陣子長度小于一個波長,輻射方向圖是個油餅形或南瓜形。在θ=90°時電場輻射最強,θ＝0°時沒有輻射。磁場輻射是個圓環,沿方向相同。單極天線是個全向天線,可以接收任何方向的磁場信號,增益為1。第21頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12-8單極天線和對稱陣子及其方向圖第22頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六 一般地,對稱陣子天線的長度等于半波長,單極天線的長度等于四分之一波長,阻抗為73Ω,增益為1.64（2.15dB）。如果天線長度遠小于波長,稱為短陣子,輸入阻抗非常小,難于實現匹配,輻射效率低,短陣子的增益近似為1.5(1.7dB)。實際中把單極陣子稱作鞭狀天線,長度為四分之一波長,與同軸線內導體相連,接地板與外導體相接,接地板通常是車頂或機箱,如圖12-9所示,輻射方向圖是對稱陣子方向圖的一半(上半部分),阻抗也是對稱陣子的一半（37Ω）。

第23頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12-9單極天線的饋電第24頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六 對稱陣子和單極天線有許多變形,折合陣子是兩個對稱陣子的對接,如圖12-10所示,折合后的長度為半波長,阻抗為4×73≈300Ω。折合陣子可以看成對稱模和非對稱模的疊加。第25頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12-10折合陣子天線第26頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六 單極天線的另一種變形是倒L型和倒F型天線,如圖12-11所示。四分之一波長的變形天線尺寸降低,便于安裝。圖12-11(c)是一種寬帶變形,用金屬板代替了導線。 單極天線的另一種變形是倒L型和倒F型天線,如圖12-11所示。四分之一波長的變形天線尺寸降低,便于安裝。圖12-11(c)是一種寬帶變形,用金屬板代替了導線。第27頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12-11倒L型和倒F型天線第28頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六12.4喇叭天線 喇叭天線是波導與空氣的過渡段,有圓喇叭和方喇叭兩種,分別與圓波導和方波導相連接。 喇叭天線可以單獨用于微波系統,也可作為面天線的饋源。喇叭天線增益可以嚴格計算，通常使用喇叭天線做測量標準。

第29頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六 對于圖12-12所示矩形波導喇叭,獲得最佳增益的天線尺寸和增益為

（12-8）

（12-9）

第30頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12-12矩形喇叭及其方向圖第31頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六

對于圖12-13所示圓錐喇叭,獲得最佳增益的天線尺寸和增益為

如a×b=22.86mm×10.16mm,A×B=22.86cm×10.16cm的10GHz矩形喇叭,增益為22dB。

（12-10）

（12-11）

第32頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12-13圓錐喇叭第33頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六12.5拋物面天線 拋物面天線是一種高增益天線,是衛星或無線接力通信等點對點系統中使用最多的反射面天線。如圖12-14所示,金屬拋物面反射器將焦點上的饋源發射的球面波變成平面波發射出去。如果照度效率為100％,則有效面積等于實際面積,即 （12-12）第34頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12-14拋物面天線第35頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六

實際中,由于溢出、阻塞和損耗,照度效率只有55％～75％,取最壞情況55％： 半功率波束寬度為

增益為（12-13）

（12-14）

（12-15）

第36頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六 若有拋物面口徑為1m,工作頻率為10GHz,照度效率為55％的拋物面天線,可以計算出增益為37dB,HPBW為2.3°,在55m處形成遠場（平面波）。 拋物面的增益很高,波束很窄。拋物面的對焦非常重要。喇叭饋源與同軸電纜連接。拋物面天線通常有四種饋源方式,如圖12-15所示。第37頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六 圖12-15拋物面天線的四種饋源方式(a)前饋;(b)卡賽格倫;(c)格利高里;(d)偏饋第38頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六 前饋最簡單,照度效率為55%～60％,饋源及其支架會產生遮擋,增加旁瓣和交叉極化。卡賽格倫的優點是饋源靠近接收機前端,連接線短。格利高里與卡賽格倫相似,只是用了橢圓副反射面,效率為76％。偏饋的方法避免了饋源或副反射面的遮擋,旁瓣類似,同樣增益下尺寸較小。 在微波低端或射頻波段,拋物面的尺寸太大,可以用部分拋物面,這種天線常用在船上。為了減輕重量、

