实验五 微带天线设计

实验五 微带天线设计、仿真、制作与测试

一．实验目的

1.了解描述天线性能的主要参数及天线类型 2.了解微带天线的辐射机理和设计方法

3.掌握用ADS进行微带天线优化仿真的方法与步骤 二．天线的基本原理 1.天线的辐射原理：

将传输线中的高频电磁能转成为自由空间的电磁波 将自由空间中的电磁波转化为传输线中的高频电磁能 2.电磁波辐射与场区的划分 (a) 感应近场 R1?0.62D3/? (b) 辐射近场 (c) 辐射远场 R2?2D2/?

天线实际使用区域为辐射远场区 3.天线的分类

从方向性分：有强方向性天线、弱方向性天线、定向天线、全向天线、针状波束天线、扇形波束天线等。

从极化特性分：有线极化天线、圆极化天线和椭圆极化天线。线极化天线又分为垂直极化和水平极化天线。

从频带特性分：有窄频带天线、宽频带天线和超宽频带天线。 按天线上电流分布分: 有行波天线、驻波天线。

按使用波段分类: 有长波、超长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线和微波天线。

按天线外形分类 : 有鞭状天线、T形天线、Γ形天线、V形天线、菱形天线、环天线、螺旋天线、波导口天线、波导缝隙天线、喇叭天线、反射面天线等。还有八木天线，对数周期天线、阵列天线。阵列天线又有直线阵天线、平面阵天线、附在某些载体表面的共形阵列天线等。 4.天线的技术指标

（1）天线的方向性因子

1方向性因子 E?f(?,?)e?jkrr

f(?,?)F(?,?)?归一化方向性因子

fmax

（2）E面和H面方向图

工程上常采用通过最大辐射方向的两个正交平面上的剖面图来描述天线的方向图。这两个相互正交的平面称之为主面，对于线极化天线来说通常取为E面和H面。

E面：指通过天线最大辐射方向并平行于电场矢量的平面。 H面：指通过天线最大辐射方向并平行于磁场矢量的平面。 （3）主瓣宽度

方向图主瓣上两个半功率点之间的夹角，记为2θ0.5。又称为半功率波束宽度或3dB波束宽度。一般情况下，天线的E面和H面方向图的主瓣宽度不等，可分别记为2θ0.5E和2θ0.5H。可以描述天线波束在空间的覆盖范围，主瓣瓣宽越窄，则方向性越好，抗干扰能力越强。 （4）天线方向性系数

Pr D?相同辐射功率P iPr：被测天线距离R处所接收到的功率密度,单位为W/m2;

Pi：为全向性天线距离R处所接收到的功率密度, 单位为W/m2 （5）天线增益G

P G?r相同输入功率Pi

Pr：被测天线距离R处所接收到的功率密度,单位为W/m2;

Pi：为全向性天线距离R处所接收到的功率密度, 单位为W /m2 一个天线与对称振子相比较的增益用“dBd”表示

一个天线与各向同性辐射器相比较的增益用“dBi”表示 （6）辐射效率

P

??r PinPr为天线辐射出的功率；Pin为馈入天线的功率。

G天线增益、方向性系数和辐射效率的关系： ??D（7）天线输入阻抗 Zin?UI（8）天线的极化

无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电波的极化。无线电波的电场方向称为电波的极化方向。如果电波的电场方向垂直于地面，我们就称它为垂直极化波。如果电波的电场方向与地面平行，则称它为水平极化波。

天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向 （9）天线带宽

有几种不同的定义：一种是指天线增益下降三分贝时的频带宽度；一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。在移动通信系统中是按后一种定义的，具体的说，就是当天线的输入驻波比ρ≤1.4时，天线的工作带宽。

三．微带天线 1.微带天线优点：

体积小，重量轻，能与载体共形，用于便携式无线电设备上 制造成本低，易于批量生产 天线的散射截面较小

能得到单方向的宽瓣方向图，最大辐射方向在平面的法线方向 易于和微带线路集成，便与馈电 易于实现线极化和圆极化

容易实现双频段、双极化等多功能工作。 2.微波天线分析法：

(1)传输线法(用于矩形贴片） ?yEx?E0cos()

