基于ADS的微带天线的设计与仿真Word文档格式.doc
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第三章ADS软件的使用；
第四章PIFA天线的设计；
第五章仿真优化及结果分析。
第一章介绍了本设计要解决的问题，提出了用ADS软件设计PIFA天线。
第二章详细介绍了PIFA天线的工作原理和Hilbert分型结构的原理。
第三章介绍本次设计主要用到的ADS相关的功能。
第四章详细的介绍了设计的全过程。
第五章就仿真结果及进一步优化做了详尽的分析。
由于水平有限，设计难免存在漏洞和缺陷，欢迎批评指正。
Ⅰ
摘要
平面倒F天线（PIFA,PlanarInvertedFAntenna）是一种常用的平面天线，平面倒F天线具有体积小，重量轻，低剖面，结构简单，易于加工制作等优点，因此被广泛应用于移动电话等移动通信终端设备上。
本设计通过ADS软件对PIFA天线进行仿真设计，尝试了一种PIFA天线设计方法。
在文中给出了清晰地设计的步骤，阐述了设计中微带天线参数的计算方法，结合设计方法给出了一个中心频率为2.4GHz，工作带宽不小于120MHz，增益大于1.5dB，输入阻抗接近50Ω,方向图接近全向或半全向，具有水平和垂直极化特性的微带天线的设计及利用Hilbert分型结构小型化天线的设计。
仿真结果的分析验证了此方法的正确性和可行性。
该方法利用ADS仿真软件进行微带天线的设计，可减少工作量，提高设计的准确性，降低设计成本，因而可使设计工作简单化，能够达到事半功倍的效果。
关键词：
微带；
PIFA；
Hilbert；
ADS
Ⅱ
Abstract
PlanarinvertedFantenna（PIFA,PlanarInvertedFAntenna）isacommonplanarantenna.PlanarinvertedFantennahasthefeatureofsmall-volumed,lightweight,low-profile,andsimplestructureanditiseasytomanufacture,etc.Therefore,itiswidelyusedinmobilephonesandothermobilecommunicationterminaldevices.ThesimulationdesignpatterntothePIFAantennaisanewwaythatusedbytheADSsoftware.Thetextshowsaclearstepofthedesign,andelaboratethecaculatingmethodtothemicrostripantenna.Combinedwiththedesignmethod,themicrostripantenna,itscenterfrequencyis2.4GHz,andworkingbandwidthisnolessthan120MHz,andthegainislargerthan1.5dB,inputimpedancecloseto50Ω.ThedesignusesHilberttypingsmall-structureantennas.Directionpatternisclosetofullorhalf-full,whichalsohavehorizontalandverticalpolarization.Theanalysisofsimulationresultsshowsitscorrectnessandfeasibility.Themethodwillbeabletoadvanceinreducingtheworkload,improvingdesignaccuracy,reducingdesigncosts,soitcansimplifythedesignwork,andachieveabetterreffect.