承受風壓,拋物面可以做成網狀的。

第39頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六12.6微帶天線

微帶天線的優缺點及應用同常規的微波天線相比，微帶天線具有一些優點。因而，在大約從100MH到50GHz的寬頻帶上獲得了大量的應用。與通常的微波天線相比，微帶天線的一些主要優點是：重量輕、體積小、剖面薄的平面結構，可以做成共形天線；制造成本低，易于大量生產；可以做得很薄，因此，不擾動裝載的宇宙飛船的空氣動力學性能；無需作大的變動，天線就能很容易地裝在導彈、火箭和衛星上；天線的散射截面較小；稍稍改變饋電位置就可以獲得線極化和圓極化（左旋和右旋）；比較容易制成雙頻率工作的天線；不需要背腔；微帶天線適合于組合式設計（固體器件，如振蕩器、放大器、可變衰減器、開關、調制器、混頻器、移相器等可以直接加到天線基片上）；饋線和匹配網絡可以和天線結構同時制作。第40頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六但是，與通常的微波天線相比，微帶天線也有一些缺點：頻帶窄；有損耗，因而增益較低；大多數微帶天線只向半空間輻射；最大增益實際上受限制（約為20dB）；饋線與輻射元之間的隔離差；端射性能差；可能存在表面波；功率容量較低。但是有一些辦法可以減小某些缺點。例如，只要在設計和制造過程中特別注意就可抑制或消除表面波。第41頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六微帶天線的應用

在許多實際設計中，微帶天線的優點遠遠超過它的缺點。在一些顯要的系統中已經應用微帶天線的有：移動通信；衛星通訊；多普勒及其它雷達；無線電測高計；指揮和控制系統；導彈遙測；武器信管；便攜裝置；環境檢測儀表和遙感；復雜天線中的饋電單元；衛星導航接收機；生物醫學輻射器。這些絕沒有列全，隨著對微帶天線應用可能性認識的提高，微帶天線的應用場合將繼續增多。

常用的微帶天線是矩形或圓形。矩形貼片天線如圖12-16所示。

第42頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12-16矩形貼片天線第43頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六

12.6.1微帶天線基本知識和矩形微帶天線 常用的微帶天線的分析設計方法有傳輸模法和諧振模法。傳輸模法的思路是把矩形塊等效為輻射阻抗加載的一段很寬的微帶線,由于設計公式近似且有實驗調整,這種方法是不準確的。諧振模法是把微帶天線看成是具有磁壁的封閉腔體,這種方法精度好,但計算成本太高。 工程上,微帶天線用傳輸模式近似設計,很寬的微帶線沿橫向是諧振的,在貼片下面電場沿諧振長度正弦變化,假定電場沿寬帶W方向不變化,并且天線的輻射是寬邊的邊沿。第44頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六 輻射邊沿可以看作用微帶傳輸線連接起來的輻射槽,如圖12-17所示,單個輻射槽的輻射電導為 單個輻射槽的輻射電納為

W>λ0

W≤λ0

（12-16）

（12-17）

第45頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六 式中

k0=2π/λ0是自由空間的波數,Z0是寬度W的微帶特性阻抗,εe是有效介電常數,ΔL是邊沿電容引起的邊沿延伸。由圖12-17可看出,邊沿電場蓋住了微帶邊沿,等效為貼片的電長度增加。

（12-18）

第46頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12–17邊沿輻射槽第47頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六

為了計算天線的輻射阻抗,天線可以等效為槽阻抗和傳輸線級聯。輸入導納為 式中Ys為式（12-17）給出的輻射槽導納,β=2πεe/λ0微帶線內傳播常數。諧振時,L+ΔL=λg/2=λ0/2εe,式(12-19)僅剩兩個電導,即

Yin=2G(12-20)（12-19）

第48頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六 微帶天線的工作頻率與結構參數的關系為

W不是很關鍵,通常按照下式確定:

