BT_WLAN天线设计实验教材

教育部资通讯人才培育先导型 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 无线通信教学推动聯盟中心 Bluetooth /WLAN天线设计 一、实验目的： 利用50奥姆同轴线馈入方式來设计可操作于GSM900 band (890 –960 MHz), DCS band (1710 –1880 MHz),and WLAN IEEE 802.11 b band (2.3–2.5 GHz) Bluetooth band (2402–2480 MHz)之多频带手机天线。利用數值电磁仿真软件 SEMCAD X设计槽孔天线，。在实作方面使用FR4单面电路板进行实作，电路板 尺寸为40 x 98 x 0.8 120×60×0.8mm3。成品制作完成后，量测天线反射系數、輻 射场形、增益等參數。 二、实验仪器及设计软件： 1. 网络 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 仪 2. 天线幅射场型量测系统 3. SEMCAD X 电磁仿真软件 三、实验步骤： （1）由给定之 FR4玻纤基板參數，决定操作于 2 GSM900 band (890 –960 MHz), DCS band (1710 –1880 MHz),and WLAN IEEE 802.11 b band (2.3–2.5 GHz) Bluetooth band (2402–2480 MHz)之多频带手机天线金属 片尺寸。 （2）天线尺寸选择后，使用同轴线馈入，决定 50奥姆馈入点位置。 （3）蚀刻FR4玻纤板，制作成品后，量测此天线之输入阻抗及輻射场型等 參數，并讨論其结果。 REFERENCES 1. C.M. Su, K.L. Wong, C.L. Tang, and S.H. Yeh, EMC internal patch antenna for UMTS operation in a mobile device, IEEE Trans Antenna Propag 53 (2005), 3836–3839 2. K.L. Wong, S.W. Su, C.L. Tang, and S.H. Yeh, Internal shorted patch antenna for a UMTS floder-type mobile phone, IEEE Trans Antenna Propag 53 (2005), 3391–3394. 3. F. Kuroki and H. Simizu, A self-complementary antenna with spiral configuration,” IEEE Intern. Workshop on Antenna Technology Small Antennas and Novel Metamaterials March 2006, pp. 116–119. 4. A.M. Abbosh, K. Bialkowski, and M. E Bialkowski, Design of complementary UWB printed monopole Antennas using simple Formulas, IEEE Antenna Propag Soc Int Symp, Albuquerque, NM (2006), 1713–1716. 5. X. Pu and K. Fujimoto, L-shaped self-complementary antenna analyses 教育部资通讯人才培育先导型计划 无线通信教学推动聯盟中心 based on the experiment and simulation, Int Symp Multidimensional Mobil commun Process 2 (2004), 670–672. 6. X. Pu and K. Fujimoto, L-shaped self-complementary antenna, IEEE Antenna Propag Soc Int Symp 3 (2003), 95–98. 7. Y. Mushiake, self-complementary Antenna, IEEE Antenna Propag Mag 34 (1992), 23–29. 8. K.L. Wong, Planar antenna for wireless communications, Wiley, New York, 2003. (a) (b) 图一、(a) Bluetooth /WLAN天线之几何结构图，（b）Bluetooth /WLAN天线之实 体图。 教育部资通讯人才培育先导型计划 无线通信教学推动聯盟中心 图二、Bluetooth /WLAN天线仿真与实测之反射损耗（Return Loss）结果比较图 1.电磁仿真软件设计天线 点选 图→ 可旋转轴坐标显示不同的视角；或是利用 可 观看对象在不同方向上的俯视图。 教育部资通讯人才培育先导型计划 无线通信教学推动聯盟中心 <建立模型> Step1. 画出单层 PCB板，尺寸为 120×60×0.8 mm3。 点选 Brick ，会跳出 NEW Brick 窗口， 在此键入 的对角作标点： First Corner → X = 0，Y = 0，Z = 0 Second Corner → X = 120，Y = 0.8，Z = 60 按下 Done后于建立 物件 Step2画出接地面 点选 Brick 并此键入 Brick的对角作标点： First Corner→X =0，Y =0，Z =0 Second Corner→X =105，Y =0，Z =60 按下 Done建立 Brick对象并改名为 Ground 教育部资通讯人才培育先导型计划 无线通信教学推动聯盟中心 点选对象后，下方的 Settings字段也 可以对此对象进行一些名称、颜色及 做旋转或移动此对象之设定。 