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1、基于 ADS 的微带天线的设计与仿真The design and simulation of PIFA based on ADS王伟堃（Wang Weikun）06250109计算机与通信学院计算机与通信学院本科生毕业设计说明书基于基于 ADS 的微带天线的设计与仿真的微带天线的设计与仿真作 者：王伟堃学 号：06250109专 业：通信工程班 级：06 级通信工程（1）班指导教师：侯 亮答辩时间：2010 年 6 月 15 日前前 言言平面倒F天线(PIFA,Planar Inverted F Antenna)主要应用在手机终端中，由于其体积小、重量轻、成本低、性能好，符合当前无线终端对天线
2、的要求，因而得到广泛的应用，进行了许多研究工作。先进设计系统(Advanced Design System)，简称 ADS，是安捷伦科技有限公司(Agilent)为适应竞争形势，为了高效的进行产品研发生产，而设计开发的一款 EDA 软件。软件迅速成为工业设计领域 EDA 软件的佼佼者，因其强大的功能、丰富的模板支持和高效准确的仿真能力（尤其在射频微波领域），而得到了广大 IC 设计工作者的支持。ADS 可以模拟整个信号通路，完成从电路到系统的各级仿真。它把广泛的经过验证的射频、混合信号和电磁设计工具集成到一个灵活的环境中，包括从原理图到 PCB 板图的各级仿真，当任何一级仿真结果不理想时，都可
3、以回到原理图中重新进行优化，并进行再次仿真，直到仿真结果满意为止，保证了实际电路与仿真电路的一致性。本设计通过 ADS 软件对微带天线进行设计，设计了平面倒 F 天线，即 PIFA 天线的设计以及利用 Hilbert 分型结构对天线小型化设计。论文主要包括：PIFA 天线的介绍，ADS 软件的使用，PIFA 天线的设计以及仿真，优化及结果分析等内容。论文结构安排如下：第一章绪论；第二章 FIFA 天线原理及介绍；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 PIF
4、A 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。摘摘 要要平面倒F天线(PIFA,Planar Inverted F Antenna)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，
5、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50, 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。关键词关键词：微带；PIFA；Hilbert；ADSAbstractPlanar inverted F antenna (PIFA, Planar Inverted F Antenna) is
6、a common planar antenna. Planar inverted F antenna has the feature of small-volumed, lightweight, low-profile,and simple structure and it is easy to manufacture, etc. Therefore, it is widely used in mobile phones and other mobile communication terminal devices. The simulation design pattern to the P
7、IFA antenna is a new way that used by the ADS software. The text shows a clear step of the design, and elaborate the caculating method to the microstrip antenna. Combined with the design method, the microstrip antenna, its center frequency is 2.4GHz, and working bandwidth is no less than 120MHz,and
8、the gain is larger than 1.5dB, input impedance close to 50. The design uses Hilbert typing small-structure antennas. Direction pattern is close to full or half-full, which also have horizontal and vertical polarization. The analysis of simulation results shows its correctness and feasibility. The me
9、thod will be able to advance in reducing the workload, improving design accuracy, reducing design costs, so it can simplify the design work, and achieve a betterr effect.Keywords：microstrip； PIFA；Hilbert；Advanced Design System目目 录录第 1 章 绪 论1第 2 章 平面倒 F 天线原理22.1 微带天线简介.22.1.1 微带天的结构 .22.1.2 微带天线的分类.3
10、2.1.3 微带天线的馈电方法 .32.1.4 徽带天线的优缺点 .32.1.5 微带天线的应用 .42.2 分形理论简介.42.2.1 分形的定义 .42.2.2 分形维数 .52.3 倒 F 原理及结构分析.82.4Hilbert 分形结构分析9第 3 章 ADS 软件的使用.123.1 ADS 软件简介123.2 ADS 的使用133.2.1 微带线计算器 LineCalc133.2.2 版图仿真工具 Momentum.13第 4 章 设计说明154.1 天线结构设计与分析.154.2 相关参数的计算.154.3 天线设计.164.3.1 绘制版图 .164.3.2 层定义 .204.3
11、.3 端口的定义 .214.3.4 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图目录图目录图 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 4.4 ADS 主窗口.17图 4.5 新建版图设计 .17图
12、 4.6 Layout Unit 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 4.9 Substrate Layers 中层的参数设置.20图 4.10 Metallization Layer 中层的参数设置21图 4.11 端口的设置.22图 4.12 Mesh 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 5.3 0 度表面电流分布图25图 5.4 90 度
13、表面电流分布图25图 5.5 180 度表面电流分布图26图 5.6 270 度表面电流分布图26图 5.7 E 面辐射方向图.26图 5.8 E Theta 面辐射方向图27图 5.9 E Phi 面辐射方向图.27第第 1 章章 绪绪 论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
14、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
15、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50, 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。第第 2 章章 平面倒平面倒 F 天线原理天线原理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
16、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21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/2h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
