電子與信息工程畢業(yè)論文小型化內(nèi)嵌式移動終端天線的分析與設(shè)計(jì)

1、<p>　　本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)</p><p>　　小型化內(nèi)嵌式移動終端天線的分析與設(shè)計(jì)</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 電子與信息工程 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號

2、 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　微帶帖片天線具有剖面低、重量輕、容易制作以及容易做到與飛行器共形等特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中的

3、適用范圍很廣。隨著不同用途天線的需求對天線性能的要求越來越高，準(zhǔn)確分析微帶天線的物理尺寸與性能參數(shù)的關(guān)系有越來越重要的作用。對此，本文利用 Ansoft HFSS 軟件仿真了不同物理尺寸下微帶天線性能的變化，并進(jìn)行了優(yōu)化。</p><p>　　本論文設(shè)計(jì)的是適用于藍(lán)牙天線用的平面倒F結(jié)構(gòu)微帶天線。敘述了微帶天線的基本概念和主要參數(shù)指標(biāo)，如天線的極化、方向圖、增益、輸入阻抗、駐波比、S參數(shù)等等；介紹了微帶天線的小型

4、化技術(shù)，有增加基片的介電常數(shù)、左手材料、短路加載法，重點(diǎn)介紹的是本文要用到的短路加載法；然后對平面倒F結(jié)構(gòu)天線進(jìn)行設(shè)計(jì)，參照文獻(xiàn)里面的計(jì)算公式，按照藍(lán)牙天線的基本參數(shù)，設(shè)計(jì)出來的天線尺寸參數(shù)，應(yīng)用Ansoft HFSS仿真軟件對設(shè)計(jì)出來的天線進(jìn)行仿真分析和優(yōu)化。不同的貼片長度對天線的參數(shù)影響很大，得出的結(jié)論是貼片長度的增加對頻率，阻抗的影響作用是相反的，長度引起的頻率變化比寬度引起的頻率變化劇烈。因此可以將正方形的貼片向矩形方向發(fā)展，會

5、更加有利于貼片面積的縮小。在寬度符合的情況下，選頻率最接近中心頻率的一個貼片長度。不同貼片寬度亦會影響天線的性能，根據(jù)參數(shù)的變化曲線，選取最接近天線的中心頻率的貼片寬度，由此可獲得天線貼片的最佳尺寸。然而，在天線中心工作頻率處有很多組天線貼片尺寸，根據(jù)S11參數(shù)掃頻圖的增益必須小于-10dB，選取一個相對更合適的貼片尺寸，得到相對最佳的天線設(shè)計(jì)方案。該天線的優(yōu)點(diǎn)是天線的中心工作頻率在2</p><p>　　關(guān)鍵詞

6、:微帶天線；小型化；平面倒F結(jié)構(gòu)；仿真分析</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Microstrip antenna has profile low cross section piece, light weight, easy to make and easy to do and aircraft conformal the p

7、eculiar advantage, In practice been widely used. With different USES for antenna of performance requirements demand is higher and higher, accurate analysis microstrip antennas physical size and performance parameters of

8、the relationship is a more and more important role. To this, this paper studied using Ansoft HFSS software under different physical size microstrip antenn</p><p>　　This paper is used in the design of the pla

9、ne with bluetooth antenna microstrip antenna planar inverted F structure. Describes the microstrip antennas basic concepts and main parameters, such as the antenna polarization, directed graph, gain, input impedance, VSW

10、R at, S parameters, etc.; Introduces the miniaturization of microstrip antenna technology, increase substrate node constant, left-handed materials, short-circuit loading method, the paper mainly introduced is used to sho

11、rt-circuit loadin</p><p>　　Key words：Microstrip antenna；small；planar inverted F structure；simulation and analysis</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第1章 引言1</b>

12、</p><p>　　1.1課題研究背景和意義1</p><p>　　1.2本論文主要研究內(nèi)容1</p><p>　　第2章 微帶天線的理論和研究方法3</p><p>　　2.1微帶天線的概述3</p><p>　　2.2 微帶天線的基本參數(shù)4</p><p>　　2.2.1天線的極

13、化5</p><p>　　2.2.2天線的方向圖6</p><p>　　2.2.3天線的增益7</p><p>　　2.2.4天線的輸入阻抗7</p><p>　　2.2.5天線的諧振頻率和工作頻率7</p><p>　　2.2.6天線的駐波比8</p><p>　　2.2.7 S

14、參數(shù)9</p><p>　　第3章 微帶天線的小型化的研究10</p><p>　　3.1增加基片介電常數(shù)法10</p><p>　　3.2短路加載法10</p><p>　　3.3左手材料11</p><p>　　第4章 移動終端天線設(shè)計(jì)12</p><p>　　4.1平面倒F天線

15、理論12</p><p>　　4.1.1PIFA演變過程12</p><p>　　4.1.2PIFA的設(shè)計(jì)14</p><p>　　4.1.2.1貼片尺寸14</p><p>　　4.1.2.2饋電點(diǎn)位置14</p><p>　　4.1.2.3頻帶寬度15</p><p>　　4.2

