基于 ADS 仿真的印刷偶极子天线性能分析.doc

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1、精品论文基于 ADS 仿真的印刷偶极子天线性能分析王军 北京邮电大学电信工程学院，北京 （100876） E-mail: 摘要： 本文介绍了一种带有微带巴伦线的印刷偶极子天线结构及其相关的理论分析，利 用 agilent 公司的 ADS 仿真软件，在 layout 层面设计了给定指标下的印刷偶极子天线，仿真结果显示天线性能基本符合设计需求。而后本文进一步通过仿真分析了天线各个部件的尺寸 参数对天线性能所产生的影响，并得出相应结论。本文的结论在不改变传统的天线形状的情况下，为缩小天线尺寸的设计提供了一定的参考。 关键词：ADS，印刷偶极子天线，微带巴伦中图分类号：TP311. 引言天线是无线通信

2、设备中射频结构中极为重要的一个部分，尤其在电子产品设计趋向普遍 小型化的今天，如何缩小天线的尺寸而同时又能够达到天线的性能指标已成为目前研究的一 大热点。微带天线具有体积小、重量轻、低剖面、宽带宽的特点，因此容易做到与高速飞行 器共形，且电性能多样化，尤其是容易和有源器件、微波电路集成为统一组件，十分适合大 规模制造。在现代通信中，微带天线广泛应用于 100MHz 到 50GHz 的频率范围内，是目前 应用得比较广泛的一种天线设计1。微带平衡巴伦馈电的印刷偶极子天线属于微带天线的一种。最早的微带天线的概念由 Deschamps 在 1953 年提出，但是有关微带天线的首个专利文件却是由法国人

3、Gutton 和 Baissinot 在 1955 年得到。1972 年，Munson 和 Howell 首次设计制造了能够实际应用的微带 天线，该天线被应用在著名的响尾蛇导弹(sidewinder missile)的数据链系统中。天线的结构往往决定了天线的方向图、极化方向、阻抗特性、天线增益和工作频段等属 性。如果要对一种成熟的天线结构进行缩减尺寸，往往需要借助计算机辅助设计软件进行许 多仿真工作，以保证天线的其他特性不会发生明显的改变。本文通过 ADS 仿真软件，对常 用的印刷偶极子天线的一些重要结构参数进行了仿真，分析了这些参数对天线性能所造成的 影响，为缩小天线尺寸的设计提供了一定的参

4、考。2. 印刷偶极子天线的结构与理论分析典型的微带巴伦馈线的印刷偶极子天线大致可以被分为以下五个部分：偶极子天线臂、 微带巴伦线、地板、馈线、通孔。图 1 显示了该天线结构的平面图。其中偶极子天线臂、微 带巴伦线和地板均处于基质板底层，馈线处于基质板顶层。底层与顶层的微带线通过通孔相 连。根据天线理论，偶极子天线属于平横天线，需要平衡式激励，然而印刷微带天线以及通 常用来馈电的同轴电缆都是不平衡的。引入微带巴伦线的作用就是提供一个印刷电路形式的 不平衡-平衡转换器【5】。从图 1 可以看出，激励信号从顶层馈电微带线的底部馈入（微带线的特征阻抗为），经过过孔接至底层，底层的微带巴伦线一端接地平面

5、，一端接偶极子天线臂。顶层馈电微带线 与底层微带线的电流有着 180 度的相位差，偶极子天线的两个天线臂上的电流的方向相同， 从而实现对偶极子天线的平衡激励。- 6 -图 1 天线平面图如果从通孔处开始分析，底层的印刷偶极子天线和微带巴伦线的等效电路如图 2 所示，则在通孔处得到的等效输入阻抗为：Zin=Zdipole ZbalunZdipole + Zbalun(2.1)其中：(a) 印刷偶极子天线可以等效为半径为 r=w/4 的圆柱线对称振子，参照线对称振子的 输入阻抗公式可以得到印刷偶极子天线的输入阻抗公式：Z= 120(ln 8l 1)(sinh(2 l ) sin(2 l ) sin

6、h(2 l ) + sin(2 l ) j )(2.2)dipolewcosh(2 l ) cos(2 l )cosh(2 l ) cos(2 l)其中： ， 分别为偶极子表面电流的衰减常数和相移常数； w ， l 分别为偶极子天线臂 的长和宽；(b) 微带巴伦的等效输入阻抗的公式为： Zbalun =2jZab tan kh(2.3)其中： k =， h 为微带巴伦线的长； Zab 为偶极子振子两臂之间开缝出的等效共面波导e的特征阻抗；图 2 等效电路图对于实际的天线分析，当把微带馈线以及考虑到实际工程常用的 50 欧的同轴电缆馈线考虑进来，各个部分的一些耦合效应会使整体输入阻抗特性和单独工

