SRP项目结题报告--11刘国培解析

SRP 项 目 结 题 报 告小型化平面手机天线的设计 学 院： 电子与信息学院 专业班级： 信息工程11级2班 姓名： 刘 国 培 学号： 4 指导老师： 靳 贵 平 实施时间： 2013年4月-2014年3月 目 录第1章 绪 论31 研究背景32本文的主要工作和内容3第2章 手机天线分类简述42.1 天线分类42.2 外置天线简介42.3 内置天线简介42.4 手机天线设计要求4第3章 PIFA天线概述53.1 PIFA天线简介53.2 PIFA 天线的由来和基本结构5第4章 Ansoft HFSS 仿真软件概述74.1 Ansoft HFSS 软件介绍74.2 Ansoft HFSS仿真流程介绍7第5章PIFA天线的仿真95.1 PIFA仿真模型建立95.1.1建立新的工程模型105.1.2设置设置材料、源和边界条件135.1.3求解设置155.2 后处理计算165.2.1 反射系数图165.2.2 阻抗系数图165.2.3 3D增益方向图175.2.4 电流振幅和矢量的分布图175.2.5 增益方向图19第6章 主要成果和结论20第1章 绪 论1 研究背景在无线技术设备中，用来辐射和接收无线电波的装置成为天线。天线的作用就是将调制到射频频率的数字信号或模拟信号发射到空间无线信道，或从空间无线信道接收调制在射频频率上的数字或模拟信号。中国的手机产业从无到有,从购买成熟方案到自主设计,在短短的10年的时间,可以说中国手机行业已经发展到了非常兴盛的状态,手机天线供应厂家的发展也如雨后春笋,数量迅速增加,但许多厂商只是注重短期的利润,忽视了手机天线设计的技术含量,结果是阻碍了手机天线的未来发展。手机天线设计理念上来讲，Nokia主张手机设计首先要保证RF性能好；其次要保证音频性能好。在他们的初期方案中就把外观、主板、结构、天线是做为一个整体，提供给天线的预留空间及内部的RF环境十分合理，所以天线性能也十分优越。而国内，由于设计的人员对天线的认识不足，同时受结构方案和外形至上的制约。最后都是“配”天线，对天线的调试匹配占了整个天线设计流程的大部分时间。因此，在移动手机里,天线直接影响了手机的可通讯能力,直接决定了手机的发射接收性能,甚至天线设计的好坏决定了该手机在市场的生存空间。2本文的主要工作和内容 在本课题中，本人首先通过大量阅读近年来手机天线及手机平面倒 F (PIFA)方面的文献资料，并且从中获得了不少的天线理论和设计方面的知识。随后，本人对电磁仿真软件 Ansoft HFSS 进行了细致的学习和实践。本文主要内容包括：介绍了手机天线发展历史及发展现状。介绍了手机天线的基本分类和手机天线设计相关要求。(3) 介绍了电磁场仿真软件Ansoft HFSS， 并且说明了其使用方法和步骤。(4) 提出了一种手机 PIFA 天线，并利用 HFSS 仿真软件进行仿真分析，得出相关的结 论。第2章 手机天线分类简述2.1 天线分类外置天线：单极天线、螺旋天线、PCB印制螺旋天线内置天线：微带贴片天线、缝隙天线、IFA天线和倒L天线、PIFA、陶瓷天线2.2 外置天线简介外置天线优点：频带范围宽、接收信号比较稳定、制造简单费用相对低；外置天线缺点：天线暴露于手机外易于损坏、天线靠近人体时导致性能变坏、不易加诸如反射层和保护层等来减小天线对人体的辐射伤害、同时对于FDD的系统，接收和发送必须使用不同的匹配电路2.3 内置天线简介内置天线优点：可以做的非常小，不易损坏；可以将其安放在手机中远离人脑的一面，而在靠近人脑的部分贴上反射层、保护层来减小天线对人体的辐射伤害。可以安装多个，很方便组阵，从而实现手机天线的智能化，这一点对未来的移动通信系统来说非常有用2.4 手机天线设计要求 移动通信对手机天线的外在要求：天线尺寸小，紧凑，剖面低，机械强度好，重量轻， 携带方便； 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。在这些应用中，小尺寸的天线是十分必要的。手机天线主要就内置及外置天线两种，内置天线客观上必然比外置天线弱。