2.2G矩形微带贴片天线的设计与仿真课程设计

课程设计说明书

题目：2.2G矩形微带贴片天线的设计与仿真

燕山大学课程设计（论文）任务书

说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。

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燕山大学课程设计评审意见表

2.2G矩形微带贴片天线的设计与仿真

2.2G rectangular microstrip patch antenna design

and simulation

摘要：

利用ADS2009软件设计矩形微带贴片天线，通过采用简单明了的传输线模型，建立微带线嵌入馈电贴片天线的精确模型并对之进行分析已成为可能。另外，通过应用曲线拟合公式，也可以确定50Ohm输入阻抗所需的精确嵌入长度。馈电机制在微带贴片天线设计中扮演了重要角色。并在仿真中观察天线的三维图形。Abstract：

The use of ADS2009 software design of rectangular microstrip patch antenna, through the use of simple transmission line model, establish the microstrip patch antenna embedded feed accurate model and carries on the analysis has become possible. In addition, through the application of curve fitting formula, it can determine the input impedance of the 50Ohm required precise embedding length. The feed mechanism in the design of microstrip patch antenna plays an important role in. And in the simulation of 3D graphics on antenna.

关键字：

矩形微带贴片天线馈电方式天线分析软件仿真

Keywords：

Rectangular microstrip patch antenna Feed mode Antenna analysis Software simulation

序言：

目前，在许多应用场合（如移动通信手机中）都需要体积小、重量轻的小型接收天线。微带贴片天线代表一系列的小型天线，以其剖面低、重量轻的优点而成为人们的首选。通过采用简单明了的传输线模型，建立微带线嵌入馈电贴片天线的精确模型并对之进行分析已成为可能。另外，通过应用曲线拟合公式，也可

以确定50Ohm输入阻抗所需的精确嵌入长度。馈电机制在微带贴片天线设计中扮演了重要角色。微带天线可以由同轴探针或嵌入的微带线来馈电，同轴探针馈电在有源天线应用中具有优势，而微带线馈电则是适合于开发高增益微带阵列天线。

在一个薄的介质基板上，一面覆上金属薄层作为接地板，另一面采用刻蚀地方法做出各种形状的贴片，利用微带或者同轴对贴片进行馈电，这就是最基本的微带贴片天线。

正文：

一.天线基础

天线的性能直接影响着整个无线通信的性能，一般来说，表征天线性能的主要参数有方向特性、增益、输入阻抗、驻波比、极化特性等。

1.1 天线的极化方式

所谓天线的极化，就是指天线辐射时形成的电场强度方向。当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波。由于电波的特性，决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减，而垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。

在通信领域还经常应用到极化分集，将两个极化正交的天线用来同时接受同一个信号，产生极化分集增益。若电场矢量具有两个不同幅度且相位相互正交的分量，则在空间某定点上合成的电场矢量的方向将以场的频率旋转，其电场矢量端点的轨迹为椭圆，而随着波的传播，电场矢量在空间的轨迹为一条椭圆螺旋线，这种波称为椭圆极化波。若电场矢量具有两个相同幅度且相位相互正交的分量，则空间某定点上合成的电场矢量的方向将以场的频率旋转，其电场矢量端点的轨迹为圆，此时称为圆极化波。

1.2 天线的增益

天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它是选择基站天线最重要的参数之一。

一般来说，增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。天线增益对移动通信系统的运行质量极为重要，因为它决定蜂窝边缘的信号电平。增加增益就可以在一确定方向上增大网络的覆盖范围，或者在确定范围内增大增益余量。任何蜂窝系统都是一个双向过程，增加天线的增益能同时减少双向系统增益预算余量。另外，表征天线增益的参数有dBd 和dBi。DBi是相对于点源天线的增益，在各方向的辐射是均匀的；dBd相对于对称阵子天线的增益dBi=dBd+2.15。相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。一般地，GSM定向基站的天线增益为18dBi，全向的为11dBi。