7、作时的不同，因此纯理 论的分析往往比较复杂而且也难以给处精确的设计参数。在实际设计中，目前都采用成熟的 仿真软件进行辅助设计，然后与实际的天线性能比较后进行微调。3. 基于 ADS 的印刷偶极子天线设计与仿真3.1 仿真的天线尺寸参数对于给定的介质基板，偶极子天线的臂长决定了天线的谐振频率 f0 ，对于本文的目标 频率为 1.8GHz 的印刷偶极子天线设计参数表 1 所示。表 1 印刷偶极子天线设计的尺寸参数天线尺寸参数偶极子天线臂Ld=29 mmWd=6 mmg2 =3 mm微带巴伦线Lb=25 mmLh=3mmg1 =1mmWf=3mmWb=5mmWh=3mm通孔R=0.4mm地板Lg=1

8、2mm Wg=19mm基底参数厚度H=1.6mm相对介电常数Er=4.6正切损耗TanD=0.018微带线参数厚度h=0.018mm导电率E=5.78x106 siemens/m利用 Agilent 公司的 ADS 仿真软件7，根据表 1 所提供的天线尺寸参数、基底参数、微 带线参数，画出天线版图，如图 3 所示。图 3 ADS Layout 中的天线版图3.2 仿真结果分析如图 4 和图 5 所示，天线的谐振频率为 1.791GHz，回波损耗为-23.571dB，馈电口输入 等效阻抗为 44.85+3.7i ，对于 VSWR1.5 ，天线的相对带宽为 12.00% ，绝对带宽为215MHz(

9、1.685GHz1.900GHz)。说明仿真参数的设定基本满足了天线的设计需求。但是我们 发现仿真的结过与理想的情况还有一定的差距（谐振频率 1.8GHz，输入阻抗表现为纯阻抗 特性 50 欧，以达到和馈电电缆的阻抗匹配）S110m1S11m2Mag. dB-5 freq=1.791GHz dB(my_antenna1_mom_a.S(1,1)=-23.517-10freq=1.791GHz my_antenna1_mom_a.S(1,1)=0.067 / 142.192m2-15-20 m1-251.41.6 1.8 2.02.2Frequency2.4freq (1.400GHz to 2

10、.400GHz)图 4 天线的回波损耗特性图 5 天线的 smith 圆图的阻抗特性4. 天线参数改变对性能的影响下面，我们将进一步考察印刷偶极子天线一些结构尺寸参数对天线性能的影响。 不同偶极子天线臂长 Ld 的情况下，仿真得到的天线性能变化如表 2 所示：表 2 不同偶极子天线臂长 Ld 下的天线性能变化Ld(mm)谐 振 频 率（GHz）回波损耗 (dB)相对带宽 (VSWR1.5)输入阻抗351.509-15.598.28% (1.450GHz1.575GHz)36.7-5.6i321.643-18.4610.95% (1.550GHz1.730GHz)39.4+1.05i291.79

11、1-23.51712.00% (1.685GHz1.900GHz)44.85+3.7i271.900-29.8412.10% (1.795GHz2.025GHz)48.2+2.6i252.025-56.2012.34% (1.910GHz2.160GHz)49.9+0.15i分析：偶极子天线臂长 Ld 决定了天线的谐振频率：随着天线臂的缩短，天线的谐振频率增大了。根据天线理论分析，有 Ld = e =c44 f0 r，其中 r 为有效介电常数。同时我们也发现在其他结构参数不变的情况下，它对天线的回波损耗也有较大的影响，其原因就是 根据公式 2.2，随着 Ld 的减小，偶极子天线臂的等效输入阻抗

12、发生变化，整个天线的等效 输入阻抗也更趋向于纯电阻特性。阻抗匹配越好，回波损耗越小。不同偶极子天线臂宽 Wd 的情况下，仿真得到的天线性能变化如表 3 所示：表 3 不同偶极子天线臂宽 Wd 下的天线性能变化Wd(mm)谐 振 频 率（GHz）反射损耗 (dB)带宽(VSWR1.5)输入阻抗101.785-18.4012.60% (1.685GHz1.910GHz)42.65+8.45i81.790-20.78012.56% (1.680GHz1.905GHz)48.15+10.0i61.791-23.51712.00% (1.685GHz1.900GHz)44.85+3.7i41.796-2

13、5.8710.57% (1.705GHz1.895GHz)45.85+2.65i21.788-26.018.67% (1.715GHz1.870GHz)45.75+2.0i分析：偶极子天线臂宽 Wd 对天线的谐振频率几乎不影响。根据公式 2.2，它会一定程度影响偶极子天线臂的等效输入阻抗，进而影响整个天线的等效输入阻抗。在谐振频率不变的情况下，偶极子天线臂宽 Wd 越大，则输入阻抗的模值越小，天线在谐振频点附近的回波损耗的变化越平缓，进而提高了天线的工作带宽。不同微带巴伦线长 Lb 的情况下，仿真得到的天线性能变化如表 4 所示：表 4 不同微带巴伦线长 Lb 下的天线性能变化Lb(mm)谐振