手机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前， 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的增益都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，在信号比较好的情况下，现在人们为了手机外壳的简约美观而选择内置天线，因此手机内置天线已成主流。第3章 PIFA天线概述3.1 PIFA天线简介 PIFA 天线是现在手机天线使用的最多的一种内置天线，其具有体积小，增益高，易集成，重量轻，馈电方式灵活，便于获得线极化和圆极化，带宽相对较宽等特点，因此，它在无线通信天线领域得到了很好的应用。多年来，多数手机天线都一直沿用这种传统的 PIFA 天线设计方案。未来手机终端天线的发展方向是小型化、多频段和宽频带,只有这样才能满足移动通信日新月异的发展要求。平面倒F天线(PIFA)具有结构紧凑、设计简单的特点,在近年来得到了长足的发展。目前，市面上可以看到的手机内置天线，其中有 60%80%都是采用这种天线设计的。 3.2 PIFA 天线的由来和基本结构 PIFA 天线是由倒 L 天线的变形而来的，如图 2.3 结构就是倒 L 天线，它由作为垂直元的短单极子和附加在单极子末端的水平单元组成。图 3-3 中 1 是垂直单元，2 是水平单元，3 是馈电点，4 是接地板。由于倒 L 天线有一个低阻抗值，它基本上是在单极子末端加了一段水平线的垂直短单极子天线， 天线的输入阻抗几乎等于短单极子天线加上与地面接近的水平线的电抗。为了增加辐射电阻，在垂直单元的末端附加另一段倒 L型线段，这一变形非常重要，因为倒 F 天线，不需要在天线和负载之间附加任何电路的情况下，调整它的几何尺寸就能使其输入阻抗具有与负载阻抗相匹配的值，这就是倒 L型天线变形成倒F 天线 （IFA） 的原由。 图2.4 所示就是最简单和典型的倒F 天线模型。 图2.3倒L天线模型 图2.4倒F天线（IFA）模型 线性的 IFA 天线是一种小尺寸天线， 当辐射单元仅采用顶部的一个金属导线时辐射效果并不理想（辐射电阻小） ，为增大辐射电阻和提高辐射效率而采用顶部加载技术，将顶部的辐射线用辐射平面代替，从而形成平面辐射单元。另一方面，当接地线和馈线仅仅为一条细线时，其等效的射频分布电感较大，而引线上的分布电容较小，这意味着天线具有较高的 Q 值和较窄的频带。根据电小天线 Q 值和带宽的关系，增大带宽的途径就是降低 Q 值，因此将接地线和馈线用具有一定宽度的金属片取代可以增加分布电容和减小分布电感，从而增大天线带宽。这样就形成了 PIFA 天线，其基本结构包括四个部分：接地平面、辐射体、短路金属片（接地）和同轴馈线，其典型的结构如图 2.5 所示。其中接地平面可以作为反射面，辐射体是与接地平面平行的金属片，短路金属片用来连接辐射体和接地平面，同轴馈线用于信号传输。 图2.5 PIFA天线基本结构 第4章 Ansoft HFSS 仿真软件概述4.1 Ansoft HFSS 软件介绍 HFSS 是美国 Ansoft 公司开发的全波三维电磁仿真软件。该软件采用有限元法，计算结果准确可靠，是业界公认的三维电磁场设计和分析的工业标准。 HFSS 采用标准的 Windows 图形用户界面，简洁直观；自动化的设计流程，易学易用；稳定成熟的自适应网格剖分技术，结果准确。使用 HFSS，用户只需要创建或导入设计模型，指定模型材料属性，正确分配模型的边界条件和激励，准确定义求解设置，软件便可以计算并输入用户需要的设计结果。下图为 HFSS 用户使用操作界面图。 作为一款功能强大的三维电磁设计软件，HFSS 可以为天线设计提供全面的解决方案。使用 HFSS 可以仿真分析和优化设计各类，精确计算天线的各种性能，包括二维、三维远场和近场辐射方向图、天线的方向性系数、增益、轴比、半功率波瓣宽度、输入阻抗、电压驻波比、S 参数以及电流分布特性等。