手機(jī)雙頻天線設(shè)計(jì)論文

1、通信工程專業(yè)實(shí)訓(xùn) 題目：手機(jī)內(nèi)置天線的設(shè)計(jì)專業(yè)：通信 2 班學(xué)號(hào)： 1167119226姓名： 李盼指導(dǎo)老師：杜永興分?jǐn)?shù)： 寸錄摘要：關(guān)鍵字：第一章:背景介紹第二章:實(shí)訓(xùn)過程記錄第三章:實(shí)訓(xùn)結(jié)論第四章:實(shí)訓(xùn)總結(jié)第五章:參方文獻(xiàn)摘要： 現(xiàn)在的電子通訊技術(shù)飛速發(fā)展，隨著技術(shù)可經(jīng)濟(jì)的推進(jìn)，人們對(duì) 手機(jī)的要求越來越高， 然而手機(jī)的基本功能就是打電話， 而對(duì)手機(jī)的內(nèi)置天線要 求就更高難度更大， 小型化， 并且能工作在不同的頻段下， 文中主要研究雙頻手 機(jī) PIFA 天線。采用了開槽的的設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了天線的雙頻，工作性能良好，易 于實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在大多數(shù)手機(jī)都使用這種天線。關(guān)鍵字 ： PIFA天線，雙頻， GS

2、M,DCS,HFSS 第一章：背景介紹1.1 移動(dòng)通信對(duì)手機(jī)天線的要求天線最主要的功能在于轉(zhuǎn)換兩種不同傳播介質(zhì)中的電磁波能量。在能量轉(zhuǎn)換的過程中， 會(huì)出現(xiàn)收發(fā)信機(jī)與天線及天線與傳播介質(zhì)之間的不連續(xù)接口。 在無線通訊系統(tǒng)中， 天線必須 依照這兩個(gè)接口的特性來做適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)， 以使得收發(fā)信機(jī)、 天線以及傳播介質(zhì)之間形成一個(gè) 連續(xù)的能量傳輸路徑。移動(dòng)通信手機(jī)對(duì)天線的要求：外在要求：天線尺寸小，重量輕，剖面低，攜帶方便，機(jī)械強(qiáng)度好電性能要求： 水平面要求有全向輻射方向圖，頻帶寬，效率高，增益高，受周圍環(huán)境影響小，對(duì)人體 輻射傷害小1.2 手機(jī)天線的指標(biāo)意義天線輸入阻抗：天線的輸入阻抗是以收發(fā)機(jī)與天線間的

3、接口往天線端看入所得到的阻抗值。 這一數(shù)值對(duì) 天線的輻射效率， 天線的帶內(nèi)增益波動(dòng)， 天線前端的功率容量有很大的影響。 手機(jī)天線是一 種駐波天線， ，天線的阻抗不匹配，將導(dǎo)致大量的信號(hào)反射，使天線的輻射效率降低，同時(shí) 由于反射的影響使得天線在寬頻帶內(nèi)的增益有抖動(dòng)， 如果天線的駐波為 6 ，手機(jī)前端的擊穿 電壓將降為原來的 1/6，而功率容量就會(huì)下降。手機(jī)天線駐波對(duì)天線效率的影響不可不慎。天線的駐波要求，我們目前統(tǒng)一要求為小于3。工作頻率與工作帶寬天線的帶寬是指滿足天線全部指標(biāo)的頻帶范圍。 工作頻率是指天線帶寬范圍內(nèi)的所有頻 率。工作帶寬由多個(gè)指標(biāo)來限定， 因此需取其中帶寬最窄的帶寬， 手機(jī)天線

4、中， 方向圖帶寬， 極化帶寬等因素所限定的帶寬大于阻抗帶寬， 因此在手機(jī)天線中一般以滿足所要求駐波的帶 寬范圍作為天線的工作帶寬。波束方向圖 天線波束方向圖是用來描述由天線所輻射出的能量與空間中任意位置的相互關(guān)系， 藉由 方向圖可以得知由天線所輻射出來的電磁波在空間中每一個(gè)位置的相對(duì)強(qiáng)度或絕對(duì)強(qiáng)度。毫無疑問， 手機(jī)天線的水平方向圖要求是全向的， 實(shí)際上手機(jī)天線的波束方向圖并不重 要，主要是在手機(jī)的使用過程中， 此時(shí)手機(jī)天線的輻射特性與單天線的輻射特性是不相同的。 手機(jī)天線的方向圖只要求水平面近似為全向即可。方向性與天線增益 天線的方向性與其波束方向圖有關(guān)，所以方向性也是方位角的函數(shù)，其定義如下

