利用ADS和HFSS仿真微带天线案例(修改版)
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):
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,
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。
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:
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。
根据式(2)-(5)计算天线几何参数。
(1)本次仿真默认使用ADS2011版本,创建一个工程
创建一个原理图文件:
启动LineCalc,如图2所示。具体设置如下:
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:
(3)单击:Options→Preferences...→Units/Scale,设置Length:mm。
(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。
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)
(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
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
注意此处不能有空隙,否则端口就无法连接到馈线上。
(7)EM设置
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
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
添加如下图所示的文件
设置完成后回到之前图面,按图选择下面的AIR空气部分
选择cond黄色部分
根据上面章节所知道的参数,具体设置如下所示:
同理介质板的设置参数如下所示:
同理接地面设置如下所示:
设置完成后关闭保存
然后去设置扫描频率宽度
设置完成后保存,然后点击如下图所示图标
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。
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
最后点击“Compute”
点击“Antenna Parameters”
此处保留,后面有用处
首先观察smitch
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
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
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
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
根据前面知道馈线的尺寸
将这两端微带线画到PCB中,仿真
此时再去仿真PCB观察得出的结果
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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