Keywords：
microstrip；
PIFA；
AdvancedDesignSystem
Ⅲ
目录
第1章绪论 1
第2章平面倒F天线原理 2
2.1微带天线简介 2
2.1.1微带天的结构 2
2.1.2微带天线的分类 3
2.1.3微带天线的馈电方法 3
2.1.4徽带天线的优缺点 3
2.1.5微带天线的应用 4
2.2分形理论简介 4
2.2.1分形的定义 4
2.2.2分形维数 5
2.3倒F原理及结构分析 8
2.4Hilbert分形结构分析 9
第3章ADS软件的使用 12
3.1ADS软件简介 12
3.2ADS的使用 13
3.2.1微带线计算器LineCalc 13
3.2.2版图仿真工具Momentum 13
第4章设计说明 15
4.1天线结构设计与分析 15
4.2相关参数的计算 15
4.3天线设计 16
4.3.1绘制版图 16
4.3.2层定义 20
4.3.3端口的定义 21
4.3.4Ｓ参数仿真—Mesh设置 22
第5章仿真结果及分析 24
第6章设计总结 28
参考文献 29
英文原文 30
中文翻译 49
致谢 62
Ⅳ
图目录
图2.1微带天线的基本结构 2
图2.2典型倒L和倒F形天线结构 9
图2.3IFS生成Hilbert分形曲线的过程 10
图2.4Hilbert分形迭代结构 11
图3.1微带线计算器LineCalc 13
图4.1基于Hilbert分形结构的倒F天线结构 15
图4.2ADS启动界面 16
图4.3创建工程对话框 17
图4.4ADS主窗口 17
图4.5新建版图设计 17
图4.6LayoutUnit窗口 18
图4.7选择层窗口 18
图4.8天线尺寸测量 19
图4.9倒F天线在Layout中的全貌1 19
图4.10倒F天线在Layout中的全貌2 19
图4.9SubstrateLayers中层的参数设置 20
图4.10MetallizationLayer中层的参数设置 21
图4.11端口的设置 22
图4.12Mesh的设置 23
图4.13仿真进程状态显示窗口 23
图5.1经过Simulation的仿真图 24
图5.2天线的增益 24
图5.30度表面电流分布图 25
图5.490度表面电流分布图 25
图5.5180度表面电流分布图 26
图5.6270度表面电流分布图 26
图5.7E面辐射方向图 26
图5.8ETheta面辐射方向图 27
图5.9EPhi面辐射方向图 27
Ⅴ
第1章绪论
现代无线通信的飞速发展对无线通信设备的设计提出了越来越高的要求。
平面倒F天线（PIFA）具有尺寸小，重量轻且后向辐射小等优点而成为目前内置天线的主要形式。
不断缩小的空间对天线性能提高提出了一个巨大挑战，尤其对带宽的要求仍然很高，目前PIFA提高带宽的方法有很多，诸如增加寄生贴片，开矩形凹槽，改变馈点的结构，加多层贴片或多个支路等，其中改变馈点结构是最直接有效的方法，但是此种方法在实际设计中不易实现，本文利用Hilbert分型结构来小型化平面倒F贴片天线，分形结构的天线具有良好的尺寸缩减特性，可以在有限的空间内大幅度提高天线的效率。
利用一维的Hilbert分形结构在天线在尺寸的缩减的同时，具有较高的天线效率。
现有已使用的RFID标签天线，大多数设计成单极鞭形天线，其结构简单，但所占用空间较大。
现代无线通信领域常采用的天线是倒F型单极天线，它结构紧凑，带宽适中，不容易损坏，而且功耗更低。
同时，分形结构的特性之一就是具有空间填充性能，即分形能够在很小的体积内充分地利用空间。
而采用分形结构设计的天线，可以大大减小天线的尺寸，提高系统的稳定性。
下文将设计一个中心频率为2.4GHz，工作带宽不小于120MHz，增益大于1.5dB，输入阻抗接近50Ω,方向图接近全向或半全向，具有水平和垂直极化特性的平面倒F天线。
62
第2章平面倒F天线原理
2.1微带天线简介
微带天线最初提出于20世纪50年代，发展于70年代，成熟于80年代，特别是在航天设备和便携式通信系统中。
与其他类型的天线相比，微带天线具有重量轻，剖面小，结构紧凑，外观优美等众多优点，而且能够做成共形天线，便于制造和集成，成为了天线领域的一个研究热点。