5、： D( , )= 【天線在 ( , ) 方向上的輻射強(qiáng)度】 / 【全向性天線的輻射強(qiáng)度】 在實(shí)際的應(yīng)用上， 由于必須考慮天線本身的輻射效率問題， 故通常都以天線增益的大小 來代替指向性，兩者之間的關(guān)系為：G( , ) =eD( , ) 其中，天線的輻射效率高低與電磁波輻射過程中所損失的能量多少有關(guān)。 天線在能量傳送與接收的過程中所有可能會(huì)產(chǎn)生的能量損失包括： 天線輸入端阻抗不匹 配造成的能量反射、 天線本身的材質(zhì)在高頻下所產(chǎn)生的能量損耗以及在傳播介質(zhì)中所消耗的 能量。手機(jī)天線的增益并不能代表手機(jī)使用時(shí)的效率問題： 真正表示天線增益特性的指標(biāo)應(yīng)該 是天線的平均有效增益， 其與手機(jī)天線的的使用環(huán)

6、境、使用方式、 手機(jī)的結(jié)構(gòu)、手機(jī)設(shè)計(jì)方 式相關(guān)。1.3 PIFA 天線PIFA 天線是對(duì)倒 F 線天線的擴(kuò)展而得到的。此天線的發(fā)展須序是頂加載倒 L 天 線倒 F 天線 PIFA 。由此發(fā)展過程即可知天線的特性與優(yōu)點(diǎn)。其特點(diǎn)是頻帶寬，體積小， 剖面低。圖是 PIFA 的基本圖示：圖 1 PIFA 的基本形式PIFA 天線相當(dāng)于大量 IFA 天線的并聯(lián)，其阻抗相當(dāng)于許多線型天線阻抗的并聯(lián)，因此 平面型天線比線型天線的輸入阻抗要低一些，不但產(chǎn)生了寬帶諧振特性，并且縮小了尺寸。 為了使天線產(chǎn)生自諧振，避免用有耗電路 , 應(yīng)盡量提高輻射電阻，減小損耗電阻，使天線系 統(tǒng)保持一個(gè)足夠高的效率。1.4 PI

7、FA 多頻段實(shí)現(xiàn)方式：為適應(yīng)手機(jī)多頻段工作， 需要內(nèi)置天線實(shí)現(xiàn)多頻段工作。 PIFA 天線實(shí)現(xiàn)多頻段工作， 可以通過使用雙饋點(diǎn)，或通過在 PIFA 天線上采用開槽的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。使用雙饋點(diǎn)時(shí)調(diào)諧頻 率調(diào)諧范圍往往受到一定的限制，因此實(shí)際手機(jī)中的多頻段多采用開槽的方式實(shí)現(xiàn)多頻工 作。下圖是常見的幾種開槽方式，實(shí)際中用的最多的是U型和 L型。面主要介紹 L型槽： L型開槽的 PIFA天線輻射單元如下圖所示通過開槽，在高頻和低頻下 ,PIFA 天線可以形成兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的電流回路，這就 是開槽的 PIFA天線實(shí)現(xiàn)雙頻工作的基本原理。在 L型開槽下，較低工作頻段的諧振頻率大致 可以表示為：F=C/4(L+

8、W+H) 上述公式只具有近似的指導(dǎo)意義，不具有嚴(yán)格的意義。比如手機(jī)實(shí)際設(shè)計(jì) 的預(yù)留尺寸不能根據(jù)上式不能嚴(yán)格計(jì)算出就是諧振在880-960MHz之間。而較高的工作頻率由于受多個(gè)因素的控制，因此不能用公式表示。影響較高的諧振頻 率的因素主要有：G1:L1和L2之間的縫寬； G2:輻射單元中間的縫寬；G3:輻射單元中間的縫隙長度；L2: 開路端邊緣的長度。第二章： PIFA 天線的 HFSS設(shè)計(jì)過程首先確定 PIFA 天線的重要各個(gè)參數(shù)天線的高度H10mm輻射金屬片的長度L140mm輻射金屬片的寬度W130mm接地平面的長度Lg120mm接地平面的寬度Wg40mm開槽的寬度W slot3mm豎槽的長