教育部资通讯人才培育先导型计划 无线通信教学推动聯盟中心 更改颜色： 点选 Settings字段下 Color 旁的小按扭 ，即可跳出色 彩选择窗口。 →选择橘色 →确定。 教育部资通讯人才培育先导型计划 无线通信教学推动聯盟中心 Step3画出 feed_Pad物件： 点选 Brick →键入 Brick的对角作标点 First Corner→X = 105，Y = 0，Z = 60 Second Corner→ X = 109，Y = 0，Z = 58 按下 Done后于建立 物件后并改名为 feed_Pad 在此已完成 feed_Pad的设定。 教育部资通讯人才培育先导型计划 无线通信教学推动聯盟中心 Step4.画出 U型 monopole Antenna： 作法：以三个 Brick 的作结合组成 U型 monopole Antenna。 1.U_shape_arm： 点选 Brick 并键入 Brick的对角作标点： First Corner→X = 106，Y = 0，Z = 56 Second Corner→ X = 109，Y = 0，Z = 33 按下 Done后于建立 Brick对象后并改名为 U_shape_arm 教育部资通讯人才培育先导型计划 无线通信教学推动聯盟中心 2.U_shape_arm_1： 点选 Brick 并键入 Brick的对角作标点： First Corner→X = 106，Y = 0，Z = 56 Second Corner→ X = 109，Y = 0，Z = 33 按下 Done后于建立 Brick对象后并改名为 U_shape_arm_1 教育部资通讯人才培育先导型计划 无线通信教学推动聯盟中心 3.U_shape_arm_2： 点选 Brick 并键入 Brick的对角作标点： First Corner→X = 106，Y = 0，Z = 56 Second Corner→ X = 109，Y = 0，Z = 33 按下 Done后于建立 Brick对象后并改名为 U_shape_arm_2 在此已完成 U型 monopole Antenna建模。 教育部资通讯人才培育先导型计划 无线通信教学推动聯盟中心 Step4.画出 U型 Slit： 作法:以镜射的方式，复制 U monopole Antenna 金属片并与接地面作 相减。 1. 点选 U monopole Antenna→ 2. 镜射 →会跳出窗口 select point on mirror plane.Press Next or Done to mirror the selection。 3. 并于窗口中键入映像面： Point on plane→X = 105.5，Y = 0，Z = 30 Normal point→ X = 120，Y = 0，Z = 30 并勾选Make Copy 选项→ 点选 Done。 在此已完成镜射复制动作。 教育部资通讯人才培育先导型计划 无线通信教学推动聯盟中心 三对象合并：键盘按住 Ctrl 点选对象 U_shape_arm_、U_shape_arm_1、 U_shape_arm_2 → 按下 Unite图 → 画面将会弹出 Unite Bodies窗口 → 点选 Done。 教育部资通讯人才培育先导型计划 无线通信教学推动聯盟中心 与接地面作相减：键盘按住 Ctrl点选 Ground和合并对象 → 按下 Unite → 画面将会弹出 Subtract Bodies窗口 → 点选 Done。 教育部资通讯人才培育先导型计划 无线通信教学推动聯盟中心 Step5.Edge Source 设定： 点选 →会跳出 NEW Edge Source窗口 →键入 Edge Source位置 Point on plane→X = 107.5，Y = 0，Z = 58 Normal point→ X = 107.5，Y = 0，Z = 56 →点选 done 完成 Edge Source设定 教育部资通讯人才培育先导型计划 无线通信教学推动聯盟中心 完成后另存新档 File → Save As… → 键入档名 → 存档 完成存盘 教育部资通讯人才培育先导型计划 无线通信教学推动聯盟中心 <模拟设定> 点选左方小窗口之 EM-Simulations子窗口，进入仿真设定，依续即可完成设定。 点选 Broadband Simulation 1 Step1 Settings： Excitation：选择频率以 Broadband 或是 Harmonic 仿真。在这边选择 Broadband方式。 教育部资通讯人才培育先导型计划 无线通信教学推动聯盟中心 1.Frequency：中心频率。输入 3000MHz。 2.Bandwidth：频宽设定。输入 2000MHz。 这种设定下，将会仿真由中心频率往高低频各展开 1000MHz 进行仿真，即是从频率 2000MHz仿真至 4000MHz。 3.Simulation Time：SEMCAD电磁仿真软件采用时域算法，这边所设定的时 间需要达到稳态。在此输入 30Periods。 Automatic Termination of Simulation ：点选打勾。模拟至稳态后即自动停止。 aXware：依照是否有加速卡配备而勾选；若有，请打勾。 教育部资通讯人才培育先导型计划 无线通信教学推动聯盟中心 Step2. Solid region (材质设定) 1. 点选 Solid region并于右边 Region点选物件 U_shaped_arm 2. 下方Material栏区，在 Type选项选择 PEC/Metal 3. 相同的材质的对象，可藉由点选 U_shaped_arm右键 Copy →框选相同的对象 →右键贴上 教育部资通讯人才培育先导型计划 无线通信教学推动聯盟中心 不同的材质的对象，点选 Substrate ： Type选择 Dielectric Rel. Permittivity设为 4.4、 Electrical Conductivity设为 0.005。 