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01
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：
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。
2.2 馈线设计、ADS LineCalc工具使用 （1）启动LineCalc,如图2所示。
（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。
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。
图4 EM和新建Substrate （6）点击open 进行Substrate设置，如图5所示。
图5. 进行Substrate 设置 （7）如图6进行扫频设置。
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。
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）。
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。
图9. 优化变量设置 （4）目标Goal和Optim设置设置如图10所示。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
图18. 优化设计目标
图19. 优化结果
图20. 最终仿真结果
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射频/微波
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2018-05-12
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