В предыдущей статье я рассмотрел расчёт и моделирование микрополосковой патч-антенны в ADS. Но даже если начальные размеры рассчитаны по классическим формулам, резонансная частота и входное согласование могут отличаться от ожидаемых.

Один из способов решить эту задачу — автоматическая оптимизация геометрии антенны.

В этой статье покажу, как задать параметры конструкции, настроить целевые функции в ADS, запустить оптимизатор и проверить полученный результат. Отдельно рассмотрим, почему после схемной оптимизации важно перепроверить антенну с помощью электромагнитного моделирования.

В качестве критерия настройки будем использовать коэффициент отражения S11.

В ADS можно не рисовать антенну руками в редакторе топологии, а собрать в схемном редакторе из готовых примитивов. Иногда это бывает проще и удобнее, иногда нет.

Считаем, что антенну мы рассчитали и хотим уже наконец-то её моделировать.

Создаю проект. В проекте создаю лист схемы, сохраняю его и далее слева в библиотеках выбираю Tlines-Microstrip

Оттуда добавляю на схему следующие элементы: MLOC, MACLINE3, MLINE. И к MLINE подключаю порт для моделирования.

Очень рекомендую в настройках единицы измерения перевести в мм.

MLOC - это моя основная чать патч антенны, ей и задаю размеры.
MACLINE3 - это три линии, по сути они мне будут имитировать часть патча, где делается врезка питания. Задаю и этому элементу размеры.
MLINE - питающая линия.

Вот что в итоге получается.

Здесь все размеры интуитивно понятны. Это ширина и длина элементов. По моему очень удобное представление для моделирования.

После этого необходимо превратить сие в топологию. Для этого через меню Layout создаю топологию Generate/Update Layout

Появится окно настроек

После нажатия ОК появится редактор топологии

С надеждой, что я ввёл все параметры верно, соединяю один элемент с другим. Получаю свою патч антенну для моделирования. Создаю Substrate, выбираю там FR4, его толщину и прочие параметры. И настраиваю параметры моделирования.

После первого запуска моделирования получаю первые результаты.

Оптимизация антенны

Для начала порт удаляется и вместо него устанавливается терминирующий резистор 50 Ом. Он находится в библиотеке стандартных элементов Basic Components.

А для проведения симуляции необходимо добавить элемент S-Parameters из библиотеки Simulation-S_Param

В библиотеке Optim/Stat/DOE беру элемент GOAL

И получаю такую схему.

И теперь надо настроить наши цели оптимизации. Для этого нажимаю на GOAL и в появившемся окне настроек ввожу требования по целям.

Для анализа указываю модуль SP1 и dB(S(1, 1)). После этого нажав на Edit добавляю переменную freq (по частоте).

В пределах указываю в Type меньше, и ввожу значение -20 в графе Max - это то значение, которое меня устроит для тюнинга антенны. И ввожу значения частот от и до.

Цели добавлены. Добавляю движок оптимизации. Он находится в тех же библиотеках, что и GOAL, называется OPTIM.

Это довольно мощный движок и в нём целая куча настроек и возможностей. Мне сейчас потребуется не много из них.

Выбирается тип оптимизации Gradient и устанавливается количество итераций столько, сколько хочется, я ставлю 2000.

После этого во вкладке Display отключаю все галки и устанавливаю только две

После этого можно приступить к симуляции, только настройки ей задать.

В появившемся окне нужно выбрать то, что нужно оптимизировать.

Обязательно надо перейти во вкладку Optimization и тут уже можно выбирать длины компонентов.

Так как в схемном редакторе мы не задавали материал подложки, самое время его задать. Так как для симуляции он нужен. В библиотеке нахожу MSUB и добавляю его на схему.

Маленькая подсказка. Когда уже знаешь, что ищешь, можно не рыскать по вкладкам библиотек, а пользоваться поиском - это удобно.

В параметрах MSUB ввожу толщину и проницаемость материала как для FR4. А ещё не забыть ввести TanD 0.01 - это важно, а то подстройка с 0 не заработает.

Перед оптимизацией моя схема с параметрами выглядит так:

Процесс оптимизации выглядит красиво

После оптимизации открывается окно построения графиков, где необходимо самому на него перетащить график, выбрать для построения параметр S11, размерность dB

и посмотреть что получилось:

Оптимизатор смог подтянуть антенну в нужный частотный диапазон.

После этого можно применить решение оптимизатора к имеющейся антенне.

После оптимизации схемной модели необходимо проверить полученные размеры в электромагнитном симуляторе Momentum.

Схемная модель удобна для предварительной настройки, но не всегда полностью описывает электромагнитные процессы в реальной структуре. Поэтому окончательные параметры S11, резонансную частоту и рабочую полосу нужно оценивать по результатам EM-моделирования.

Если результаты отличаются, стоит проверить геометрию патча и линии питания, параметры подложки, расположение порта и настройки электромагнитного решателя.

Для законченного проекта желательно также оценить эффективность излучения, усиление и диаграмму направленности, поскольку хорошее входное согласование само по себе не гарантирует высоких характеристик антенны.