Step3.Source 点选 Sources中的 Edge Source 可弹出一个 Scope小窗口，可以观看是否有 达到稳态，如果没有，则回到 Setting栏中修改 Simulation Time，将 Simulation Time更改为更大值。 教育部资通讯人才培育先导型计划 无线通信教学推动聯盟中心 Step5. Sensors 点选 Sensors后，右手边窗口即可出现三种 Sensor ，分别为 Far Field , Overall field 及 Sensor of Edge Source 。这边需要特别注意一点的为我们在模拟 Broadband时，Overall Field必须关闭。 教育部资通讯人才培育先导型计划 无线通信教学推动聯盟中心 Step6. Boundaries 及 Circuits维持原设定即可。 Step7. Grid Global Settings：每个对象皆有 Global Setting及 Local Setting for Background 两种选项，基本上 Global Setting 保持原设定即可，针对 Local Setting for Background进行格点的调整。 于下图中我们可以发现，在天线挖槽的部份，并没有完整的格点切割。一个完整 的物件格点，于四周必需有绿色的线条包围(每个对象六个方向面皆要有完整的 格点，可使用视角工具 观看)。 在这边我们可以使用： 1. Scaling → 调整 Bar , 针对 X Y Z等轴 and 全体的调整格点大小。 2. Use Local Settings及 Local Scale Factor字段做调整，数字变小则格点数目变 多，反之数字变大，格点数目少。 教育部资通讯人才培育先导型计划 无线通信教学推动聯盟中心 注意: 在右方 Name栏格里点预选物件 → 将Mode 改为 Boundary Box → 在 User Inner Baseline 勾选 此方式主要应用在有凹槽的部份。 教育部资通讯人才培育先导型计划 无线通信教学推动聯盟中心 到此已完全检查对象在六个面上皆有绿色的线条包围。 教育部资通讯人才培育先导型计划 无线通信教学推动聯盟中心 Step8. Make Voxels 鼠标右键点选 Grid下方之 Voxels → Make Voxels并储存档案 教育部资通讯人才培育先导型计划 无线通信教学推动聯盟中心 → Messages将会显示成功Make Voxels → 如有错误或警告产生 → 请 Reset Voxels → 仔细检查设定上是否有错误或是利用 View Voxel选项，确认每个组件的格点 切割是否有问题。 这边要注意的一点是，当我们按下Make Voxels后，则无法再对设定上进行 修改，请记得修改前按下 Reset才可以开始重新设定。 教育部资通讯人才培育先导型计划 无线通信教学推动聯盟中心 另外可藉由 View Voxels观看所网格所切的对象是否与实际对象相同 勾选 Show Original Model可与原始对象相比较 教育部资通讯人才培育先导型计划 无线通信教学推动聯盟中心 Step9. 模拟 在Make Voxels后。按下上方工具列之 Run Simulation ，即可开始模拟。 教育部资通讯人才培育先导型计划 无线通信教学推动聯盟中心 <模拟结果> 1.观看 S11： 点选 EM-Simulations 字段下的 Results → Sensor 选择 Sensor of Edge Source →Quantity字段下选择S11(f) → 于S11(f)上点选右键 → 选择2D Curve plot View. 教育部资通讯人才培育先导型计划 无线通信教学推动聯盟中心 2.远场辐射 (1)若欲观看特定频率点之远场辐射，可再复制 Broadband Simulation 1 档案 点选 EM-Simulation → Settings → Extracted Frequencies →会跳出 Extracted Frequencies窗口 →点选 NEW可键入欲想要的频率点 →ok 教育部资通讯人才培育先导型计划 无线通信教学推动聯盟中心 教育部资通讯人才培育先导型计划 无线通信教学推动聯盟中心 (2) 勾选 Far Field 重新在 Run 观看各频段的 3D场形 点选 EM-Simulations → Results → Sensor 字段下选择 Far Field → Quantity 字段下在 3D-FarField(theta,phi)项点选鼠标右键 → 点选 Spherical Field View… → 弹出 Farfield Options窗口。 教育部资通讯人才培育先导型计划 无线通信教学推动聯盟中心 在 Farfield Options窗口下点选 → 于 Gain and Normalization勾选 Normalize to → 于 Available Frequencies中选择所要观看的频率点 → 按下 Next。 注意:此频率点为一开始我们在模拟设定时所输入的 Extracted frequencies。 → 3D绘图区即会出现天线 3D场形图，并且于下方出现 Post Processor窗口，可 于此进行设定。 教育部资通讯人才培育先导型计划 无线通信教学推动聯盟中心 →在 Post Processor窗口中于 Data字段中选择 Value of Gain → 按下右方 Scaling字段中的 Autoscale → 出现 Gain的 3D场形图。 注意:每当于 Post Processor中修改任何一项数值或参数，请记得按下 Autoscale。 教育部资通讯人才培育先导型计划 无线通信教学推动聯盟中心 若欲观看各频段的总幅射功率，总灵敏度，效率…等参数信息，于 Post Processor 窗口中右下方 Data Export → 按下 View Details。 此外在 3D场型图中，由下图所示也可藉由点选 X-Y、X-Z、Y-Z转换 2D场型。 教育部资通讯人才培育先导型计划 无线通信教学推动聯盟中心 下图观由察，SEMCAD的模拟结果与量测结果非常相似。