(12-21)(12-22)第49頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12-18矩形天線實例第50頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六 設計實例： 設計3GHz微帶天線,基板參數為2.2/0.762,并用四分之一線段實現與50Ω饋線的匹配。 天線拓撲如圖12-18所示。 步驟一：確定各項參數: W=3.95cm,εe=2.14,ΔL=0.04cm L=3.34cm,Rin=288Ω

步驟二：阻抗變換器的特性阻抗為 ZT0==120Ω第51頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六 步驟三：由微帶原理計算得變換器的長度和寬度為 l1=1.9cm,w1=0.0442cm

微帶天線的輻射方向圖可以用電磁場理論嚴格計算。圖12-19是典型的方向圖,典型HPBW=50°～60°,G=5～8dB。第52頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12-19微帶天線的典型方向圖第53頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六 在許多場合下要利用合適的饋線點實現微帶天線的圓極化。如圖12-20所示,90°耦合器激勵兩個方向的線極化構成圓極化,或者擾動微帶天線的輻射場實現圓極化。第54頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12-20圓極化微帶天線第55頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六

12.6.2微帶天線的其他形式 導體貼片一般是規則形狀的面積單元,如矩形、圓形或圓環形薄片等,也可以是窄長條形的薄片振子(對稱陣子)。由這兩種單元形成的微帶天線分別稱為微帶貼片天線和微帶振子天線,如圖12-21（a）、（b）所示。微帶天線的另一種形式是利用微帶線的某種形變(如彎曲、直角彎頭等)來形成輻射,稱為微帶線型天線,如圖12-21(c)所示。因為這種天線沿線傳輸行波,故又稱為微帶行波天線。微帶天線的第四種形式是利用開在接地板上的縫隙,由介質基片另一側的微帶線或其他饋線(如稽線)對其饋電,稱之為微帶縫隙天線,如圖12-21(d)所示。由各種微帶輻射單元可構成多種多樣的陣列天線,如微帶貼片陣天線、