9、度L1 slot18mm橫槽的長度L2 slot25mm1：運(yùn)行并新建工程2：添加和定義設(shè)計(jì)變量。添加過程如圖3：添加新的介質(zhì)材料在設(shè)計(jì)中輻射金屬片使用的支架是介電常數(shù)較低的泡沫，其相對(duì)介電常數(shù)為1.06，損耗正切 0.005。將其命名為 foam。4：PIFA 天線設(shè)計(jì)建模按照先后順序依次創(chuàng)建輻射金屬片，接地平面，（1）：創(chuàng)建輻射金屬片短路金屬片，泡沫支架， 以及同軸饋線。在 xoy 平面上創(chuàng)建一個(gè)矩形，長寬分別用L1 ，W1 表示。創(chuàng)建好后，設(shè)置其邊界條件為有限導(dǎo)體邊界。0曰 口 Sheets白 口 Unassigned 由 Patch 念 9 Coordinate Systems 囪倉P

10、lanes 由繆Lists2）創(chuàng)建接地平面創(chuàng)建一個(gè)平行于輻射金屬片的矩形，長寬分別用Lg ，Wg 表示，矩形建好后，設(shè)置其邊界條件。如下圖：3）：創(chuàng)建接地金屬片在輻射金屬片的左上角創(chuàng)建一個(gè)位于 xz 平面的矩形用做接地金屬片命名為Short ，長寬分別用 H 和 SW 表示。最后設(shè)置短路金屬片的邊界條件為有限導(dǎo)體邊界。（4）：創(chuàng)建泡沫支架創(chuàng)建一個(gè)長方體模型用以表示泡沫支架。 該模型位于接地平面的正上方， 大小和接地 平面相同。該模型命名為 Shelf 。5）：創(chuàng)建同軸饋線創(chuàng)建 PIFA 天線的同軸饋線，用于傳輸信號(hào)能量。首先在平面 Gnd 開出一個(gè)半徑為 r2 的 Ciecle1 圓孔參數(shù)如下

11、：再執(zhí)行相減操作， Gnd 平面上挖去圓 Ciecle1 。然后創(chuàng)建一個(gè)同軸饋線的內(nèi)芯：創(chuàng)建一個(gè)圓柱體命名為 inner 。具體參數(shù)如下：創(chuàng)建同軸線的外圈：創(chuàng)建一個(gè)圓柱體半徑為 r2，長為 H1 ，創(chuàng)建完成后，設(shè)置圓柱體 outer 側(cè)表面的邊界條件為有理想導(dǎo)體邊界。5：設(shè)置激勵(lì)端口當(dāng)前設(shè)計(jì)的 PIFA 天線是通過同軸饋線饋電的，這里使用波端口激勵(lì)方式，設(shè)置同軸線 的底面為端口激勵(lì)。6：創(chuàng)建和設(shè)置輻射邊界使用 HFSS 分析天線問題時(shí)， 必須設(shè)置輻射邊界條件， 且輻射表面和天線的距離需要不小于 1/4 個(gè)工作波長。 創(chuàng)建一個(gè)長方體 AirBox ，使它的各個(gè)表面設(shè)置為輻射邊界條件。 看下 表：

12、長方體模型創(chuàng)建好之好， 打開輻射邊界條件對(duì)話框， 保留輻射邊界條件對(duì)話框中的數(shù)值不變 點(diǎn)擊確定，即可把長方體模型各個(gè)表面設(shè)置為輻射邊界條件。7：開 L 形槽在輻射片上開出 L 形槽，我們首先在輻射片上創(chuàng)建 2 個(gè)矩形面，然后合并操作，最后執(zhí)行相減生產(chǎn) L 形槽。在輻射貼片上創(chuàng)建一個(gè)與 x 軸平行的矩形面 L_J1，其位置參數(shù)如下：同理，創(chuàng)建矩形面 L_J2 ，合并 2 個(gè)矩形面，最后在執(zhí)行相減操作，在輻射片上開 L 形槽8：求解設(shè)置本次實(shí)訓(xùn)中設(shè)計(jì)的 PIFA 天線工作于 GSM900 和 DCS1800 兩個(gè)頻段，將求解設(shè)置為1.8GHz ，掃頻設(shè)置為 0.5GHz2.3GHz 。如下圖點(diǎn)擊