天线理论分析的基本问题就是求解天线在周围空间辐射的电磁场，求得电磁场数据后，进而计算出方向图，增益以及输入阻抗等特性参数。
迄今为止已经提出了众多方法对微带天线进行理论分析，常见的方法有传输线模型理论，空腔模型理论等，这些分析方法相对比较简单，缺点是精度不够。
相对比较严格的计算方法也比较复杂的是积分方程法，即全波理论，而对于复杂的微带天线结构一般都是利用数值分析的方法。
2.1.1微带天的结构
微带天线的基本结构如图2．1所示。
其结构一般包括三部分：
介质基片、接地面和微带辐射器。
基片
地板
微带辐射器
微带馈线
λ/2
h
图2.1微带天线的基本结构
辐射贴片和接地面一般采用铜或者其它金属作为材料，形状可以设计成各种各样来满足不同的要求。
介质基片的相对介电常数通常较小，一般不超过10，通常取<
2．5，这样可以增加天线贴片的边缘效应来提高微带天线的辐射能力。
但是其它的性能则要求使用介电常数大于5的介质基片材料。
目前，已制成了介电常数范围较大和损耗角正切低的各种类型的介质基片。
介质基片很薄，其厚度h远小于工作波长，一般在0.001名~0.1之间。
2.1.2微带天线的分类
由定义可知，微带天线贴片和接地板可以根据应用需要设计成各种不同的形状，但总体来讲，都可以将其分为以下三种基本类型：
微带贴片天线、微带行波天线和微带缝隙天线。
微带贴片天线简称MPA（MicrostripPatchAntenna），是结构最简单的微带天线。
常见的贴片几何形状有：
正方形、矩形、圆形、三角形、五角形、环形等。
微带行波天线简称MTA（MicrostripTraveling-waveAntenna），其贴片为链形周期结构或TEM波传输线结构。
TEM波传输线的末端接匹配负载，当天线上维持行波时，可以从天线结构设计上使主波束位于从边射到端射的任意方向。
微带缝隙天线简称MSA（MicrostripSlotAntenna）由微带馈线和开在地板上的缝隙组成。
缝隙可以是矩形（根据矩形的窄或宽可分为窄缝天线和宽缝天线），圆形或环形等。
微带行波天线简称MTA（MicrostripTraveling-waveAntenna），由基片、在基片一面上的链形周期结构或普通的长TEM波传输线（也维持一个TE模）和基片另一面上的接地板组成。
原则上，任何一个TEM波传输体都可以改造成一个行波天线。
对徽带线前言，TEM波传输线天线分为两种：
微带线终端接匹配负载的行波天线和微带线终端为开路或短路的驻波天线。
通常驻波天线为边射，而行波天线的辐射则可设计成从后射直到端射之间的任一方向上。
因此，当波瓣指向边射方向时，行波天线就成为驻波天线。
微带行波天线一般为周期性结构，可预先计算其辐射特性。
同其它行波天线一样，可以用频率来控制主辐射方向。
微带缝隙天线简称MSA（MicrostripSlotAntenna），由微带馈线和开在接地板上的缝隙组成。
其概念是由带状线缝隙天线发展丽来的，更确切地说，是由三板传输线发展过来的。
带状线缝隙天线的研究和应用都已比较成熟，但要注意抑制在“开槽”的接地板和外导体之间产生电位差的那些不希望的模。
窄缝宽缝圆环缝MSA的优点是能产生双向或者单向方向图。
在微带天线的设计中，采用贴片和缝隙的组合结构，可以额外增添一个自由度。
沿着微带馈线一边排列的导带和缝隙的组合可以产生圆极化辐射场。
微带缝隙天线能产生所希望获得的极化，且对制造公差的敏感度比微带贴片天线要低。
2.1.3微带天线的馈电方法
微带天线馈电方法可以分为间接馈电和直接馈电两种。
间接馈电是指无需微带线连接，而是通过电磁耦合的方式进行馈电；
直接馈电是指通过将馈线与金属贴片相连而进行馈电。
直接馈电又分两种方式：
同轴线馈电（Probefeed）和微带线馈电（MicrostripLinefeed）。
2.1.4徽带天线的优缺点
微带天线具有很多的优点，如：
1.剖面薄，体积小，重量轻；
2.具有平面结构，并可制成与导弹、卫星等载体表面帽共形的结构；
3.便于获得圆极化波：
4.可以设计成多频和双极化天线；