微帶振子陣天線,等等。

第56頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12-21微帶天線的四種形式第57頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六 圖12-22為兩種饋電形式的矩形微帶天線示意圖,圖（a）是背饋,同軸線的外導體與接地板連接,內導體穿過介質與貼片天線焊接；圖（b）為側饋,通過阻抗變換與微帶線連接。第58頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12-22微帶天線的兩種饋電方式第59頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六微帶天線饋電大多數微帶天線只在介質基片的一面上有輻射單元，因此，可以用微帶天線或同軸線饋電。因為天線輸入阻抗不等于通常的50傳輸線阻抗，所以需要匹配。匹配可由適當選擇饋電的位置來做到。但是，饋電的位置也影響輻射特性。圖3-7微帶線饋電的天線圖3-9同軸饋電的微帶天線第60頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六微帶饋電中心微帶饋電和偏心微帶饋電。饋電點的位置也決定激勵那種模式。當天線元的尺寸確定以后，可按下法進行匹配：先將中心饋電天線的貼片同50的饋線一起光刻，測量輸入阻抗并設計出匹配變阻器；再在天線元與饋線之間接入該匹配變阻器，重新做成天線。另外，如果天線的幾何圖形只維持主模，則微帶饋線可偏向一邊以得到良好的匹配。特定的天線模可用許多方法激勵。如果場沿矩形貼片的寬度變化，則當饋線沿寬度移動時，輸入阻抗隨之而變，從而提供了一種阻抗匹配的簡單辦法。饋電位置的改變，使得饋線和天線之間的耦合改變，因而使諧振頻率產生一個小的漂移，而輻射方向圖仍然保持不變。不過，稍加改變貼片尺寸或者天線尺寸，可補償諧振頻率的漂移。第61頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六同軸線饋電各種同軸激勵示于圖3-。在所有的情況中，同軸插座安裝在印制電路板的背面，而同軸線內導體接在天線導體上。對指定的模，同軸插座的位置可由經驗去找，以便產生最好的匹配。使用N型同軸插座的典型微帶天線示于圖3-中。圖3-9同軸饋電的微帶天線第62頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六同軸饋電模擬根據惠更斯原理，同軸饋電可以用一個由底面流向頂面的電流圓柱帶來模擬。這個電流在地板上被環狀磁流帶圈起來，同軸線在地板上的開口則用電壁閉合。如果忽略磁流的貢獻，并假定電流在圓柱上是均勻的，則可進一步簡化。簡化到最理想的情況是，取出電流圓柱，用一電流帶代替，類似微帶饋電的情況。該帶可認為是圓柱的中心軸，沿寬度方向鋪開并具有等效寬度的均勻電流帶，對于給定的饋電點和場模式，等效寬度可以根據計算與測量所得的阻抗軌跡一致性經驗地確定。一旦這個參數確定了，它就可以用在除饋電點在貼片邊緣上以外的任何饋電位置和任何頻率。當饋電點在貼片邊緣上時，可以認為，在貼片邊緣上的邊緣場使等效饋電寬度不同于它在天線內部時的值。在矩形天線中，等效寬度為同軸饋線內徑的五倍時，可給出良好的結果。圖3-10同軸線饋電的微帶天線第63頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六 矩形微帶天線作為獨立天線應用時采用背饋方式,而作為單板微帶天線的陣元時必須采用側饋方式。在制作側饋的矩形微帶天線時,可按下述方法實現匹配：將中心饋電天線的貼片同50Ω饋線一起光刻制作,實測其輸入阻抗并設計出匹配器,然后在天線輻射元與微帶饋線間接入該變換器。 任何形式的平面幾何結構都可以用作微帶天線,圖12-23是部分微帶天線形式。第64頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六 圖12-23微帶天線的其他結構（a）常用形式;（b）可能結構第65頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六微帶行波天線微帶行波天線（MTA）是由基片、在基片一面上的鏈形周期結構或普通的長TEM波傳輸線（也維持一個TE模）和基片另一面上的地板組成。TEM波傳輸線的末端接匹配負載，當天線上維持行波時，可從天線結構設計上使主波束位于從邊射到端射的任意方向。圖3-5微帶行波天線第66頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六微帶縫隙天線微帶縫隙天線由微帶饋線和開在地板上的縫隙組成。縫隙可以是矩形（寬的或窄的），圓形或環形。窄縫圓環縫寬縫圓貼片縫圖3-6微帶縫隙天線第67頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六

12.6.3圓盤微帶天線的設計實例 圓盤形微帶天線是另一種基本形式。參數包括圓盤半徑、饋電位置、輸入阻抗、天線Q值、輻射效率、總效率、輸入VSWR及頻帶、輻射方向圖。計算過程復雜,已有圖表和軟件可使用。下面給出圓盤半徑計算公式,并以900MHz天線為例。圓盤半徑為（12-23）

第68頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六 式中

設計實例： 設計900MHz圓盤微帶天線,介質參數為4.5/1.6。

(1)確定參數。天線的拓撲結構為：設計頻率f0=0.9GHz,最大輸入駐波比VSWR=2.0∶1,基板參數為高度h=0.16cm,介電常數εr=4.5，損耗正切tanδ=0.015,導體銅的ρ=1.0。

第69頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六

(2)利用公式求出圓盤圓形天線的半徑、接頭饋入位置、頻率與輸入阻抗的關系。 半徑=4.580cm

饋電點=1.800cm

頻率與阻抗對應關系如表12-1所示。第70頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六表12-1頻率與阻抗對應關系

第71頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六

頻帶內阻抗在圓圖上的位置如圖12-24(a)所示。

(3)利用公式求出天線的總Q值、輻射效率、總效率、天線頻帶寬度。

計算結果:

輸入阻抗50.90ohms

矩形片總

Q=47.639

輻射效率=95.97%

總效率=21.10%

相對帶寬=1.48%阻波比2.00∶1VSWR第72頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六

(4)利用公式求得天線的輻射方向圖,如圖12-24(b)、(c)所示。

(5)圓盤天線的實際結構如圖12-24

(d)所示。

第73頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12-24圓盤形微帶天線結構圖第74頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六12.7矩形微帶天線的設計

