基于ADS的微帶縫隙天線的仿真設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)說明課題：基于ads的微帶縫隙天線仿真設(shè)計(jì)學(xué)院(系):年級(jí)專業(yè)：號(hào)碼：學(xué)生姓名：講師：教師職稱：基于ads的微帶縫隙天線仿真設(shè)計(jì)摘要：通信系統(tǒng)的發(fā)展給天線行業(yè)帶來了巨大的活力。在眾多天線類型中，微帶天線已成為當(dāng)前研究的前沿之一，具有廣闊的前景和現(xiàn)實(shí)意義。尤其是微帶縫隙天線，由于其重量輕、截面薄、平面結(jié)構(gòu)、易于與載體共形、饋電網(wǎng)絡(luò)可與天線結(jié)構(gòu)一起制作等優(yōu)點(diǎn)，引起了天線工作者的廣泛關(guān)注。本文對(duì)中心頻率為880mhz、相對(duì)帶寬b=5%、介質(zhì)板厚度h=1.6mm、損耗角正切tan=0.0018、介電常數(shù)er=2.3的微帶縫隙天線進(jìn)行了研究、仿真和優(yōu)化。關(guān)鍵詞：廣告；微帶縫隙天線：模擬設(shè)計(jì)；基于

2、ads仿真的微帶縫隙天線設(shè)計(jì):通信系統(tǒng)的發(fā)展給天線行業(yè)帶來了活力，在眾多類型的天線中微帶天線已經(jīng)成為當(dāng)前研究的前沿之一，具有廣闊的前景和現(xiàn)實(shí)意義。特別是微帶縫隙天線，以其重量輕、截面薄、結(jié)構(gòu)平坦以及易于與共形載體、饋電網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，可以制成具有這種結(jié)構(gòu)的天線，引起了天線工作者的廣泛關(guān)注。本文對(duì)一個(gè)工作中心頻率為880 mhz、相對(duì)帶寬為b=5%、介質(zhì)板厚度h=1.6 mm、損耗角正切tan=0.0018、介電常數(shù)er=2.3的微帶縫隙天線進(jìn)行了研究和仿真優(yōu)化。關(guān)鍵詞：廣告；微帶縫隙天線模擬設(shè)計(jì)；學(xué)習(xí)目的1.學(xué)習(xí)射頻電路的理論知識(shí)；2.掌握ads并設(shè)計(jì)微帶天線；3.利用ads設(shè)計(jì)了中心頻率為

3、880兆赫、相對(duì)帶寬為5%的微帶縫隙天線。學(xué)習(xí)設(shè)備高級(jí)設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件廣告軟件介紹高級(jí)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的全稱是ads，是安捷倫在2008年推出的eda軟件的新版本。經(jīng)過多年的發(fā)展，ads在仿真功能和技術(shù)上已經(jīng)越來越完善。它最大的特點(diǎn)是集成電路級(jí)、電路級(jí)和系統(tǒng)級(jí)仿真模板的集成。它包含基于矩量法的電磁仿真模板。ads動(dòng)量是一個(gè)2.5d電磁模擬器，它簡(jiǎn)化了3d，非常適合在第三維空間中具有均勻變化的結(jié)構(gòu)的模擬，例如印刷電路板級(jí)設(shè)計(jì)和無(wú)源板級(jí)器件設(shè)計(jì)。其仿真速度極快，精度相當(dāng)于主流的三維電磁仿真軟件。天線基礎(chǔ)天線的性能直接影響整個(gè)無(wú)線通信的性能。一般來說，表征天線性能的主要參數(shù)包括方向特性、增益、輸入阻抗、駐波比、

4、極化特性等。(1)天線的極化模式天線的極化是指天線輻射時(shí)形成的電場(chǎng)強(qiáng)度方向。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度的方向垂直于地面時(shí)，這種電波稱為垂直極化波。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度的方向平行于地面時(shí)，這種電波稱為水平極化波。由于無(wú)線電波的特性，當(dāng)水平極化信號(hào)接近地面時(shí)，會(huì)在地球表面產(chǎn)生極化電流。極化電流受大地阻抗的影響會(huì)產(chǎn)生熱能，使電場(chǎng)信號(hào)迅速衰減，而垂直極化模式不易產(chǎn)生極化電流，避免了能量的大幅度衰減，保證了信號(hào)的有效傳播。(2)天線增益天線增益是用來衡量天線在特定方向發(fā)送和接收信號(hào)的能力，是選擇基站天線最重要的參數(shù)之一。(3)天線阻抗天線輸入阻抗：是天線饋電端輸入電壓和輸入電流的比值。在天線與饋線的連接中，最佳情況是天線的輸入阻