13、OK 按鈕退出。9：運(yùn)行仿真分析10：查看分析結(jié)果仿真完成后生成的 S11 圖如下：第三章：實(shí)訓(xùn)結(jié)論1：在實(shí)訓(xùn)的過程中出現(xiàn)這么幾個(gè)問題：（1）：在設(shè)置激勵(lì)端口時(shí)，總是出現(xiàn)下圖中的問題后來將三維模型窗口放的很大，才選中要設(shè)置的激勵(lì)面得以解決此問題。（ 2）：運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)模型重疊問題，此類問題使用相減操作，分別把Shelf 模型， outer 模型和 inner 模型在相減對(duì)話框中相減便解決此問題。（ 3）：在最后調(diào)節(jié)參數(shù)使 S11 圖中附和題目要求時(shí)， 采用定向變量對(duì) S11 圖的影響， 一個(gè) 參數(shù)一個(gè)參數(shù)的變化， 得出參數(shù)變化對(duì) S11 圖具體有什么影響， 然后通過改變影響參數(shù)的數(shù) 值來實(shí)現(xiàn) 9

14、00MHz 和 1800MHz 雙頻手機(jī)內(nèi)置天線。2：實(shí)訓(xùn)結(jié)果分析通過仿真計(jì)算得到 S11 圖如下：從圖可以看出天線的兩個(gè)諧振頻率分別為920MHz 和 1820MHz ，10dB 帶寬分別為 230MHz820MHz1050MHz ）和 110MHz（ 1780MHz1890MHz ）滿足設(shè)計(jì)雙頻帶天線的工作要求。查看天線的輸入阻抗圖如下：在圖中可以看出在 900MHz 和 1800MHz 時(shí)天線的輸入阻抗為 50 歐。 查看天線的方向圖如下：輻射金屬片的表面電流分布如下圖3：PIFA 天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)天線性能的影響分析 高度H:對(duì)天線的工作帶寬產(chǎn)生嚴(yán)重影響，帶寬隨著 H 的增加而增加。 P

15、IFA 天線中對(duì)帶 寬起決定作用的結(jié)構(gòu)參數(shù)就是 H。一般手機(jī)天線中 H 不允許低于 7mm，最好大于 8mm，嚴(yán)禁低 于6mm。改變饋點(diǎn)的位置可以改變輸入阻抗， 因此可以通過改變饋點(diǎn)的位置實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)諧。 但是 這種方法往往比較難于實(shí)現(xiàn)。PIFA 天線僅在半空間輻射，因此具有很高的前后比（6-8dB ），比外置天線有較好的 SAR值。PIFA 天線接地面的大小會(huì)影響天線的帶寬。 最優(yōu)接地面尺寸受 PIFA 天線輻射體尺寸的 影響。在手機(jī)設(shè)計(jì)中， GSM頻 段最優(yōu)接地面的大小大致為 40120mm，DCS 頻段最優(yōu)接地面 大小大致為 40 80mm。地面的寬度變大，帶寬變小，對(duì)頻率影響不大。短路金屬片的寬度對(duì) PIFA天線的頻率和寬度影響， 即接地金屬片越窄， PIFA天線的工作 頻率越低，帶寬越窄。輻射片的大小對(duì)天線的頻率帶寬影響也較大，輻射片越小頻率越大。第四章：實(shí)訓(xùn)總結(jié)本次實(shí)訓(xùn)設(shè)計(jì)達(dá)到了任務(wù)的要求，實(shí)現(xiàn)了手機(jī)內(nèi)置PIFA天線 GSM90和0DCS1800雙頻的設(shè)計(jì)。利用了 HFSS軟件對(duì) PIFA天線進(jìn)行了仿真，通過觀察天線的 回波損耗， 方向圖確定了天線的頻率和帶寬， 通過這次實(shí)訓(xùn)基本掌握了 HFSS軟件 設(shè)計(jì)天線的方法，為天線設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。天線的理論是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，影響它的因素太多。要做出一個(gè)完美的手 機(jī)內(nèi)置天線需要大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論知識(shí)，