实验矩形微带天线的设计

（一）实验目的 了解微带天线设计的基本流程 掌握矩形微带天线的设计方法 熟悉在 ADS 的 layout 中进行射频电路

设计的方法

（二）设计要求 用陶瓷基片（ εr ＝ 9.8 ），厚度 h ＝

1.27mm ，设计一个在 3GHz 附近工作的矩形微带天线。

基片选择的理由是：陶瓷基片是比较常用的介质基片，其常用的厚度是 h ＝1.27mm ， 0.635mm ， 0.254mm 。其中 1.27mm 的基片有较高的天线效率，较宽的带宽以及较高的增益。

（三）微带天线的技术指标

辐射方向图 天线增益和方向性系数 谐振频率处反射系数 天线效率

（四）设计的总体思路 计算相关参数 在 ADS 的 Layout 中初次仿真 在 Schematic 中进行匹配 修改 Layout ，再次仿真，完成天线设

计

（五）相关参数的计算 需要进行计算的参数有

贴片宽度 W 贴片长度 L 馈电点的位置 z 馈线的宽度

（五）相关参数的计算（续） 贴片宽度 W 、贴片长度 L 、馈电点的位

置 z 可由公式计算得出

馈线的宽度可以由 Transmission Line Calculator 软件计算得出

（五）相关参数的计算（续）

（六）用 ADS 设计过程 有了上述的计算结果，就可以用 ADS 进

行矩形微带天线的设计了

下面详细介绍设计过程

ADS软件的启动 启动 ADS 进入如下界面

创建新的工程文件 进入 ADS 后，创建一个新的工程，命名

为 rect_prj 。打开一个新的 layout 文件，首先设定度量单位。在 ADS 中，度量单位的缺省值为 mil ，把它改为 mm 。方法是：单击鼠标右键－>Preferences… － >Layout Units ，如下图所示

设定度量单位

介质层设置 在 ADS 的 Layout 中进行设计，介质层

和金属层的设置很重要 在菜单栏里选择 Momentum －

>Substrate － >Create/Modify… ， 在 Substrate Layer 标签里，保留FreeSpace 和 ////GND//// 的设置不变，点击 Alumina 层，修改其设置为：

介质层设置（续）

金属层设置 点击 Metallization Layers 标签，在

Layout Layer 下拉框中选择 cond ，然后在右边的 Definition 下拉框中选择 Sigma（ Re ， thickness ），参数设置如下页图。

然后在 Substrate Layer 栏中选择“ ------”后，点击“ Strip” 按钮，这将看到“ ------Strip cond” 。一切完成后，点击 OK 。

金属层设置（续）

在 Layout 中制版 准备工作做好以后，下面就可以进行

Layout 中的作图了。 先选定当前层为 v cond ，再按照前面

计算出来的尺寸作图。 最后在馈线端加入端口

在 Layout 中制版（续）

仿真预设置 在进行 layout 仿真之前，先要进行预设

置。在菜单栏选择 Momentum ->Mesh->Setup ，选择 Global 标签。 鉴于 ADS 在 Layout 中的 Momentum仿真是很慢的，在允许的精度下，可以把“ Mesh Frequency” 和 “ Number of Cells per Wavelength” 设置得小一点

仿真预设置（续）

进行仿真 点击 Momentum -> Simulation ->

S-parameter 弹出仿真设置窗口，该窗口右侧的 Sweep Type 选择 Linear ，Start 、 Stop 分别选为2.5GHz 、 3.5GHz ， Frequency Step 选为 0.05GHz 。 Update 后，点击 Simulation 按钮。

仿真结果

对仿真结果的探讨 由上图可见，理论上的计算结果与实际

的符合还是相当不错的，中心频率大约在 2.95GHz 左右。只是中心频率处反射系数 S11 还比较大，从而匹配不理想，在 3GHz 处， m1 距离圆图上的坐标原点还有相当的距离。在 3GHz 下的输入阻抗是： Z0*（ 0.103-j0.442 ）＝5.15 － j22.1