5、抗為純電阻，等于饋線的特征阻抗。此時(shí)，饋線終端沒有功率反射，饋線上沒有駐波，天線的輸入阻抗隨頻率平滑變化。天線的匹配工作是消除天線輸入阻抗中的電抗分量，使阻抗分量盡可能接近饋線的特征阻抗。匹配一般由四個(gè)參數(shù)來衡量，即反射系數(shù)、行波系數(shù)、駐波比和回波損耗。這四個(gè)參數(shù)之間有一個(gè)固定的數(shù)值關(guān)系，其中一個(gè)純粹是出于習(xí)慣。在日常維護(hù)中，我們使用更多的駐波比和回波損耗。通常，移動(dòng)通信天線的輸入阻抗為50歐姆或75歐姆。微帶縫隙天線的仿真1.設(shè)計(jì)示例設(shè)計(jì)了中心頻率為880兆赫的微帶縫隙天線和相對(duì)帶寬為5%的寬帶縫隙天線。介質(zhì)板的介電常數(shù)為er=2.3，損耗角正切=0.0018，厚度h=1.6 mm。在本例中

6、，微帶縫隙天線采用偏心雙線饋電方式，有利于天線帶寬的擴(kuò)展。天線的型號(hào)如圖1所示。圖1偏心雙線饋電的微帶縫隙天線2.具體步驟2。廣告模擬(1)新項(xiàng)目在開始菜單中選擇“高級(jí)設(shè)計(jì)系統(tǒng)2009 高級(jí)設(shè)計(jì)系統(tǒng)”，在主窗口中，通過單擊下拉菜單“文件新項(xiàng)目.”，創(chuàng)建一個(gè)名為“aperture_antenna”的新項(xiàng)目，并將公司選擇為“毫米”。(2)設(shè)置布局層在本例中，需要兩個(gè)布局層，因此首先設(shè)置了兩個(gè)布局層，分別命名為cond1和cond2。其中cond1是微帶饋線所在的布局層；第二層是開槽接地板所在的布局層。在布局工作區(qū)點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，從彈出的快捷菜單中點(diǎn)擊【圖層】命令，彈出“圖層編輯器”對(duì)話框，點(diǎn)擊【剪切

7、】按鈕，刪除所有默認(rèn)的布局圖層。點(diǎn)擊【新建】按鈕，創(chuàng)建兩個(gè)金屬層cond1和cond2，同時(shí)，為了便于觀察，在布局中選擇圖形顯示為輪廓線，如圖2所示。圖2布局層設(shè)置窗口(3)創(chuàng)建接地板模型點(diǎn)擊工具欄中的矩形繪制工具，執(zhí)行菜單命令【插入】【坐標(biāo)輸入】，在彈出的對(duì)話框中輸入矩形接地板的初始坐標(biāo)值(0，0)，點(diǎn)擊【應(yīng)用】按鈕，輸入接地板的終點(diǎn)(220，145)，點(diǎn)擊【確定】按鈕，如圖所示。雙擊創(chuàng)建的地板塊圖，彈出圖的屬性對(duì)話框，如圖3所示，從下拉列表中選擇布局層“cond2”。圖3輸入接地板坐標(biāo)使用矩形或多邊形繪圖工具創(chuàng)建一個(gè)矩形間隙，并輸入間隙起點(diǎn)和終點(diǎn)的坐標(biāo)(57，62)和(163，83.5)。

8、請(qǐng)注意，此處的間隙不能與先前創(chuàng)建的接地板的布局層在同一層上。雙擊創(chuàng)建的間隙，并在屬性對(duì)話框的圖層選項(xiàng)中選擇“cond1”。因?yàn)槭褂貌紶栠壿嫻ぞ邔⒃诮拥匕迳锨谐鲆粋€(gè)間隙，所以當(dāng)使用布爾邏輯工具時(shí)，要求布爾代數(shù)的兩個(gè)圖形必須在不同的布局層上。下面使用布爾邏輯工具創(chuàng)建一個(gè)帶狹縫的接地板。按住ctrl鍵，選擇如圖所示創(chuàng)建的間隙和接地板，執(zhí)行菜單命令編輯布爾邏輯，彈出“層間布爾邏輯運(yùn)算”對(duì)話框，如圖6所示。從第一層的圖形中減去第二層的圖形，布爾減法后的圖形選擇第二層作為其布局層。布爾減法后的圖形如圖4所示。如圖5所示，在層設(shè)置中，cond2層被改變?yōu)楣腆w顯示。從圖中可以清楚地看到，在接地板的中心有一個(gè)缺

9、口。圖4布爾減法后的接地板圖5在立體顯示后變?yōu)榻拥匕?4)創(chuàng)建微帶饋線模型首先，利用ads中的線寬工具計(jì)算50歐姆和100歐姆的線寬。根據(jù)線寬計(jì)算，50歐姆的線寬為5.3毫米，100歐姆的線寬為1.54毫米根據(jù)圖1所示的饋線尺寸，矩形工具或多邊形工具可以用于通過模仿前面的方法來創(chuàng)建微帶饋線，如圖6所示。確保進(jìn)料器的層屬性為cond1。如果布局圖層不是cond1，請(qǐng)根據(jù)前面的方法在屬性對(duì)話框中將其更改為cond1。圖6微帶縫隙天線模型(5)創(chuàng)建微帶襯底設(shè)置執(zhí)行菜單命令【動(dòng)量】【基底】【創(chuàng)建/修改】，在彈出的對(duì)話框中設(shè)置基底的基本參數(shù)。將介質(zhì)板的厚度設(shè)置為1.6毫米，介質(zhì)板的介電常數(shù)設(shè)置為2.3，