第75頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六（一）實驗目的了解微帶天線設計的基本流程掌握矩形微帶天線的設計方法熟悉在ADS的layout中進行射頻電路設計的方法第76頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六（二）設計要求用陶瓷基片（εr＝9.8），厚度h＝1.27mm，設計一個在3GHz附近工作的矩形微帶天線。基片選擇的理由是：陶瓷基片是比較常用的介質基片，其常用的厚度是h＝1.27mm，0.635mm，0.254mm。其中1.27mm的基片有較高的天線效率，較寬的帶寬以及較高的增益。第77頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六（三）微帶天線的技術指標輻射方向圖天線增益和方向性系數諧振頻率處反射系數天線效率第78頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六（四）設計的總體思路計算相關參數在ADS的Layout中初次仿真在Schematic中進行匹配修改Layout，再次仿真，完成天線設計第79頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六（五）相關參數的計算需要進行計算的參數有貼片寬度W貼片長度L饋電點的位置z饋線的寬度第80頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六（五）相關參數的計算（續）貼片寬度W、貼片長度L、饋電點的位置z可由公式計算得出饋線的寬度可以由TransmissionLineCalculator軟件計算得出第81頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六（五）相關參數的計算（續）第82頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六（六）用ADS設計過程有了上述的計算結果，就可以用ADS進行矩形微帶天線的設計了下面詳細介紹設計過程第83頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六ADS軟件的啟動啟動ADS進入如下界面第84頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六創建新的工程文件進入ADS后，創建一個新的工程，命名為rect_prj。打開一個新的layout文件，首先設定度量單位。在ADS中，度量單位的缺省值為mil，把它改為mm。方法是：單擊鼠標右鍵－>Preferences…－>LayoutUnits，如下圖所示第85頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六設定度量單位第86頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六介質層設置在ADS的Layout中進行設計，介質層和金屬層的設置很重要在菜單欄里選擇Momentum－>Substrate－>Create/Modify…，在SubstrateLayer標簽里，保留FreeSpace和////GND////的設置不變，點擊Alumina層，修改其設置為：第87頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六介質層設置（續）第88頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六金屬層設置點擊MetallizationLayers標簽，在LayoutLayer下拉框中選擇cond，然后在右邊的Definition下拉框中選擇Sigma（Re，thickness），參數設置如下頁圖。然后在SubstrateLayer欄中選擇“------”后，點擊“Strip”按鈕，這將看到“------Stripcond”。一切完成后，點擊OK。第89頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六金屬層設置（續）第90頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六在Layout中制版準備工作做好以后，下面就可以進行Layout中的作圖了。先選定當前層為vcond，再按照前面計算出來的尺寸作圖。最后在饋線端加入端口第91頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六在Layout中制版（續）第92頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六仿真預設置在進行layout仿真之前，先要進行預設置。在菜單欄選擇Momentum->Mesh->Setup，選擇Global標簽。鑒于ADS在Layout中的Momentum仿真是很慢的，在允許的精度下，可以把“MeshFrequency”和“NumberofCellsperWavelength”設置得小一點第93頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六仿真預設置（續）第94頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六進行仿真點擊Momentum->Simulation->S-parameter彈出仿真設置窗口，該窗口右側的SweepType選擇Linear，Start、Stop分別選為2.5GHz、3.5GHz，FrequencyStep選為0.05GHz。Update后，點擊Simulation按鈕。第95頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六仿真結果第96頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六對仿真結果的探討由上圖可見，理論上的計算結果與實際的符合還是相當不錯的，中心頻率大約在2.95GHz左右。只是中心頻率處反射系數S11還比較大，從而匹配不理想，在3GHz處，m1距離圓圖上的坐標原點還有相當的距離。在3GHz下的輸入阻抗是：Z0*（0.103-j0.442）＝5.15－j22.1第97頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六總體的2D輻射方向圖第98頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六在原理圖中進行匹配為了進一步減小反射系數，達到較理想的匹配，并且使中心頻率更加精確，可以在Schmatic中進行匹配。天線在3GHz下的輸入阻抗是：Z0*（0.103-j0.442）＝5.15－j22.1，這可以等效為一個電阻和電容的串連。第99頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六匹配原理匹配的原理是：串聯一根50歐姆傳輸線，使得S11參數在等反射系數圓上旋轉，到達g=1的等g圓上，然后再并聯一根50歐姆傳輸線，將S11參數轉移到接近0處。所需要計算的就是串連傳輸線和并聯傳輸線的長度ADS原理圖中優化功能可以出色的完成這個任務第100頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六匹配過程新建一個Schematic文件，繪出如下的電路圖：

