平面倒F缝隙天线的仿真分析.docx

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1、本科毕业论文（设计）题目：平面倒F缝隙天线的仿真分析Simu1ationAna1ysisofPIFAS1otAntenna摘要手机天线设计的主要指标是小型化、多频化和内置化。平面倒F天线(P1FA)由金属地板、辐射贴片、短路贴片和馈电系统组成，其结构紧凑、成本低、制作容易，得到了广泛的应用。但小型P1FA天线的带宽较窄，不易实现同时覆盖GSM800和GSM900,可以在地面开槽形成缝隙天线，通过缝隙引入新的谐振来展宽工作带宽。论文在前人研究的基础上，利用HFSSI2.0仿真了普通的PIFA天线和地面开槽的PIFA缝隙天线，并将二者进行了比较，证明了在地面开槽能够实现增加PIFA带宽的作用。关键

2、词平面倒F天线缝隙天线谐振频率回波损耗AbstractThemainindexesofmobi1eantennadesignisminiaturization,mu1ti-frequencyandbui1t-in.P1annerinverted-Fs1otantennaconsistsofmeta1groundwiths1ots,radiatingpatch,shortcircuitpatchandfeeding1ine.PIFAs1otantenna,whichhasthefeaturesofcompactsize,1owcost,easytofabricateandhasbeenapp1i

3、edwide1y.ThecompactPIFAhasanarrowbandat1owerfrequency,cannotcoverbothofGSM800andGSM900.Thebandwidthcanbewidenedbyintroducings1otsonthegroundp1ane,becausethes1otscanexciteadditiona1resonances.Basedonexistedstudies,PIFAs1otantennaandPIFAantennaehasbeensimu1atedthroughe1ectromagneticsimu1ationsoftwareH

4、FSS12.0,theresu1tsshowPIFAs1otantennahaswiderbandwiththantraditiona1PIFA.KeywordP1anarinvertedFantenna(PIFA)S1otantennaResonantfrequencyReturn1oss第一章绪论21.1 研究背景及意义21.2 本文内容及安排2第2章PIFA和PIFA缝隙天线的理论分析42.1 常见的PIFA天线举例52.2 PIFA天线原理8第三章平面倒F天线的仿真93.1 建立新的工程模型93.2 设置设置材料、源和边界条件133.3 求解设置153.5 后处理计算16第四章缝隙天线

5、的仿真分析214.1 建立工程模型214.2 设置设置材料、源和边界条件274.3 求解设置284.4 后处理计算28结束语34谢辞35参考文献36UA刖百手机天线是手机的重要组成部分，按照安置方式分，目前手机天线主要有内置及外置天线两种。天线的架设都是尽量远离地面和建筑物的，天线接近参考地的时候，大部分能量将集中在天线和参考地之间，而无法顺利发射，所以天线发射，需要一个“尽量开放的空间。而手机电路板就是手机天线的参考地，让天线远离手机其他电路，是提高手机天线发射效率的关键。但受到实际环境限制以及大家追求携带方便的要求，手机的设计就必须在电气方面做出妥协。实际上，所有的GSM手机的接收发送电路

6、的增益都是是可以根据环境变化而自动调节的，能通过合理的参数设定，会自动补偿有关的损失。所以，就手机整体而言，在信号比较好情况下，内天线和外天线并不能看出差别。差别是有的，在信号很弱的情况，外天线尤其是长天线的信号死点门限将高于内天线，也就是理论上内天线手机比较容易在弱信号环境丢失信号。按照设计方式分，主要有P1FA天线和单极天线两种，PIFA天线是以其侧面结构与倒反的英文字母F外观雷同而命名，天线由塑胶支架和金属片（辐射体）组成。PIFA天线只需利用金属导体配合适当的馈入及天线短路片接地面的位置。单极天线是指竖直的具有四分之一波长的天线，该天线安装在一个接地平面上，它可以是实际地面，也可以是诸

7、如搭载工具车体等人造接地面上。单极天线的馈电是在下端点使用同轴电缆进行的，馈线的接地导体与平台相连接。在自由空间中，四分之一波长单极天线在垂直平面上的辐射方向图于半波偶极天线在垂直平面中的方向图形状相似，但没有地下辐射、在水平面上，垂直单极天线是全向性的。四分之一波长单极天线根部的输入阻抗为偶极天线阻抗的一半。辐射功率也为偶极天线的一半。本篇论文重点讨论P1FA天线的经典设计和改进型设计。第一章绪论1.1 研究背景及意义P1FA天线是目前应用最为广泛的手机内置天线，尺寸小。具有重量轻、剖面低、造价便宜、机械强度好、频带宽、效率高、增益高、受周围环境影响小、对人体辐射伤害小、覆盖频率越多等一系列

8、优点。PIFA缝隙天线是在前人研究基础上做的一种改进，这种天线在保留PIFA天线的优点的基础上，性能得到了进一步的优化。手机通信是无线移动通信的一个重点研究内容，无线移动通信系统目前主要采用三种数字无线电话技术，TDMA、GSM和CDMA。具体到我们国家的主要移动运营商，中国移动和中国联通在2G通信中采用的具体实现方案均为GSM通信系统，这也是目前世界上应用最为广泛的移动通信技术标准。GSM使用的是时分多址的一种变体，GSM分GSM800、GSM900、DCS1800和PCS1900三个频段，一般的所谓的双频手机就是在GSM900和DCS1800PCS1900频段切换的手机。GSM800的工作