10、損耗角正切設(shè)置為0.0018，如圖7所示。圖7設(shè)置基底參數(shù)(6)布局層映射選擇“布局層”標(biāo)簽，如圖8所示，將cond1和cond2粘貼到介質(zhì)板的兩側(cè)，映射后點(diǎn)擊【確定】按鈕。(7)端口設(shè)置單擊工具欄中的圖標(biāo)，分別在cond1層和cond2層添加端口。注意：端口所在的布局層必須與其對(duì)應(yīng)的對(duì)象位于同一層。如果要將端口添加到cond1層，端口的布局層屬性也應(yīng)設(shè)置為cond1。執(zhí)行菜單命令矩端口編輯器，然后返回布局工作區(qū)，單擊添加的端口，并將端口1的類型設(shè)置為“內(nèi)部”，端口2的類型設(shè)置為“地面參考”。圖8布局層映射(6)s參數(shù)模擬設(shè)置執(zhí)行菜單命令【動(dòng)量】【仿真】【s參數(shù)】，彈出s參數(shù)仿真控制界面，在仿

11、真控制界面設(shè)置頻率起點(diǎn)。點(diǎn)擊模擬按鈕模擬s參數(shù)。電磁模擬所需的時(shí)間與天線的尺寸有很大關(guān)系。天線越大，模擬時(shí)間越長(zhǎng)。最終模擬的s參數(shù)如圖9所示。從圖中可以看出，天線的中心頻率為880兆赫，中心頻率的s11達(dá)到-35.297分貝，帶寬范圍為836兆赫至924兆赫，相對(duì)帶寬達(dá)到5%。圖9模擬后的s11性能在工程中，通常會(huì)考慮電壓駐波比(vswr)，因此有必要在ads中編輯vswr公式，將s11性能轉(zhuǎn)換為vswr性能。在數(shù)據(jù)顯示窗口中，單擊圖標(biāo)并將其拖動(dòng)到空白工作區(qū)，然后在宣傳欄中輸入vswr公式。編輯完vawr公式后，點(diǎn)擊【確定】?；氐焦ぞ邫?，單擊圖標(biāo)，并將其拖到一個(gè)空的工作區(qū)。最終的vswr曲線如

12、圖10所示。圖10模擬后的s11性能(6)后處理執(zhí)行菜單命令【動(dòng)量】【后處理】【輻射模式】，在彈出的對(duì)話框中選擇要研究的激發(fā)源和端口阻抗的頻率、視覺模式、振幅和相位，點(diǎn)擊【計(jì)算】按鈕進(jìn)行計(jì)算。在右側(cè)顯示區(qū)，可以看到天線的三維圖和遠(yuǎn)場(chǎng)三維方向圖，如圖11所示。圖of f=880 mhz的遠(yuǎn)場(chǎng)模式在“解決方案設(shè)置”中選擇頻率為880兆赫，在繪圖屬性對(duì)話框中選擇當(dāng)前顯示模式為箭頭顯示，并根據(jù)對(duì)數(shù)刻度顯示當(dāng)前振幅。電流分布可以在右側(cè)顯示圖像區(qū)域看到，如圖12所示。圖f=880兆赫縫隙天線的電流分布通常，選擇兩個(gè)正交平面來描述天線。在這里，我們將繪制一個(gè)xoz平面和yoz平面的二維圖。執(zhí)行菜單命令【動(dòng)量

13、】【后處理】【輻射模式】，在彈出的對(duì)話框中選擇2d作為視覺模式。選擇“2d設(shè)置”選項(xiàng)卡，并在圖形中設(shè)置xoz平面和yoz平面。其中，xoz平面對(duì)應(yīng)的切割角度為00，yoz平面對(duì)應(yīng)的切割角度為900。以xoz平面為例，設(shè)計(jì)了如圖13所示的xoz平面二維特性和如圖14所示的xoz平面偏振特性。圖13 xoz平面上的二維特性圖14 xoz平面上的偏振特性(7)優(yōu)化設(shè)計(jì)中心頻率為880兆赫，帶寬為836 924兆赫。最終示意圖如下所示。圖15最終示意圖摘要通過研究ads，我對(duì)微帶縫隙天線的設(shè)計(jì)有了更深的了解，尤其是不同類型微帶縫隙天線的工作原理和各種微帶縫隙天線的設(shè)計(jì)。另外，通過實(shí)際需要的微帶縫隙天線的設(shè)計(jì)，提高了我的實(shí)踐能力，通過ad