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ADS Momentum設(shè)計平面天線實例

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    [ 轉(zhuǎn)自電子設(shè)計資源 ] 在高效能的衛(wèi)星、飛機、太空梭和行動通訊手機應(yīng)用中,尺寸小、重量輕、低價位、高效能和容易安裝的天線會獲得較高的青睞。平板天線就有外型小、適合平面和非平面的應(yīng)用,和利用現(xiàn)在印刷電路板的低制作成本技術(shù)的好處,而且也容易和microstrip line circuit結(jié)合,使得平板天線成為現(xiàn)今一般最常用的天線之一。
    平板天線主要的缺點有低效率、低功率、high Q、低偏極化純度、broadside directivity(無法作end-fired antenna)和頻寬非常窄等。對國家或軍事的用途上,窄頻寬對傳送機密資料是一種好處。對無線衛(wèi)星行動通訊來說,平板天線有和高頻前端模組易結(jié)合的好處,且平板天線的指向性雖然很差,卻很適合應(yīng)用在無線行動通訊系統(tǒng)。
    本文首先介紹幾種不同feed in的方法。因為高頻的功率放大器難作,功率很珍貴,要有最大的功率可以進入天線中,便要作好阻抗匹配的工作。其次,將介紹二種平板天線的分析方法。一是傳輸線的模型,另一則是cavity的模型,利用安捷倫科技的電腦輔助設(shè)計軟體ADS(Advanced Design System)實際設(shè)計幾個不同feed in的天線,然後作一總結(jié)。
  
天線饋入方式

Transmission Line Feed
    圖1所示是利用傳輸線來feed能量進入天線中。Feed in 點深入平板天線中對諧振頻率並不會有太大的影響,但卻可以改變輸入的阻抗值。Feed in 點位置不同,輸入阻抗就不同。一般對傳輸線的要求和對電路的要求一樣,均希望基板厚度要薄,介電常數(shù)要高才能把大部分的電磁場包在基板裡面。但是對天線來說,卻希望基板厚度要厚,介電常數(shù)要低才能使大部分的場幅射出去。因此,兩者之間有矛盾,須作一折衷,才能使得在不連續(xù)處有較少的幅射損失。


圖 1

Coaxial Feed
    圖2所示,是利用coaxial cable去feed能量到平板天線上。和TransmissionLine Feed相同,可以在平板天線上找到一個feed in 點是想要的輸入阻抗,在此把能量送到天線上發(fā)射出去。coaxial cable和平板天線的排列成正交垂直,所以有很好的隔離度,但是利用coaxial cable來作feed in有一個缺點,就是製作不易,那是因為在基板上打洞,並且要把coaxial cable的中心針銲在天線上並不是一件簡單的事,但因有好的隔離度,所以也廣為大家使用。


圖 2

Coupled Feed
    圖3所示,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,因此,若要有足夠的能量幅射出去,便須把天線的一邊當(dāng)作coupling edge,耦合能量才夠。


圖3

Buried Feed
    圖4所示,是Coupled Feed的一種改良方式,利用多層板的架構(gòu)來作能量的耦合。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。上層用較低的介電常數(shù)和較厚的板子來作以提高幅射,下層用較高的介電常數(shù)和較薄的板子來作以減少傳輸線幅射的產(chǎn)生,這是單層板所沒有的優(yōu)點。但是因為結(jié)構(gòu)較複雜,所以並沒有簡單的模型來模擬它。使用多層板有另一個好處即是可以增加頻寬,類似堆疊的結(jié)構(gòu),由於要對輸入阻抗作匹配,因此若使用transmission line或coaxial cable來作feed in,通常均是以不對稱的方式將能量耦合進去。這種不對稱的方式會產(chǎn)生higher order modes和cross-polarized radiation。為了避免這種情況的發(fā)生,我們會使用Buried Feed 或Slot Feed 的耦合方式來作feed in 的工作。


圖4

Slot Feed
    圖5所示,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,再在接地面上切出一個slot,利用這個slot來耦合能量到天線上。但在接地面上切出一個slot,就像在傳輸線和天線之間又加入一個magnetic dipole,會產(chǎn)生一個虛偽的幅射。稱為虛偽幅射是因為它並不是我們想要得到的,因此,有必要使slot遠離平板天線的幅射邊,以減少虛偽幅射的產(chǎn)生,且應(yīng)適當(dāng)?shù)臎Q定slot的尺寸,以避免在平板天線的操作頻帶中,發(fā)生諧振而影響到正常的操作。


圖5

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