9、频率是上行780815MHz,下行825860MHzGSM900的工作频率是上行880915MHz,下行925960MHz,GSM1800的工作频率是上行7101785MHZ,下行18051880MHZ。GSMI900的工作频率是上行1850-1910MHz,下行19301990MHz。中国移动在3G通信中采用的TDS-CDMA,1880-1920MHz（上行）、2010-2025MHz（下行）是其工作频段。中国联通在3G通信中采用的WCDMA,工作频段为1940MHZ-1955MHZ（上行）、2130MHz-2145MHZ（下行）。中国电信在采用CDMA2000制式,工作频段为1920MHZ

10、-1935MHZ（上行）、2110MHz-2125MHZ（下行）。移动通信手机对天线的要求是，外在要求：天线尺寸小、重量轻、剖面低、携带方便、机械强度好。电性能要求：水平面要求有全向辐射方向图、频带宽、效率高、增益高、受周围环境影响小，对人体辐射伤害小。天线设计要求谐振频率覆盖在给定的频率内，覆盖频率越多越好。1.2 本文内容及安排天线问题是具有复杂边界的电磁场边界问题，难以得到严格解。针对具体的天线类型总要作近似处理，以得到满足一定要求的近似解。尽管天线种类很多，性能和分析设计方法各异，但基本原理和设计方法是相通的。天线的分析设计工作采用计算机辅助设计软件来完成，这些软件的核心都是基于电磁场

11、的数值算法，可以达到相当高的分析精度。天线的分析设计中，有限元法、矩量法和时域有限差分法的应用最为普遍。当前流行的电磁仿真软件主要为美国ansoft公司的HFSS（高频电磁场仿真）和德国CST公司生产的microwavestudio（微波工作室），本文采用ansoftHFSS12.0对PIFA天线和PIFA缝隙天线进行了仿真。第一章为绪论，介绍了研究背景和意义及内容安排,主要的无线通信模式及工作频率，天线设计的主要工作就是谐振频率覆盖在指定的频率内，覆盖频率越多越好。第二章介绍了P1FA天线和缝隙天线的理论分析。第三章通过AnSoftHFSS12.0软件仿真分析了一个地面尺寸为IOommX40

12、mm,高度为6mm,贴片尺寸为40mmX15mm的PIFA天线，天线具有两个臂，臂长分别为40mm和28.5mm,从天线的回波损耗图得到天线的谐振频率分别为0.9GHZ和1.8GHz。天线在0.9GHZ的-6dB带宽为120MHz,在1.8GHz的带宽为80MHZ。第四章在第三章的PIFA天线基础上进行了4个开槽，每个槽的长度和宽度分别为7.5mmX1mm、23.5mm3mm3mmX3mm和19mmX2mm,然后通过AnSoftHFSSI2.0软件进行了仿真分析。从天线的回波损耗图得到天线的谐振频率分别为0.9GHZ和1.8GHz。天线在0.9GHZ的-6dB带宽为120MHz,在1.8GHZ

13、的带宽为130MHz。与第三章的谐振频率和带宽进行比较，验证了平面倒F缝隙天线在高频段的带宽比PIFA天线的宽。第2章PIFA和PIFA缝隙天线的理论分析P1FA天线是目前应用最为广泛的手机内置天线、尺寸小、具有重量轻、剖面低、造价便宜、机械强度好、频带宽、效率高、增益高、受周围环境影响小、对人体辐射伤害小、覆盖频率越多的一系列优点。PIFA缝隙天线是在传统的P1FA天线地面上开槽，这种天线在保留PIFA天线的优点的基础上，带宽得到了进一步的拓宽，发射效率也得到了提高。下面对这两种天线进行基本描述和原理分析。1 .天线结构辐射体面积55060Omm2,与PCB主板顶面的距离（高度）67mm。天

14、线与主板有两个馈电点，一个是天线模块输出，另一个是RF地。天线的位置在手机顶部。PIFA皮法天线如按要求设计环境结构，电性能相当优越，包括SAR指标，是内置天线首选方案。适用于有一定厚度手机产品，折叠、滑盖、旋盖、直板机。2 .主板天线投影区域内有完整的铺地，同时不要天线侧安排元器件，特别是马达、听筒、话筒、振荡器、排线、等较大金属结构的元件和低频驱动器件。它们对天线的电性性能有很大的负面影响.3 .天线的馈源位置和间距一般建议设计在左上方或右上方；间距在45mm之间。4 .PIFA天线的两种主要设计方式（1）支架式天线由塑胶支架和金属片（辐射体）组成。金属片与塑胶支架采用热熔方式固定。塑胶常

15、用ABS或PC材料，金属常用镀铜、磷铜、不锈钢片。也可用FPC,但主板上要加两个PIN,这两项的成本稍高。图2.1为一种支架式PIFA的结构图。（2）贴附式直接将金属片（辐射体）贴附在手机背壳上。固定方式一般用热熔结构。也有用背胶方式的，由于结构不很稳定，很少采用。出射贴)；1/,7-,接地板同轴谊电toH.(X(b)VY1WU图2.1P1FA天线2.1 常见的PIFA天线举例文献提出了如图2.2的PIFA天线，这种天线可以覆盖GSM9001800MHz的双频，采用了两个贴片分支。尺寸如图所示，这种天线在低频的带宽24MHz,在高频的带宽为123MHz,计算曲线如图2.3所示。图2.2具有两个贴片分支的PIFA天线2.5:1VSWRIO934958-950MHz1726I11849201-800MeasuredSimu1ated(IE3D)r-i79OIOOO120014001600180020Frequency(MHZ)图2.3回波损耗图文献提出了如图2.4的PIFA天线，此类天线在贴片上沿边缘进行了开槽，使其在低频和高频段带宽都得到了展宽。尺寸如图所示，这种天线在低频的带宽是77MHz,在高频的带宽为207MHz,这种双频天线的反射系数图如图2.5所示。图2.5回波损耗图文献还提出了如图2.6的