14、频率 （GHz）反射损耗 (dB)带宽(VSWR1.5)输入阻抗301.788-31.8211.74% (1.695GHz1.905GHz)49.95+2.5i271.793-31.5011.71% (1.690GHz1.900GHz)53.25+4.6i251.791-23.51712.00% (1.685GHz1.900GHz)44.85+3.7i231.788-18.96112.02% (1.680GHz1.895GHz)42.35+8.5i201.759-14.797.67% (1.700GHz1.835GHz)35.65-6.25i分析：微带巴伦线的长度 Lb 对天线的谐振频率几乎不

15、影响。根据公式 2.1 和 2.3，理想4情况下，当 Lb = e 时，Z= jZtan kh = jZtan( 2e ) = jZtan ，则balunababee 4ab2Zin = Zdipole 。如果微带巴伦线的长度 Lb 偏离离，从而影响带宽和回波损耗值。，则会使整个天线的等效输入阻抗发生偏4不同地板长 Lg 的情况下，仿真得到的天线性能变化如表 5 所示：表 5 不同地板长 Lg 下的天线性能变化Lg(mm)谐振频率（GHz）反射损耗(dB)带宽(VSWR1.5)输入阻抗161.780-26.6211.79% (1.680GHz1.890GHz)47.05+3.25i141.78

16、5-24.4711.76% (1.680GHz1.890GHz)46.2+4.3i121.791-23.51712.00% (1.685GHz1.900GHz)44.85+3.7i101.796-21.4211.14% (1.695GHz1.895GHz)42.7+3.0i81.827-20.1913.41% (1.700GHz1.945GHz)41.5+2.85i分析：天线的地板长度 Lg 对天线的谐振频率几乎不影响，但是对整个天线的等效输入阻抗产生一定的影响：随着地板长度的减小，天线的等效输入阻抗的模值也在变小，偏离了 理想的 50 欧的纯电阻特性，进而增大了回波损耗。其主要原因是：比较大

17、的地板纵向面积 可以使反射天线向信号源方向的辐射，使馈线和偶极子天线臂的耦合程度降低，进而改善了 回波损耗。不同地板宽 Wg 的情况下，仿真得到的天线性能变化如表 6 所示：表 6 不同地板宽 Wg 下的天线性能变化Wg(mm)谐 振 频 率（GHz）反 射 损 耗 (dB)带宽(VSWR1.5)输入阻抗251.785-22.9411.76% (1.690GHz1.900GHz)44.55+3.85i221.788-23.23111.74% (1.685GHz1.895GHz)44.7+3.85i191.791-23.51712.00% (1.685GHz1.900GHz)44.85+3.7i

18、171.793-23.1211.99% (1.685GHz1.900GHz)44.7+3.95i151.796-23.3011.97% (1.695GHz1.910GHz)44.85+3.95i分析：地板的宽 Wg 对天线的各个指标均没有太大的影响。5. 结论综合前面的分析，可以得出印刷偶极子天线一些结构尺寸参数对天线性能的影响。适当 地减小偶极子天线臂宽 Wd 和地板的宽 Wg 可以在不较大牺牲天线性能的情况下，减小天线 的面积。但是这种缩减的效果是有限的，如果需要进一步减小天线尺寸，就需要改变天线的 结构，特别是偶极子天线臂的结构，比如近年来不少新的结构都采用了折叠天线臂的设计。参考文献1

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20、 Dipole with Integrated Balun”J Microwave. Journal, Bol. 30, pp. 339-344, May 19877 Agilent. Advanced design system 2003a documentation.Z Product documentation, Agilent Technologies,2003.8 W. L. Stutzman and G. A. Thiele. Antenna Theory and DesignM. Wiley, second edition, 1997.9 James J. R. , P. S.

21、Hall and C. Wood, Microstrip Antenna: Theory and DesignM. London:Peter pergrinus,1981, Chap.10.10 Michishita N, Arai H, Nakano M, et al. FDTD analysis for printed dipole antenna with balunC. Asia-PacificMicrowave Conference, Sydney, 2000: 739-742.11 Thirakoune S, Petosa A, Ittipiboon, et.al. Broadba

22、nd printed dipole antennaC Antenna and PropagationSociety International Symposium, IEEE. Texas: s.n., 2002:52-5512 Chuang Huey-ru, Huo Liang-chen, 3-D FDTD design analysis of a 2.4-GHz polarization-diversity printed dipole antenna with integrated balun and polarization-switching circuit for WLAN and

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24、posiumDigest,Vol.1,pp:286-289Analysis of the Performance of Printed Dipole AntennaBased on ADS simulationWang JunSchool of Telecommunication Engineering, BUPT, Beijing（100876）AbstractThis Paper introduces the structure of printed dipole antenna and gives the analysis with some relativetheories. Then

25、 it designes such an antenna with some given targets by using ADS which is a famous RF simulation software. Whats more, we analyse several parameters of the structure of printed dipole antenna, and find the relationship between their values and the performance of the antenna. Finally, we make a conclusion which can be a reference to help those who wants to reduce the size of antenna without totally changing the structure.Keywords: ADS, printed dipole antenna, microstrip Balun