1.3 天线的阻抗

天线的输入阻抗：是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。匹配的优劣一般用四个参数来衡量即反射系数，行波系数，驻波比

和回波损耗，四个参数之间有固定的数值关系，使用那一个纯出于习惯。在我们日常维护中，用的较多的是驻波比和回波损耗。一般移动通信天线的输入阻抗为50Ohm 或75Ohm 。

驻波比：它是行波系数的倒数，其值在1到无穷大之间。驻波比为1，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。在移动通信系统中，一般要求驻波比小于1.5，但实际应用中VSWR 应小于1.2。过大的驻波比会减小基站的覆盖并造成系统内干扰加大，影响基站的服务性能。

回波损耗：它是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。回波损耗的值在0dB 的到无穷大之间，回波损耗越大表示匹配越差，回波损耗越大表示匹配越好。0表示全反射，无穷大表示完全匹配。在移动通信系统中，一般要求回波损耗大于14dB 。

1.4 天线的波瓣宽度

波瓣宽度是定向天线常用的一个很重要的参数，它是指天线的辐射图中低于峰值3dB 处所成夹角的宽度（天线的辐射图是度量天线各个方向收发信号能力的一个指标，通常以图形方式表示为功率强度与夹角的关系）。

天线垂直的波瓣宽度一般与该天线所对应方向上的覆盖半径有关。因此，在一定范围内通过对天线垂直度（俯仰角）的调节，可以达到改善小区覆盖质量的目的，这也是我们在网络优化中经常采用的一种手段。主要涉及两个方面水平波瓣宽度和垂直平面波瓣宽度。水平平面的半功率角（H －Plane Half Power beamwidth ）45°,60°,90°等)定义了天线水平平面的波束宽度。角度越大,在扇区交界处的覆盖越好，但当提高天线倾角时，也越容易发生波束畸变,形成越区覆盖。角度越小，在扇区交界处覆盖越差。提高天线倾角可以在移动程度上改善扇区交界处的覆盖，而且相对而言，不容易产生对其他小区的越区覆盖。

二.微带贴片天线的仿真

现在利用FR4介质基板，设计一个工作在2.2GHz 的窄带矩形微带贴片天线。进而熟悉微带贴片天线设计的基本流程，掌握ADS Momentum 在微带天线设计中的使用方法。矩形微带贴片天线可以单独作为天线，也可以作为微带天线阵列的阵元，如果天线的增益比较小，可以考虑将微带贴片天线组成阵列。

2.1设计仿真

用FR4介质基板（4.4E =r ，mm h 6.1=，02.0tan =?）在ADS Layout 中设计一个工作在2.2GHz ，相对宽度大于1%的矩形微带天线，馈电方式为采用微带馈电。

2.2分析

矩形微带天线的长度L 在理论上取值为2/g λ，W 一般取值应小于2/g λ，当W 大于2/g λ时将会产生高次模而导致场的畸变。对于工作在3GHz 的矩形微带天线，其介质波长cm r g 6.6==ελλ，所以贴片长度cm L g 3.32/==λ，W 取2.5cm 。

2.3 ADS 仿真步骤

（1）新建一个工程

打开ADS 2008，新建一个工程并命名为“Patch_antenna ”选择单位为“mm ”，如图1所示。在该工程中新建一个Layout 文件并命名为“Patch ”。

图1 新建工程

（2）创建贴片模型

由于贴片天线的结构比较简单，因此只需要画出贴片部分，接地板可以使用ADS中默认的//////GND/////，因此Layout层设置可以忽略。对于多层天线，为了方便，通常进行Layout层设置，包括设置Layout层中图形显示方式和重命名Layout层。图形显示方式有三种，可以以实心图显示，以轮廓线显示，也可以两者都显示。当天线多层时，为了观察方便，通常选择一轮廓线方式显示。在工具栏中的当前层下拉列表中选择当前的Layout层为cond层。单击工具栏中的

