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利用ADS和HFSS仿真微带天线案例(修改版)

作者:tiankai369 / 时间:1年前 (2018/05/20) / 分类:技术文章 / 阅读:868 / 评论:0

文章有些图片显示不完全,多刷新几次就可以了

1、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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2、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)本次仿真默认使用ADS2011版本,创建一个工程


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创建一个原理图文件:


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启动LineCalc,如图2所示。具体设置如下:


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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。


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。

(2)

创建一个PCB文件,具体操作如下:

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

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(4)点击,插入(任意)长方形(天线面),具体尺寸通过双击画好的长方形,修改具体参数。


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为了后续方便操作,尺寸将刚才所花的任意长方形的左下角坐标定义在0点处,且长方形的宽度为33.333mm,长度为26.4746(上面2.1章节中已经计算完成)

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(5)画好天线面后,需要画馈线


画馈线的步骤跟上一节一样,随意画一个长方形,然后双击这个长方形,通过修改其中坐标确定其位置

注意坐标的修改


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Lower Left X:26.4746(这个值跟天线面的长度一样)


Lower Left Y:15.55682(这个值是天线面的宽度/2然后减去馈线宽度/2的值)(33.333/2-2.21936/2=15.55682)


Width:5(这个值上面章节有介绍如何获得的)


Height:2.2194(这个值上面章节有介绍如何获得的


(6)天线面与馈线都画好后,需要添加端口


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注意此处不能有空隙,否则端口就无法连接到馈线上。


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(7)EM设置


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通过上图可以看到有黄色叹号,此处说明设置有错误,需要改正


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此时发现黄色叹号消失了,说明我们的设置正确了。接下来需要设置PCB参数


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添加如下图所示的文件


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设置完成后回到之前图面,按图选择下面的AIR空气部分


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选择cond黄色部分


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根据上面章节所知道的参数,具体设置如下所示:


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同理介质板的设置参数如下所示:


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同理接地面设置如下所示:


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设置完成后关闭保存


然后去设置扫描频率宽度


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设置完成后保存,然后点击如下图所示图标


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2.3 版图仿真。



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此时封装这个 S 参数的仿真结果, 用于原理图仿真。 注意需要设置的地方。


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最后点击“write to File”关闭窗口,此处文件稍后会有用处


回到如下页面


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最后点击“Compute”


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点击“Antenna Parameters”

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此处保留,后面有用处



2.4 匹配优化设计

首先观察smitch blob.png


此时3G出主抗=Z0*(0.459-j0.860)

Z0=50Ω,所以主抗=22.945-j43

回到原理图窗口

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修改Freq=3

TYPE=dB

MIN=-50(此处可以先设置比较小的值,后续跟进图形反馈修改这个值)

设置完成后点击下图

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此处Z=22.945-j43

点击“OK”后,此处有个小窍门,先点击下图所示的短接线,然后到smith中随意点击一下,此时短接线就加入到网络中

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改变“Z0”与“Value”的值可以观察上图方格出红线的变化


开始进行微带传输线的计算。在原理图中,打开 Tools 中的 LineCalc,要进行以下设置:
基片参数(与
layout 处一致)、计算频点、电参数(上面求出的 Z0 和电长度值),然后
synthesize 就可,注意单位。


回到原理图中,计算微带线宽度与长度


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根据前面知道馈线的尺寸

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将这两端微带线画到PCB中,仿真

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此时再去仿真PCB观察得出的结果


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对于工程使用来说此时结果估计也就差不多了


至于后续ADS继续优化,稍后会有文章介绍


仿真源文件下载地址:https://pan.baidu.com/s/1BMBT-ivkV2Zb-iDBTorD5Q


至于smith的匹配怎么个操作方法,可以联系本文作者,张工,18513199638,微信,maoduntage,邮箱,hnsy2009404@163.com


此篇文章来源于某个微信群,我只是狗尾续貂,使用了不同的办法稍加修改,其中关于smith部分的截图有几张是有问题的,也欢迎找我咨询原因。




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