L

设沿贴片宽度和基片厚度方向电场无变化；天线的辐射由贴片四周与接地板间的窄缝形成；

沿两条W边的磁流是同向的，故其辐射场在贴片法线方向(x轴)同相相加，呈最大值，且随偏离此方向的角度的增大而减小，形成边射方向图。 沿L边的磁流都由反对称的两个部分构成，它们在H面(xOz面)上各处的辐射互相抵消，在E面(xOy面)上各处，它们的场也都相消。在其它平面上这些磁流的辐射不会完全相消，但与沿两条W边的辐射相比，都相当弱，成为交叉极化分量。

由上可知，矩形微带天线的辐射主要由沿两条W边的缝隙产生，该二边称为辐射边。

1sin(kWcos?)

2Esin? FH(?)?1 kWcos?2

1F(?)?cos(kLsin?)2Yin矩形微带天线等效电路 微带天线 GGjBjB

G?j[B?tan(?L)] (G?jB)?Y?c Yc?j(G?jB)tan(?L)

微带天线尺寸参数设计

惠勒（H.A.Wheeler）给出微带线的特性阻抗Zc的计算公式如下w/h>1：

?1

???w? Z?377w?0.883?0.165?r?1??r?1?ln???1.88??0.758???c?2 ??r??h?r?r?h???

w/h<1 2?8h?r?1?1201?w?0.1208?? Zc????0.2258?????ln???w32h??1?2(?r?1)???rr??? ??

施奈德（M.V.Schneider）等效相对介电常数的一个简单经验公式： ?1/2??110h?? ?????r?1???r?1??1??e2?w ?????缝隙两端间有一辐射电导Gs：

2? 1?W?0??? ???90??0?

?2 1?1?W???G?? ?s???60?200120?0??

2?

???1?W?

????120 ?0?0?

开路端缝隙的等效导纳还有一电容部分。可用延伸长度Δl来表示：哈默斯塔德给出Δl的经验公式如下：

w

?0.264?e?0.3h

B?Ytan(??l)?l?0.412h?sc w(w?0.35?)(0.35??w?2?)(w?2?)?e?0.258h?0.8矩形贴片天线的尺寸设计 1/2?? W?c?2??2f0? ??r?1? cf? 02?e(L?2?L)

L?0.5?g?2?l

w?1/2 ???0.264110h???0.3 ?????1???1??1????l?0.412he?herr 2?w???e?0.258w?0.8??? h

（2）空腔理论模型(可用于各种规则贴片)

基于薄微带天线(h<<λ0)的假设，将微带贴片与接地板之间的空间看成是四周为磁壁、上下为电壁的谐振空腔。

天线辐射场由空腔四周的等效磁流来得出，天线输入阻抗可根据空腔内场和馈源边界条件求得。

由谐振腔理论可得如图矩形天线频率为: z

Cm?2n?2p?2y f?()?()?() 0abh2??r x b 取基模TM100(a>b)为工作模式时，m=1，n=0 a

Ch f0? 2?ra

微带矩形天线

考虑到微带厚度t 的影响，实际宽度取值为：

a (??0.3)(?0.262)e1hh ??r?1??r?1(1?10h)?2a?a[1?0.824]?effea(??0.258)(a?0.813) 22ae3.矩形微带天线设计基本公式 h

?h? Z?1200? W?e? ?1/2??r?1?r?1?12h?? ????1??? e22?W?? ? ?L?0.412h?e?0.3W/h?0.264? ?e?0.258W/h?0.8??

??????

Y in

4.微带天线圆极化技术

?2W2?290??0?2G??22W?2?120?0?W≤λ0

cf0?2?e(L?2?L)W?c?2????2f0??r?1??1/2W>λ0

单点馈电时, 将方形贴片对角切去一部分, 贴片内部就会产生正交共振模,

选择适当的贴片所切部分面积大小,就会两正交共振模相位相差90度, 从而实现圆极化辐射.