第101頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六匹配過程（續）其中TL1和TL2的L是待優化的參量，初值取10mm，優化范圍是1mm到20mm。設置好MSub的值第102頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六匹配過程（續）插入S參數優化器，一個Goal。其中Goal的參數設置如下：這里dB（S（1，1））的最大值設為-50dB，是因為在Schematic中的仿真要比在Layout中的仿真理想得多，所以要求設置得比較高，以期在Layout中有較好的表現。第103頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六匹配過程（續）設置好OPTIM。常用的優化方法有Random(隨機)、Gradient(梯度)等。隨機法通常用于大范圍搜索，梯度法則用于局部收斂。這里選擇Random。優化次數可以選得大些。這里設為300。其他的參數一般設為缺省即可。第104頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六匹配過程（續）優化電路圖為：第105頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六匹配過程（續）點擊仿真按鈕，當CurrentEF＝0時，優化目標完成。把它update到原理圖上（Simulate－>UpdateOpimizationValues）。Deactivate優化器。最終原理圖如下：第106頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六匹配過程（續）第107頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六原理圖中的仿真點擊仿真按鈕，可以看到仿真結果為：第108頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六原理圖中的仿真（續）放置Marker可以得到更詳細的數據在中心頻率f＝3GHz處，S(1,1)的幅值是5.539E-4，可見已經達到相當理想的匹配。第109頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六修改Layout參照Schematic計算出來的結果，修改Layout圖形如下第110頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六兩點說明由于這里是手工布板，而不是由Schematic自動生成的，傳輸線的長度可能需要稍作調整(但不超過1mm)。注意要把原先的3mm饋線長度也算進去。為了方便輸入，在電路的左端加了一段50Ω的傳輸線。其長度對最終仿真結果的影響微乎其微。這里取1mm。第111頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六仿真結果按照前述的步驟進行仿真，仿真結果是第112頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六仿真結果（續）為了較精確地給出匹配的結果，我們將仿真頻率范圍設為2.9GHz到3.1GHz，步長精確到10MHz。可見進行原理圖匹配的結果是十分理想的。下面具體給出一些仿真結果。第113頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六總體的2D輻射方向圖第114頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六天線增益和方向性系數第115頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六天線效率第116頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六（七）設計小結矩形微帶天線設計是微帶天線設計的基礎，然而作為一名新手，想熟練順利地掌握其設計方法與流程卻也有些路要走。多仿照別人的例子操作，多自己動手親自設計，多看幫助文件，是進入射頻與微波設計殿堂的不是捷徑的捷徑。第117頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六（七）設計小結（續）一般來說，按照公式計算出來的矩形天線其反射系數都還會比較大的，在圓圖中反映出來的匹配結果也不是很理想。這也許是由一些公式的近似導致的，但這也使電路匹配成為設計工作必不可少的一環。

在用Schematic進行天線的匹配時，以S11為目標利用仿真優化器來求所需傳輸線長度的方法，是一種省時省力有效的方法。第118頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六

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fugw 2003.6第119頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六12.7天線陣和相控陣 單個天線的波束寬度與增益的矛盾限制了它的使用。在有些場合,要用更高的增益和更窄的波束。由于天線的尺寸與工作波長有關,必須用多個天線形成極窄波束。天線陣把能量聚焦于同一個方向,增加了系統的作用距離。

第120頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六

12.7.1天線陣 考慮圖12-25所示的沿z方向分布的一維天線陣,總輻射場為每個單元的疊加。第121頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六圖12-25沿z方向分布的一維n元相控陣第122頁，共133頁，2023年，2月20日，星期六

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