ADS和HFSS仿真微带天线案例

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矩形微带天线设计原理

在工程上,微带天线采用传输模法设计,在PCB板上实现,如图1(a)所示:L是微带天线长边,电场正弦变化;W是其宽边,天线的辐射槽便是宽边的边沿;ΔL是由边沿电容引起的边沿延伸。图1(b)给出其等效电路图,可看成源阻抗通过长为L+2ΔL的传输线与负载阻抗ZL相连,其中ZS=ZL是辐射槽的阻抗;Zin是从输入端口位置的辐射槽向里看的输入阻抗,即不包含第一个辐射槽阻抗在内的输入阻抗。

由具有任意负载阻抗的一段传输线的输入阻抗公式可得(微波工程51页):

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其中,Z0为宽度W的微带线的特性阻抗,β为传播常数。谐振时,

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把(2)带入(1)式得到:Zs=Zin=ZL。这也表明半波长线不改变负载阻抗。ΔL、εe由以下两个式子确定。

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其中,W为微带天线的宽边;h为介质板的厚度;εr为相对介电常数。W值不是很关键,通常按照下面的式子确定:

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02
矩形微带天线ADS仿真设计。

要求:PCB基片εr=3.5,厚度h=1mm,导体厚度T=0.035mm,工作频率3GHz,输入阻抗50Ω。

 

 

2.1 几何参数计算

 

根据式(2)-(5)计算天线几何参数。

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2.2 馈线设计、ADS LineCalc工具使用

(1)启动LineCalc,如图2所示。

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(2)Substrate Parameters 栏中,设置PCB参数;Component Parameters 栏中,设置频率;Electrical 栏中设置阻抗和电长度。具体设置如下:

相对介电常数Er: 3.5

介质厚度H: 1mm

导体厚度T:0.035mm

工作频率Freq:3GHz

特征阻抗Z0=50Ω

电长度E_Eff:180°

其他为默认值。

(3)设置完成后,将Physical 栏中W和L的单位改成mm,然后点击Synthesize 栏下的“向上箭头”按钮,在Physical 栏中得到馈线的宽度为2.219360mm,长度为30.162200mm。然而实际设计中,由于需要匹配设计,考虑到长度影响天线的辐射特性,选取馈线长度为5mm。

 

2.3 版图仿真。

(1)ADS中创建一个工程,命名为antenna_wrk。

(2)单击

 

命名为layout1。

(3)单击:Options→Preferences...→Units/Scale,设置Length:mm。

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图3 Layout 仿真界面

(5)单击“EM按钮”,可看到版图的所有设计,新建Substrate如图4所示。

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图4 EM和新建Substrate

(6)点击open 进行Substrate设置,如图5所示。

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图5. 进行Substrate 设置

(7)如图6进行扫频设置。

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图6 扫频设置

(8)单击Simulate或者“EM”按钮,开始仿真,添加S11圆图,结果如图7所示。在3GHz处,输入阻抗为Z0*(0.337-j0.812)=16.85-j40.6。

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图7. 初步仿真结果

 

 

2.4 匹配优化设计

(1)根据电路知识,天线在3GHz处等效为一个电阻和一个电容的串联,电阻R=16.85Ω,电容C=1.3pF。匹配原理是:在天线信号输入端串联一根50Ω的传输线,在并联一根50Ω的传输线。

(2)新建原理图cell_1。在Tlines-Microstrip、Lumped-Components、Simulation-S_param中添加所需控件。如图8所示(图中都为设置好的控件,并非初始状态)。

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图8. 天线优化匹配电路图

(3)TL1和TL2的L为优化设计的变量,优化设置方式如图9所示。

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图9. 优化变量设置

(4)目标Goal和Optim设置设置如图10所示。

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图10. Goal和Optim设置界面图

(5)单击优化按钮,得到优化界面如图11。TL1.L=10.9049mm,TL2.L=10.2208mm达到优化目标。

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图11 优化界面

(6)达到优化目标后,ADS2016自动弹出数据显示窗口,添加S11,如图12所示

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图12 优化仿真曲线

 

 

2.5版图再次仿真

(1)将优化后的TL1和TL2添加到版图中去,如图13所示。

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图13. 优化匹配后的layout图

(2)仿真结束后得到结果如图14所示。从结果看,出现了0.05GHz的频率偏移。

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图14. 优化仿真后的结果

3. HFSS仿真设计

(1)打开HFSS,在HFSS里添加设计变量如下图15所以。W为贴片天线的宽度,l为贴片天线的长度,w50为50欧姆线宽,l1为串联微带线的长度,l2为并联微带线的长度,lfeed为馈线的长度。

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图15. HFSS设计变量图表

(2)在模型窗口画好模型,设计仿真频率2-4GHz,最后得到仿真结果如图16所示。从结果来看仍有有0.02GHZ的频率偏移,为了达到与设计的一致,我们进行优化设计。

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图16 HFFS 模型以及仿真结果

(3)由于贴片天线的宽度W对结果没有影响,只需要对l、l1、l2三个量进行优化设计。如图17所示。由于频率我们想要频率向左移,因此只需要优化长度往变大的方向,l1和l2的值也仅仅需要在一个很小值的范围浮动。

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图17 优化变量设计

(4)优化目标设计如图18所示,最后优化结果及仿真结果如图19、20所示,从结果来看已经达到我们的设计目标。

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图18. 优化设计目标

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图19. 优化结果

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图20. 最终仿真结果

 

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