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利用ADS Momentum設計微帶天線(Patch Antenna)

2009-02-05 來源：微波射頻網字號：大中小

圖10

因為h/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以利后面的計算，如圖11(b)所示。而由于接地面的關系，會使slot對地面產生一個image的效果，而使磁流變成二倍，即Ms=-2nXEa ，如圖11(c)所示。二個幅射邊的磁流如圖12所示，可以看成是二個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換器，在垂直天線的方向二個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產生。二個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設計平板天線

首先在ADS Main Window中開啟一個Data Display Window(點選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)，而后點選Layout Window中momentum substrate create/modify 去定義基板參數(圖3、4)；點選momentum mesh setup，設定切割區塊的大小和切割的頻率，如圖5；點選momentum simulation S-parameters，啟動電磁模擬器momentum并開始模擬，如圖6。模擬結束后可在Data Display Window中看到模擬結果，如圖7所示，點選momentumapost -processingaradiation pattern，去看遠場場型(Far-field pattern)，如圖8所示；在圖8的視窗中可點選current　set port solution weights，設定想看電流變化的頻率點，如圖9、10。圖11秀出在諧振頻率點的電流變化。　　

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

圖4 定義金屬參數

圖5 設定mesh frequency 和 mesh density　

圖6 模擬設定

圖7 在Data Display Window中秀出模擬的結果

圖8 遠場場型

圖9 設定想看的頻率點　

圖10選擇觀看結果的視窗　

(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諧振頻率點的電流變化

另一個例子是ADS系統內建的例子。這個例子可以從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去計算電路的尺寸，如圖12。將基頻(fundamental frequency)設定為為7.6GHz，基板的介電系數為2.2、厚度為0.79mm，之后建構實體電路在Layout Window內，如圖13所示。模擬完之后可以在Data Display Window 中看到結果，從圖14中可以看到兩個諧振的頻率點，一個在7.6GHz，一個在1??8.37GHz。用第二個分析方法來看可以知道第一個諧振頻率為TM001 mode；第二個諧振頻率為TM030 mode，電流變化和遠場場型分別在圖15、16中?！?/div>

圖12 計算電路的尺寸　

圖13 電路的布局圖

圖14 在Data Display Window中秀出模擬結果

(a)TM001 7.6GHz

(b)TM030 18.37GHz

圖15 電流變化　

(a)遠場場型 7.6GHz　

(b)遠場場型 18.37GHz

圖16 遠場場型

結論

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，同時使這二個部分達到最佳化，Slot Feed 是改良自Buried Feed 的架構，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 可以設計平板天線的實際尺寸，再利用ADS 做模擬，如第一個設計的例子所述，利用Cavity Model 可以對平板天線實際的諧振情形有更深入的了解，如第二個例子所述。

以ADS實際設計幾個例子，主要的目的是希望能幫助設計者使用ADS快速的完成設計的工作。更深入的理論可以參考Constantine A.Balanis , antenna theory　analysis and design, Second Edition, Wiley, CH12, 2000。