矩形工具，或者使用多边形工具。执行菜单命令【Insert】→【Coordinate

Entry】，如图2所示。在弹出的坐标输入对话框中输入矩形初始点（0,0），单击【Apply】按钮，输入矩形终点（33,25），单击【OK】按钮，如图3所示。完成之后，可以看到在Layout里画好的贴片，如图4所示。

图2 输入坐标1

图3 输入坐标2

图4 Layout中的贴片

（3）基板设置

执行菜单命令【Momentum】→【Substrate】→【Creat/Modify】，在弹出的对话中设置基板基本参数，该基板有空气层、贴片层、FR4介质层，接地板组成。将“FreeSpace”重命名为“Air”，将介质层命名为FR4，并设置介质厚度为1.6mm，介电常数为4.4，以及损耗角正切为0.02.接地板不需要设置，ADS默认就有一层接地板，其固定形式为//////GND/////，如图3.6所示。

（4）把Layout层映射到金属层

把Layout层映射到金属层，也就是把Cond层粘贴到FR-4介质板上，在图3.6左上部分选择“Layout Layer”标签页，如图5所示，在右方“Name”下拉列表中选择贴片所在Layout层Cond，将贴片粘贴在空气与介质板交界面上，单击【Strip】按钮完成贴片的粘贴。一般对于只有一层贴片的天线，软件默认自动粘贴上。但是，如果有几个Layout层，就需要手动完成映射。

图5 Layout层映射

（5）添加端口

单击工具栏中的图标，对贴片天线添加端口，将端口加在贴片天线宽度的一半的位置，如图6所示。

图6 添加窗口

执行菜单命令【Momentum】→【Port Edit】，回到Layout层工作区，单击已经加好的端口，将显示端口编辑对话框，将端口类型设置为“Single Mode”，端口阻抗设置为50 Ohm，如图7所示。一般的，ADS默认端口类型为“Single Mode”。

图7 端口属性设置

（6）S参量仿真

设置S参量仿真器，执行菜单命令【Momentum】→【simulation】→【S-parameters】,弹出仿真控制对话框，配置仿真频率范围，以及扫描方式，如图8所示，单击【simulate】按钮执行Momentum仿真，仿真结果如图9所示。从图中可以看出，S参量中心频率为2.2GHz，但是S参量性能很差。

图8 Ｓ参量仿真控制器

（7）仿真结果

图9 Ｓ参量仿真结果

（8）匹配

a).在数据显示窗口中，执行菜单命令【Tool】→【Data File Tool】，弹出“dftool/mainWindow”对话框，如图10所示。这里需要利用这个工具Momentum 仿真后的SIP文件。导出过程类似。

图10 导出贴片天线的Ｓ１Ｐ文件

b).新建原理图“Mic_matching”,在“Data Item”元件库中选择端口1添加到放入原理图中，如图11所示。在原理图中双击SIP控件，弹出SIP控件的属性对话框，如图12所示。在“FileName”中选择之前导出的SIP文件，点击【OK】按钮。

图11 选择ＳＮＰ控件

图12 选择Ｓ１Ｐ文件

c).利用ADS中的Smith Chart工具对贴片进行匹配，可以通过多种匹配网络来实现贴片阻抗到50 Ohm馈线的变换。但为了简单，这里只选取微带线匹配，即通过一段微带线将贴片阻抗变换到50 Ohm。从图13中可看出，微带贴片天线在2.2GHz处的阻抗为116+j*89.004hm，执行菜单命令【Tools】→【Smith Chart】，匹配结果如图14所示。

图13 选择Ｓ１Ｐ文件

从图13可看出，需加一条特性阻抗为116 Ohm的微带线来实现天线输入阻抗到50 Ohm的匹配，同时需要利用ADS的LinCalc工具计算出这条微带线的具体宽度和长度，如图14所示，最终原理图如图15所示，这里的50 Ohm的微带馈线可以设置任意长度，按【F7】启动A参量仿真，得出的最终匹配结果如图16所示。