将贴片或接地板开槽, 可实现双（多）频天线、展宽频带、产生正交共振模, 例：设计3GHz微带天线，基板参数为er=2.2，h=0.762mm，cond=4.1e7，T=0.03mm，并用λ/4阻抗变换器实现与50Ω馈线的匹配。

w1 w2 W

l1

L

（1）计算各项参数：W=39.53mm, L=33.4mm, Rin=288Ω （2）阻抗变换器的特性阻抗 Z?288?50?120?0（3）计算w1、l1和w2：w1=0.397879mm，l1=19.1087mm，w2=2.3055mm （4）用ADS仿真天线特性

四．ADS仿真步骤：

1.新建一个工程，并命名Patch,长度单位为mm (1)打开新的Degisn，命名为patch_antenna

或者在工程开始界面中选New Layout快捷按钮

选择当前的Layout层位cond层

(2)创建贴片模型

单击工具栏中的矩形工具 ，执行菜单命令【InsertCoordinate Entry】，在对话框中输入矩形起始点（0，-19.75），单击【Apply】按钮，输入矩形终点坐标 (33.4，19.75)，单击【OK】按钮，完成天线贴片模型。

(33.4, 19.75) (-19.11, 0.199)w2=2.31mmw1=0.398mm

(-30, 1.153)W=39.5mm

(0, -0.199)

(-19.11, -1.153) l1=19.11mm (0, -19.75)L=33.4mm

类似上一步，完成阻抗变换传输线和50ohm传输线贴片的创建。

（3）基板设置 执行菜单命令【Momentum】

【Substrate】 【Create/Modify】将”FreeSpace

“重命名为“Air”；将介质层 “Alumina”命名为“Sub”，如下设置参数。

把Layout层映射到金属层，也就是把Cond层粘贴到Sub介质板上

选择“Layout Layer”标签，在“Name”下拉列表中选择贴片所在的Layout层cond，单击【Strip】按钮完成贴片的粘贴。设置金属层参数，单击【Apply】，然后单击【 OK 】

（4）添加端口

执行菜单命令【InsertPort 】

执行菜单命令【MomentumPort Edit】,选择端口1，设置端口参数

（5）S参数仿真

执行菜单命令【Momentum】 【Simulation】 【S-Parameters】，参数设置完成后，单击“Update”按钮，然后单击“Simulate”按钮，开始仿真

中心频率偏，3GHz时匹配不好>-10dB （6）优化

建一新的Layout设计文件，在Layout窗口中先只画天线辐射贴片，并在其左边中央设置端口，板材参数同前面所述。进行仿真。 () 坐标:（0，-19.75)， (33.4，19.75)

S11中心频率在3.0GHz，但其性能较差！ 需要进行匹配电路设计

3.0GHz的输入阻抗为Zin=50*（7.535+j1.252）=(376.75+j62.6)Ohm，需设计一匹配网络，使其与50Ohm特征阻抗传输线匹配。

在数据显示窗口，执行菜单命令【Tool 】 →Data File Tool】，弹出“dftool/main Window”，导出Momentum仿真后的S1P数据文件。

新建原理图“patch_matching”，在“Data Item”元件库中输入S1P，然后回车，在原理图中添加一端口控件。

双击S1P控件，导入之前导出的S1P文件

建立如下电路原理图，添加变量l1、w

设置优化方式和优化目标，进行优化。

生成版图

执行菜单命令【Layout】→ 【Generate/Update Layout】

在版图窗口执行菜单命令【Momentum】→ 【Substrate】→【Update From Schematic】，将原理图的基板和微带参数更新到版图中。

选择（TL1、TL2），Ctrl+c；打开前面仿真过的微带贴片的Layout文件；Ctrl+v，将（TL1、TL2）复制到该文件。完成完整的微带天线设计。

或者按照新的尺寸重新在Layout文件中画出相应的微带天线、阻抗变化线和50ohm的微带线。

版图S参数仿真。

执行菜单命令【Momentum】 【Simulation】 【S-Parameters】。参数设置完成后，单击“Update”按钮、然后单击“Simulate”按钮，开始仿真。

中心频率还是发生了偏移！改进方法：减少匹配线长度，减少贴片长度后处理：结果输出

执行菜单命令【Momentum】→ 【Post-Processing】→ 【Radiation Pattern】设置完毕后单击【compute】按钮。

观看电流分布：选择“Solution setup”页，在里面选择要查看电流的频率； 然后选择“Plot properties”页，选择要观看的电流的显示方式，通过调节“Phase”，查看不同相位的电流分布。