总体的 2D 辐射方向图

在原理图中进行匹配 为了进一步减小反射系数，达到较理想

的匹配，并且使中心频率更加精确，可以在 Schmatic 中进行匹配。

天线在 3GHz 下的输入阻抗是：Z0* （ 0.103-j0.442 ）＝ 5.15 －j22.1 ，这可以等效为一个电阻和电容的串连。

匹配原理 匹配的原理是：串联一根 50欧姆传输线，使得 S11 参数在等反射系数圆上旋转，到达 g=1 的等 g 圆上，然后再并联一根50欧姆传输线，将 S11 参数转移到接近 0 处。所需要计算的就是串连传输线和并联传输线的长度

ADS 原理图中优化功能可以出色的完成这个任务

匹配过程 新建一个 Schematic 文件，绘出如下的电路图：

匹配过程（续） 其中 TL1 和 TL2 的

L 是待优化的参量，初值取 10mm ，优化范围是 1mm 到20mm 。

设置好 MSub 的值

匹配过程（续） 插入 S参数优化器，一

个 Goal 。其中 Goal 的参数设置如下：

这里 dB （ S（ 1 ，1 ））的最大值设为 -50dB ，是因为在Schematic 中的仿真要比在 Layout 中的仿真理想得多，所以要求设置得比较高，以期在Layout 中有较好的表现。

匹配过程（续） 设置好 OPTIM 。

常用的优化方法有 Random(随机 )、 Gradient(梯度 ) 等。随机法通常用于大范围搜索，梯度法则用于局部收敛。这里选择 Random 。

优化次数可以选得大些。这里设为 300 。 其他的参数一般设为缺省即可。

匹配过程（续） 优化电路

图为：

匹配过程（续） 点击仿真按钮，当 CurrentEF ＝ 0 时，优化目标完成。把它 update 到原理图上（ Simulate － >Update Opimization Values ）。

Deactivate优化器。最终原理图如下：

匹配过程（续）

原理图中的仿真 点击仿真

按钮，可以看到仿真结果为：

原理图中的仿真（续） 放置 Marker 可以得到更详细的数据

在中心频率 f＝ 3GHz 处， S(1,1) 的幅值是 5.539E-4 ，可见已经达到相当理想的匹配。

修改 Layout 参照 Schematic 计算出来的结果，修改 Layout 图形如下

两点说明 由于这里是手工布板，而不是由

Schematic自动生成的，传输线的长度可能需要稍作调整 ( 但不超过 1mm) 。注意要把原先的 3mm 馈线长度也算进去。

为了方便输入，在电路的左端加了一段50Ω 的传输线。其长度对最终仿真结果的影响微乎其微。这里取 1mm 。

仿真结果 按照前述的步骤进行仿真，仿真结果是

仿真结果（续） 为了较精确地给出匹配的结果，我们将

仿真频率范围设为 2.9GHz 到 3.1GHz ，步长精确到 10MHz 。

可见进行原理图匹配的结果是十分理想的。

下面具体给出一些仿真结果。

总体的 2D 辐射方向图

天线增益和方向性系数

天线效率

（七）设计小结 矩形微带天线设计是微带天线设计的基础，然

而作为一名新手，想熟练顺利地掌握其设计方法与流程却也有些路要走。

多仿照别人的例子操作，多自己动手亲自设计，多看帮助文件，是进入射频与微波设计殿堂的不是捷径的捷径。

（七）设计小结（续） 一般来说，按照公式计算出来的矩形天线其反

射系数都还会比较大的，在圆图中反映出来的匹配结果也不是很理想。这也许是由一些公式的近似导致的，但这也使电路匹配成为设计工作必不可少的一环。

在用 Schematic 进行天线的匹配时，以 S11为目标利用仿真优化器来求所需传输线长度的方法 ，是一种省时省力有效的方法。

Thank you！fugw 2003. 6