图14 LinCalc计算微带宽长度

图15 原理图中匹配

图16 匹配后的S参量性能

（8）带上匹配重新进行MOM仿真

打开前面仿真过的微带贴片Layout文件，按照原理图中的尺寸在Layout中画出匹配枝节的图形，最终Layout图形如图17所示。

图17 最终Layout图形

执行菜单命令【Momentum】→【simulation】→【S-parameters】，这里将扫频方式设置成线性的，原因是在后处理时要用到2.2GHz频点。如果选择自适应类型，将没有这个频点。最终的Momentum仿真结果如图18所示。可看出，Momentum 仿真后的性能比原理图仿真在深度上要差一些，主要由于采用的是场的仿真，考虑到了匹配枝节和天线之间的耦合特性，而原理图是纯粹的路仿真。

图18 S参量性能

（9）Momentum后处理平台

a).执行菜单命令【Momentum】→【Post-Processing】→【Radiation Pattern】，将显示辐射控制对话框。这里设置需要查看的频率、源阻抗等参数。设置这些参数是为观看天线的远场方向性。

b).单击【Compute】按钮，进入到三维的可视化窗口，该窗口是基于EMDS的三维界面。在右方的图形显示区中，可看到贴线的方向图，如图19和图20所示。可看出，贴片微带天线只在半个空间辐射，另外半个空间辐射性很弱。

图19 贴片天线俯视图

图20 贴片天线的辐射方向图

c).在天线设计中，天线上的电流分布也是我们所关心的。因为天线上的电流分布枝节影响了辐射方向和阻抗等参数。在三维可视化窗口的左侧是电流设置窗口，选择“Solution Setup”页，如图21所示。在里面选择要查看电流的频率，然后选择画图属性页，如图22所示，可以选择需要观看的电流显示方式，可以设置电流以箭头的方式出现，并且可以设置箭头的大小，可以设置电流大小按照对数的尺度画出，还可以设置动态显示电流，这样方便观察电流在一个周期的变化。

图21 电流设置窗口1

图22 电流设置窗口2

d).频率选择为 2.208e+009,设置电流显示方式为带箭头显示，电流大小按照对数尺度显示，三维的画图窗口中将显示如图23所示的电流分布。

图23 GHz f 208

.2 的三维电流分布 三.设计心得

1.通过矩形微带天线的设计，知道了与通常的微波天线相比，微带天线的一些主要优点是：重量轻、体积小、剖面薄的平面结构，可以做成共形天线；制造成本低，易于大量生产；可以做得很薄

2. 频带窄；有损耗，因而增益较低；大多数微带天线只向半空间辐射； 最大增益实际上受限制（约为20dB ）；馈线与辐射元之间的隔离差；端射性能差；可能存在表面波；功率容量较低。但是有一些办法可以减小某些缺点。例如，只要在设计和制造过程中特别注意就可抑制或消除表面波。

3. 在许多实际设计中，微带天线的优点远远超过它的缺点。在一些显要的系统中已经应用微带天线的有：移动通信；卫星通讯；多普勒及其它雷达； 无线电测高计；指挥和控制系统；导弹遥测；武器信管；便携装置；环境检测仪表和遥感；复杂天线中的馈电单元；卫星导航接收机；生物医学辐射器。

这些绝没有列全，随着对微带天线应用可能性认识的提高，微带天线的应用场合将继续增多。

四.参考文献

[1]徐兴福.ADS2008射频仿真电路设计.电子工业出版社.2009

[2]陈艳华 李朝晖 夏玮.ADS 应用详解——射频电路设计与仿真. 人民邮电出版社,2008.9

[3]黄玉兰.ADS 射频电路设计基础与典型应用. 人民邮电出版社，2010.1

[4]美I.J.鲍尔 P.布哈蒂亚著，梁联倬等译，微带天线.年电子工业出版社1985

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