5.不需要后面加腔体；
6.天线的馈电结构和匹配网络可以和天线同时制作；
7.馈电网络可与天线结构一起制成，适合于用印刷电路技术大批量生产；
8.可以做得很薄，因此，不影响装载于飞行器上的空气动力学性能；
9.适合于组合式设计（固体器件，如振荡器、放大器、可变衰减器、开关、调制器、混频器、移相器等可以直接加到天线基片上）。
同时，微带天线也有一定的局限性，如：
a.带宽较窄；
b.增益有些情况下不能满足要求（约为6dB）；
c.组成阵列时会有较大的阻抗损耗；
d.有导体和介质损耗，并且会激励表面波，导致辐射效率降低；
e.高性能阵列天线对馈电网络有很严格的要求；
f.很难得到较高的极化纯度；
g.馈线和连接部分会引入额外的辐射；
h.功率容量较小，一般用于中小功率场合；
i.在高频时会出现增益和效率下降，交叉极化增加，阵列中出现较大的互耦；
j.在和微波单片集成电路相结合时，往往会选择一些介电常数很大的介质，但是介电常数很大的介质会使得天线的效率下降，带宽变窄。
2.1.5微带天线的应用
由于微带天线有其独特的优点，它的一些缺点也正在逐渐地被研究克服，并且在许多实际设计中，微带天线的优点远远超过它的缺点，因此它有广阔的应用前景。
一般说来，它在飞行器上的应用处于优越地位，可用于雷达、通信、导航、测高计、着陆系统；
此外它还可应用于直传广播电视、遥感雷达和辐射计、移动卫星电话、移动电台、手机、车顶天线、基站天线、生物医疗系统、监控系统等等。
2.2分形理论简介
2.2.1分形的定义
分形理论是当今世界十分风靡和活跃的新理论、新学科，它的研究对象是自然界非线性科学中出现的不光滑和不规则的几何体。
分形的概念是美籍数学家曼德布罗特（B．B．Mandelbort）首先提出的。
1967年他在美国权威杂志《科学》上发表了题为《英国的海岸线有多长?
》的著名论文。
“海岸线作为曲线，其特征是极不规则、极不光滑的，呈现极其蜿蜒复杂的变化。
我们不能从形状和结构上区分这部分海岸与那部分海岸有什么本质的不同，这种几乎同样程度的不规则性和复杂性，说明海岸线在形貌上是自相似的，也就是局部形态和整体形态的相似。
在没有建筑物或其他东西作为参照物时，在空中拍摄的100公里长的海岸线与放大了的10公里长海岸线的两张照片，看上去会十分相似。
事实上，具有自相似性的形态广泛存在于自然界中，如：
连绵的山川、飘浮的云朵、岩石的断裂口、布朗粒子运动的轨迹、树冠、花菜、大脑皮层⋯⋯"
曼德布罗特把这些部分与整体以某种方式相似的形体称为分形（fractal）。
1975年，他创立了分形几何学（fractalgeometry）。
在此基础上，形成了研究分形性质及其应用的科学，称为分形理论（fractaltheory）。
经过二十几年的发展，它已广泛地应用到自然科学和社会科学的几乎所有领域，成为当今国际上许多学科的前沿研究课题之一。
有关分形的概念，科学史上有记载的最早是由Hausdorff于1919年引入，随后经Besicovitch于1935年和B．B．Mandelbrot于1975年加以改进和发展。
B．B．Mandelbrot曾经为分形下过两个定义：
（1）满足下式条件Dim（A）>
dim（A）的集合A，称为分形集。
其中，Dim（A）为集合A的Hausdorff维数或分维数，dim（A）为其拓扑维数。
一般说来，Dim（A）不是整数，而是分数；
（2）部分与整体以某种形式相似的形态，称为分形。
然而，经过理论和应用的检验，人们发现这两个定义很难包括分形如此丰富的内容。
实际上，对于什么是分形，到目前为止还没有确切的定义。
正如生物学中“生命”的定义一样，人们只能列出一系列生命体所具有的特征，比如对环境的适应能力、生命能力、运动能力以及繁殖能力等等来说明。
现在，人们一般采用著名分形几何学家Falconer在《分形集几何学》中对分形集合F的描述来判断某一对象是否是分形。
他的观点是最好把分形看成是具有某些特性的集合，而不用去寻找一个几乎概括所有情形的精确定义。
因此，Falconer列出了五条用不确定性语言描述的分形集的特性：
（1）分形集都具有任意小尺度下的比例细节，
