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利用ADS Momentum設(shè)計(jì)微帶天線(Patch Antenna)
圖10
因?yàn)閔/W很小，所以patch antenna的上表面電流密度是小于下表面的電流密度。我們假設(shè)切線方向的磁場是０，因此等效的電流密度Js 將很小。我們令其為０以利后面的計(jì)算，如圖11(b)所示。而由于接地面的關(guān)系，會(huì)使slot對地面產(chǎn)生一個(gè)image的效果，而使磁流變成二倍，即Ms=-2nXEa ，如圖11(c)所示。二個(gè)幅射邊的磁流如圖12所示，可以看成是二個(gè)dipole形成陣列天線彼此相距L的距離。對TMx010 mode來說L=λ/2，中間平行板則形成低阻抗的轉(zhuǎn)換器，在垂直天線的方向二個(gè)dipole同相位，所以有最大的幅射量(broadside)。而平行天線的方向因相差180°，所以有一null產(chǎn)生。二個(gè)不幅射邊的磁流如圖13所示，在每一邊的磁流量值相同但方向相反因此互相抵消而不幅射，典型的E和H plane的場型如圖14所示。
圖11
圖12
圖13
圖14
利用ADS設(shè)計(jì)平板天線
首先在ADS Main Window中開啟一個(gè)Data Display Window(點(diǎn)選window new data display)后在此視窗中建入Equation(1)、(2)、(3)如圖1，然后在Layout Window中畫出電路圖形(圖2)，而后點(diǎn)選Layout Window中momentum substrate create/modify 去定義基板參數(shù)(圖3、4)；點(diǎn)選momentum mesh setup，設(shè)定切割區(qū)塊的大小和切割的頻率，如圖5；點(diǎn)選momentum simulation S-parameters，啟動(dòng)電磁模擬器momentum并開始模擬，如圖6。模擬結(jié)束后可在Data Display Window中看到模擬結(jié)果，如圖7所示，點(diǎn)選momentumapost -processingaradiation pattern，去看遠(yuǎn)場場型(Far-field pattern)，如圖8所示；在圖8的視窗中可點(diǎn)選current set port solution weights，設(shè)定想看電流變化的頻率點(diǎn)，如圖9、10。圖11秀出在諧振頻率點(diǎn)的電流變化。
圖1 在data display window中建入equations
圖2 平板天線的布局圖
圖3 定義基板參數(shù)
圖4 定義金屬參數(shù)
圖5 設(shè)定mesh frequency 和 mesh density
圖6 模擬設(shè)定
圖7 在Data Display Window中秀出模擬的結(jié)果
圖8 遠(yuǎn)場場型
圖9 設(shè)定想看的頻率點(diǎn)
圖10選擇觀看結(jié)果的視窗
(a)在0度的電流變化
(b)在60度的電流變化
(c)在120度的電流變化
(d)在180度的電流變化
(e)在240度的電流變化
(f)在300度的電流變化
(g)在360度的電流變化
圖11諧振頻率點(diǎn)的電流變化
另一個(gè)例子是ADS系統(tǒng)內(nèi)建的例子。這個(gè)例子可以從ADS Main Window中的File example project momentum antenna single_patch_prj找到，我們也可以用之前建入的Equation去計(jì)算電路的尺寸，如圖12。將基頻(fundamental frequency)設(shè)定為為7.6GHz，基板的介電系數(shù)為2.2、厚度為0.79mm，之后建構(gòu)實(shí)體電路在Layout Window內(nèi)，如圖13所示。模擬完之后可以在Data Display Window 中看到結(jié)果，從圖14中可以看到兩個(gè)諧振的頻率點(diǎn)，一個(gè)在7.6GHz，一個(gè)在1??8.37GHz。用第二個(gè)分析方法來看可以知道第一個(gè)諧振頻率為TM001 mode；第二個(gè)諧振頻率為TM030 mode，電流變化和遠(yuǎn)場場型分別在圖15、16中。
圖12 計(jì)算電路的尺寸
圖13 電路的布局圖
圖14 在Data Display Window中秀出模擬結(jié)果
(a)TM001 7.6GHz
(b)TM030 18.37GHz
圖15 電流變化
(a)遠(yuǎn)場場型 7.6GHz
(b)遠(yuǎn)場場型 18.37GHz
圖16 遠(yuǎn)場場型
結(jié)論
本文一開始先介紹天線饋入的方式，不同的饋入方式對平板天線的效能有決定性的影響，Transmission Line Feed 可以改變輸入的阻抗值，對諧振頻率并不會(huì)有太大的影響，Coaxial Feed和平板天線的排列成正交垂直，所以有很好的隔離度，Coupled Feed是利用coupled line 把能量耦合到天線上再幅射出去，這種方式耦合的能量通常較小，Buried Feed是把天線做在上層，傳輸線做在下層，同時(shí)使這二個(gè)部分達(dá)到最佳化，Slot Feed 是改良自Buried Feed 的架構(gòu)，在傳輸線和天線中間放上接地面，使二者有很好的隔離度。
其次介紹兩種分析平板天線的方法，一種是以Transmission-Line Model 來分析電路，另一則利用Cavity Model來做分析，利用Transmission-Line Model 可以設(shè)計(jì)平板天線的實(shí)際尺寸，再利用ADS 做模擬，如第一個(gè)設(shè)計(jì)的例子所述，利用Cavity Model 可以對平板天線實(shí)際的諧振情形有更深入的了解，如第二個(gè)例子所述。
以ADS實(shí)際設(shè)計(jì)幾個(gè)例子，主要的目的是希望能幫助設(shè)計(jì)者使用ADS快速的完成設(shè)計(jì)的工作。更深入的理論可以參考Constantine A.Balanis , antenna theory analysis and design, Second Edition, Wiley, CH12, 2000。
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