4.2 Ansoft HFSS仿真流程介绍使用 HFSS 软件进行天线设计，下面简单介绍使用这个软件仿真天线的主要步骤： （1）设计求解类型。HFSS 中共有三种求解类型， 分别是模式驱动求解、终端驱动求解和本征模求解。 使用 HFSS 天线设计时，通常选择模式驱动求解类型或者终端驱动求解类型。 其中， 模式驱动求解类型是根据导波模式的入射和反射功率来计算 S 参数矩阵的解，终端驱动求解类型是根据传输线终端的电压和电流来计算 S 参数矩阵的解。 （2）创建天线的结构模型。HFSS 软件提供了一个简单易用的建模环境，从而可以准确、方便地创建出各种天线的结构模型，包括准确地设置天线模式的结构尺寸和正确地分配模型的材质。另外，HFSS 也可以直接导入由 AutoCAD、Pro/E 等第三方软件创建的结构模型。另外，为了方便后续的参数扫描分析和优化设计，以及为了能够方便地更改设计模型的结构尺寸，在建模时可以定义一系列的变量来表示模型的物理尺寸。 （3）设置边界条件。边界条件确定场，正确地设置边界条件是正确使用 HFSS、仿真计算出准确结果的前提。 而且， 灵活地使用边界条件还可以很好地降低模型的复杂度。HFSS 中定义了多种边界条件类型，分别为理想导体边界条件 、理想磁边界条件 、 有限导体边界条件、 辐射边界条件、对称边界条件、阻抗边界条件、集总 RLC 边界条件 、无限地平面、主从边界条件 、理想匹配层和分层阻抗边界条件。天线设计中，最常用到的边界条件是理想导体边界条件、有限导体边界条件、辐射边界条件和理想匹配层 。在 HFSS 中，与背景相接触的表面以及材质都被默认设置为理想导体边界；为了模拟无限大的自由空间，在使用 HFSS 进行天线设计时， 必须把与背景相接触的表面设置为辐射边界条件或理想匹配层边界条件，这样 HFSS 才会计算天线的远区辐射场。 （4）设置激励方式。在 HFSS 中，激励是一种定义在三维物体表面或者二维平面物体上的激励源，这种激励源可以是电磁场、电压源、电流源或者电荷源。HFSS 中定义了多种激励方式， 主要有波端口激励、 集总端口激励、 Floquet端口激励 、 入射波激励、 电压源激励、电流源激励和磁偏置激励。天线必须通过传输线或者波导传输信号，天线与传输线或者波导的连接处可以看做是端口平面。天线设计中，端口平面的激励方式多设置为波端口激励或者集总端口激励。其中，如果端口平面与背景相接触，激励方式需要设置为波端口激励；如果端口平面在模型内部，激励方式则需要设置为集总端口激励。 （5）设置求解参数。HFSS 软件采用自适应网格剖分技术，根据用户设置的误差标准，自动生成精确、有效的网格来分析物体模型的电磁特性。HFSS 基本的求解参数包括求解频率、自适应网格剖分的最大迭代次数和收敛误差。如果需要进行扫频分析，还需要设置扫频类型和扫频范围。 （6）运行求解分析。上述操作完成后，即创建好天线模型，正确设置了边界条件、激励方式和求解参数，即可执行求解分析操作命令来运行仿真计算。整个仿真计算由HFSS 软件自动完成，不需要用户干预。分析完成后，如果结果不收敛，则需要重新设置求解参数；如果结果收敛，则说明计算结果达到了设定的精度要求。 （7）查看求解结果。求解分析完成后，在数据后处理部分可以查看 HFSS 分析出的天线的各项性能参数，如回波损耗 S11、电压驻波比 VSWR、输入阻抗、天线方向图、轴比和电流分布等。如果仿真计算的天线性能满足设计要求，那么就完成了天线的仿真设计工作，接下来可以着手天线的制作和调试工作。如果仿真计算的天线性能未能达到设计要求，那么还需要使用 HFSS 的参数扫描分析功能或者优化设计功能，进行参数扫描分析和优化设计。 （8） 优化设计。如果前面的分析结果未达到设计要求，那么还需要使用Optimetrics 模块的参数扫描分析功能和优化设计功能未优化天线的结构尺寸，以找到满足要求的天线设计第5章PIFA天线的仿真5.1 PIFA仿真模型建立本章仿真了一尺寸为 100mm40mm 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。