（2）分形集不能用传统的几何语言来描述，或者说它具有精细的结构。
它既不是满足某些条件的点的轨迹，也不是某些简单方程的解集。
（3）分形集具有某种自相似形式，可能是近似的自相似或者统计的自相似。
（4）一般，分形集的“分形维数”，严格大于它相应的拓扑维数。
（5）分形的生成方式很简单，可以用递归迭代产生。
其中前三项说明了分形在结构上的内在规律性，第（4）项说明了分形的复杂性，第（5）项则说明了分形的生成机制。
2.2.2分形维数
分形维数是分形理论中最重要的一个概念，它是对非光滑、非规则、破碎的等极其复杂的分形客体进行定量刻画的重要参数，它表征了分形体的复杂程度、粗糙程度，即分形维数越大，客体就越复杂、越粗糙，反之亦然。
维数概念历来在数学和物理学中占据着重要的地位。
按传统的观点，维数是确定系统状态的独立变量，只能取整数。
然而，在分形理论中，对于一个分形客体，它的维数一般都不限于整数，而可取任何实数值。
分形维数是定量刻画分形特性的常数，能够反映分形的基本特征，而且赋予了很多崭新的内涵，但由于侧重面不同，有多种定义和计算方法。
常见的有Hausdorff维、信息维、容量维等，它们有各自不同的应用。
下面介绍几种常见的分形维数定义：
（1）Hausdorff维数
设一个客体划分为Ⅳ个大小和形态完全相同的小客体，每一个小客体的线度是原客体的6倍，该客体的Hausdorff维数为：
（2.2.1）
其中表示整体所包含的小图形的个数。
如果把一个客体的线度放大L倍，那么得到的新客体是原客体的K倍，则该客体的维数为
（2.2.2）
（2）信息维数
在Hausdorff维数现的定义中，只考虑了所需覆盖的个数，而不考虑每个覆盖中所含分形集元素的多少。
设表示分形集的元素属于覆盖中的概率，则信息维数为：
（2.2.3）
在等概率的情况下，，即信息维数等于Hausdorff维数。
（3）并联维数
若分形中某两点之间的距离为，其关联函数为，则关联维数为：
（2.2.4）
式中：
（2.2.5）
（4）相似维数
设分形整体S是由N个非重叠的部分……组成，如果每一个部分经过放大倍后可与S全等（……N），并且，则相似维数为：
（2.2.6）
相似维数风与Hausdorff维数是一致的，但在某些情况下，特别是对某些分形曲线，用相似维数似乎要更方便些。
（5）容量维数
容量维数是由Kolmogorov推导的，它的定义类似于Hausdorff维数，是以包覆为基础的。
假定要考虑的图形是n维欧氏空间中的有界集合，用半径为的球填入该图形，假定是球的个数最小值，则容量维数可用下式来定义：
（2.2.7）
除上述定义的几种分形维数外，还有谱维数、模糊维数、拓扑维数、广义维数、微分维数、分配维数、质量维数、填充维数等。
在分析研究中，之所以对分形维数有很多定义是因为要找到对任何事物都适用的定义并不容易。
由于测定维数的对象不同，就某一分形维数的定义而言，有些对象适用，而另外一些就可能完全不适用，因而对不同定义的维数使用不同的名称把它们区分开。
为了便于表示，通常把非整数值的维数统称为分形维数。
2.1.3分形结构的描述语言
描述分形结构的通用方法是函数迭代系统（IFS），它能够方便地生成各种分形结构。
函数迭代系统（IFS）建立在一系列自仿变换因子W的基础上，完成对初始几何结构的迭代。
W可用公式表示为：
（2.2.8）
或者等价于
（2.2.9）
式中，a、b、c、d、e、f为实数，a、b、c、d控制几何结构的旋转和伸缩，e、f控制几何结构线性位移。
假设存在一系列自仿变换因子集合W=……}和一个最初的几何结构么。
那么，将这些自仿变换因子集合形作用于初始几何结构么，就会生成一系列新的几何结构，我们将其记为，……，把这些结果做并集就可以得到新的几何结构，表示如下：
（2.2.10）
式中，称为H算子（HutchinsonOperator）。
将作用于就可以生成下一个几何结构，依次类推，将反复作用于前一个几何结构，就可以不断地生成新的几何结构。
函数迭代系统就是通
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