增加对比度，可以选中“Log scale”。

可以选择“Animate”观看动画。

还可以这么做，原理图优化，然后生成版图。

五．单机天线驻波和输入阻抗的测量

（1）设置激励参数

（2）进行测量校准

（3）进行测量，照相记录波形

接上单极天线平面接地板，接地板上的内导体孔中分别插上粗细不同的单极天线，分别测试和记录各个天线的输入阻抗、驻波和回波损耗。记录21个频点；计算中心频率(分别用输入阻抗、驻波及3dB带宽确定)；画出驻波曲线。 天线参数测量记录表 频率细天线驻波比/MHz /dB 800 30.756 细天线对数幅度/dB -0.567 粗天线驻波比/dB 15.302 粗天线对数幅度/dB -1.142 830 860 890 920 950 980 1010 1040 1070 1100 1130 1160 1190 1220 1250 1280 1310 1340 1370 1400 1430 1460 29.236 27.450 22.748 15.982 10.512 7.162 4.902 3.251 2.452 1.756 1.438 1.402 1.518 1.815 2.078 2.184 2.565 2.624 2.988 3.042 3.468 3.925 -0.595 0.621 -0.775 -1.083 -1.621 -2.371 -3.682 -5.561 -7.889 -11.121 -14.250 -14.902 -13.624 -10.598 -9.234 -8.412 -7.314 -7.031 -6.120 -5.882 -5.142 -4.392 13.241 11.257 7.902 5.562 3.812 3.002 2.281 1.823 1.638 1.498 1.442 1.451 1.402 1.517 1.612 1.602 1.704 1.675 1.802 1.761 1.851 1.952 -1.341 -1.606 -2.267 -3.256 -4.821 -6.263 -8.290 -10.187 -11.904 -14.201 -14.802 -14.520 -15.218 -13.925 -12.503 -12.721 -11.956 -12.302 -10.812 -10.798 -10.134 -9.582 Smith圆图： 细天线：1.101GHz 对应87.6欧，1.25150Ghz对应24.3欧 粗天线：999.5MHz 对应124.1欧，1.206Ghz对应34.9欧

细单极天线： Smith圆图：

驻波比：

对数幅度

粗单极天线： Smith圆图：

驻波比：

对数幅度：

六、练习题

设计、制作一中心频率为2.45GHz的微带天线,天线采用50Ohm微带线馈电，扫频范围：2.2GHz-2.7GHz。 板材参数：

H:基板厚度(1.5 mm)， Er:基板相对介电常数(2.65)

Mur:磁导率(1)， Cond:金属电导率(5.88E+7) Hu:封装高度(1.0e+33 mm)， T:金属层厚度(0.035 mm)

TanD:损耗角正切(1e-4)， Roungh:表面粗糙度(0 mm) 解：原理图优化结果及仿真图

0dB(S(1,1))-5-10-15-202.22.32.42.52.62.7

freq, GHz

生成变换传输线版图，再画上贴片部分版图

版图仿真结果如下图：

S110-5Mag. [dB]-10-15-202.22.32.42.52.62.7Frequency

中心频率还是发生了偏移，改进方法：减少匹配线长度，减少贴片长度 后处理：结果输出

中心频率设为2.45GHz，阻值设为50欧姆，

七．思考题

1.天线工作在中心频率时其输入阻抗有什么特点？

答：天线工作在中心频率时其输入阻抗虚部为零，是纯电阻。 2.天线线极化和水平极化的概念及所设计的天线是哪种极化？

答：电场矢量的端点是一条直线，该直线与X轴的夹角不随时间变化，这种极化波称为线极化波。电波的电场方向与地面平行，则称它为水平极化波。所设计的天线是线极化。 3.实验体会和建议。

此次试验我学到很多关于天线的基本知识，包括天线的辐射原理、极化，还有天线重要的技术指标，比如方向图、增益、带宽等。之后我又了解了微带天线的相关知识，及参数计算，学会用ADS进行矩形贴片微带天线的设计，及仿真，优化，并能生成版图，观看3D的天线方向图和电流分布。

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