实验一：微带天线的设计与仿真

实验一：微带天线的设计与仿真

一、实验步骤、仿真结果分析及优化

1、原理分析：

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。

由公式：2

/1212-⎪⎭

⎫ ⎝⎛+=

r r f c

W ε=25.82mm

贴片宽度经计算为25.82mm 。

2

/1121212

1-⎪⎭

⎫ ⎝⎛

+-+

+=

w h r r e εεε=8.889；

()()()()8.0/258.0264.0/3.0412.0+-++=∆h w h w h

l

e e εε ∆l=0.543mm ；

可以得到矩形贴片长度为：

l f c L e

r ∆-=

22ε=18.08mm

馈电点距上边角的距离z 计算如下：

)

2(

cos 2

)

(cos 2)(5010

22z R z G

z Y e

r in ⨯===λεπβ

2

20

90W R r λ=

（0λ<

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 。

2、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

2

20

90W R r λ=

（0λ<

因为计算的时候没有符合0λ<

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。

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7

2.8

2.0

2.9

freq, GHz

d B (S (1,1))

m1

m1

freq=dB(S(1,1))=-50.408Min

2.450GHz

freq (2.000GHz to 2.900GHz)

S (1,1)

Linear Polarization

0 0

0 0

0 0

0 Circular Polarization

0 0

0 0

0 Absolute Fields

0 0

THETA

M a g . [d B ]

m2m1m1

THETA=10*log10(real(Directivity))=5.653Max

2.000

Linear Polarization

THETA

M a g . [d B ]

-80

-60

-40

-20

02040

60

80

-100

100

-135-90-4504590

135-180

180THETA

P h a s e [d e g ]

-80

-60

-40

-20

20

40

60

80

-100

100

10203040

50THETA

M a g . [d B ]

Axial Ratio

-80

-60

-40

-20

20

40

60

80

-100

100

-135-90-4504590

135-180

180THETA

P h a s e [d e g ]

Absolute Fields

THETA

M a g . [V ]

-80

-60

-40

-20

020

40

60

80

-100

100

-135-90-4504590

135-180

180THETA

P h a s e [d e g ]

-80

-60

-40

-20

20

40

60

80

-100

100

1E-41E-3

1E-5

3E-3THETA

M a g . [A ]

Htheta

Hphi

-80

-60

-40

-20

20

40

60

80

-100

100

-135-90-4504590

135-180

180THETA

P h a s e [d e g ]