表 5.1 给出天线仿真过程中的模型、尺寸、材料和边界条件。表 5.1 天线仿真的模型和尺寸名称模型顶点坐标尺寸材料/边界/源airbox长方体(-65，-65，-125)170,230,256vacuumsubstrate长方体( 0,0,0)40,15,6ABSpatch矩形（0,0,6）（0,9,6）（0,11,6）（40,11,6）28.5,9,03,2,040,4,0-4,-7,0PECground矩形(0,0,0)40,100,0PECfeed矩形(0,6,0）0,2,6Lumped portshort矩形（0,2,0）0,2,6PEC5.1.1建立新的工程模型1. 运行 HFSS点击菜单栏中的 Project 新建一个工程取名为 PIFA WITHOUT SLOT图 5.2驱动方式设置2. 创建 Groundplane。20图 5.3Groundplane 模型 3. 建立介质基片。 创建长方体模型。 尺寸 x：40，y：15，z：6 介电常数设置为 2.6。图 5.4建立基片4. 建立贴片创建矩形模型。图中贴片分别是由四部分小贴片 patch1，patch2，patch3，patch4，集合在一起。5.建立短路片图 5.5建立贴片图 5.6建立短路片6.建立馈源 feeding。 这是发射设备向天线馈电的部分，可以是电流型的也可以是电压型，这里我们采用集总电压源馈电。创建矩形模型。图 5.7建立馈源7.建立 airbox。一般，HFSS 要求辐射边界条件放置在距辐射体十分之一波长到四分之一波长的地方， 在主要的辐射方向上，必须在四分之一波长以外。本文中微带上下导体薄片各离辐射边界 四分之一波长，左右离辐射边界八分之一波长，天线波长大约为 500mm，计算尺寸，进行仿真。整个微带天线画完。图 5.8整体图形5.1.2设置设置材料、源和边界条件1.设置边界条件选中 unite，右击选择 assign Boundary 选项，设为 perfect E 边界条件,命名为 perfect1。 选中 groundplane，右击选择 assign Boundary 选项，设为 perfect E 边界条件,命名为perfect2。2.设置辐射边界为 airbox 设置 radiation 条件，仍选择 Boundary 选项进行设置。3.设置辐射4. 设置端口激励图5.9 设置辐射 图5.10设置端口激励5.保存工程将工程命名为 PIFA WITHOUT SLOT，并选择路径保存。5.1.3求解设置1.为该问题设置求解频率以及扫描范围。（1）设置求解频率。在求解设置窗口中做以下设置：Solution Frequency：1.5GHzMaximum Number of Passes：10Maximum Delta S per Pass：0.02 点击确认。（2）设置扫描。c在扫频窗口中做以下设置： Sweep Type：FastFreqency Setup Type：Linear CountStart：0.5GHzStop：2.5GHzCount：4012.运行5.2 后处理计算5.2.1 反射系数图设置 trace 标签：Category：S ParameterQuantity：S(port,port)0.00-5.00Curve Inf o dB(S(1,1)Setup1 : Sw eep1-10.00-15.00dB(S(1,1)-20.00-25.00-30.00-35.00-40.00-45.000.500.751.001.251.501.752.002.252.50Freq GHz图 5.11反射系数图5.2.2 阻抗系数图在弹出的对话框中设置 trace 标签：Category：Z ParameterQuantity：Z（patch_T1，patch_T1）100.0087.50Curve Inf o im(A ctiveZ(patch_T1)Setup1 : Sw eep1re(ActiveZ(patch_T1) Setup1