16、平面倒F天線仿真和優(yōu)化16</p><p>　　4.2.1仿真軟件介紹16</p><p>　　4.2.2天線參數(shù)計(jì)算18</p><p>　　4.2.3仿真結(jié)果和分析18</p><p>　　4.2.3.1天線長度對天線參數(shù)的影響18</p><p>　　4.2.3.2 貼片寬度對天線的影響19</

17、p><p>　　4.2.4本章小結(jié)23</p><p><b>　　結(jié)論25</b></p><p><b>　　致謝26</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)27</b></p><p><b>　　第1章 引言</b>

18、;</p><p>　　1.1課題研究背景和意義</p><p>　　移動終端或者叫移動通信終端是指可以在移動中使用的計(jì)算機(jī)設(shè)備，廣義的講包括手機(jī)、筆記本、POS機(jī)甚至包括車載電腦。但是大部分情況下是指手機(jī)或者具有多種應(yīng)用功能的智能手機(jī)[1]。</p><p>　　天線作為無線終端系統(tǒng)中的重要組成部分，完成了無線電信號的接收和發(fā)送，它是將高頻振蕩能量和電磁波能量作可

19、逆轉(zhuǎn)換的設(shè)備。隨著無線移動通信的飛速發(fā)展，人們對無線移動終端的需求也日益增加，如何對這些終端的天線進(jìn)行設(shè)計(jì)也變成炙手可熱的話題之一。</p><p>　　為適應(yīng)現(xiàn)代通信設(shè)備的需求，天線的研發(fā)主要朝幾個方面進(jìn)行，即減小天線尺寸、增加寬帶和發(fā)展多波段工作、智能的方向圖的控制。隨著集成電路技術(shù)的提高，通信終端設(shè)備的體積變得越來越小，這時天線對于整個設(shè)備就顯的過大，這就需要減小天線尺寸。然而，在不明顯影響天線的增益的同時

20、，減小天線尺寸卻是一項(xiàng)非常艱難的工作。集成電路技術(shù)的提高，經(jīng)常需要一個天線在較寬的頻率范圍內(nèi)來支持兩個或更多的無線服務(wù)，寬帶和多波段天線能滿足這樣的需要。手提電話越來越小，收發(fā)機(jī)已經(jīng)集成到一個芯片中，小尺寸天線已經(jīng)必不可少。在天線的尺寸、帶寬和效率之間有一個基本的聯(lián)系，天線尺寸變小，工作頻段和效率就會降低；其次，增益是和天線的尺寸緊密相關(guān)的，也就是小尺寸的天線相對于大尺寸的來說提供的增益也小。所以，天線設(shè)計(jì)師就必須權(quán)衡天線的尺寸和性能，

21、使兩者的關(guān)系達(dá)到最優(yōu)。許多類型的高頻小尺寸、緊湊型天線都適用于小型終端設(shè)備。</p><p>　　只有實(shí)現(xiàn)了移動終端天線的小型化才能適應(yīng)日益小型化并且多功能的通信終端。本論文關(guān)注的是天線的小型化技術(shù)，天線的小型化是指在工作頻率不變的條件下，使得天線的尺寸變的更小。在眾多科研人員的不斷努力下，現(xiàn)在針對不同應(yīng)用類型的終端天線都有著相應(yīng)不同的小型化技術(shù)，比如平面倒F結(jié)構(gòu)型天線，以及縫隙和枝節(jié)加載微帶天線等等。</

22、p><p>　　1.2本論文主要研究內(nèi)容</p><p>　　在本論文中，我所設(shè)計(jì)的是覆蓋藍(lán)牙傳輸頻率2.4GHz到2.5G赫茲的平面倒F結(jié)構(gòu)微帶天線。</p><p>　　目前，藍(lán)牙等無線個域網(wǎng)和無線局域網(wǎng)技術(shù)迅猛發(fā)展，其中，bluetooth、HomeRF和IEEE802.11b選用2.45GHz的ISM頻段。</p><p>　　無線個域網(wǎng)

23、設(shè)備中，大多數(shù)是手持便攜設(shè)備，如MP3、MP4、移動電話、藍(lán)牙耳機(jī)、多媒體播放器、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的“智能塵?！钡?。于是，對于天線的尺寸、結(jié)構(gòu)、成本和易于匹配等方面提出了很高的要求。致使各種天線越來越多。</p><p>　　當(dāng)前，藍(lán)牙天線的主要種類有偶極天線(Dipole Antenna）、平面倒F天線（Planar Inverted F Antenna）以及微小型陶瓷天線（Ceramic Antenna）等。

24、這些天線具有近似全向性的輻射場型特性，以及制作成本低、結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，所以非常適合藍(lán)牙裝置的使用。由于本文是研究平面倒F結(jié)構(gòu)天線的設(shè)計(jì)，所以，這里對平面倒F天線即PIFA進(jìn)行簡單介紹。</p><p>　　平面倒F天線是因?yàn)樗膫?cè)面結(jié)構(gòu)和倒反的英文字母F非常相似而命名的。PIFA的長度只有1/4的操作波長，且在其結(jié)構(gòu)中已包括接地金屬片，可以大大減小對模塊中的接地金屬片的敏感度，所以，很適合用于藍(lán)牙模塊的裝置中。而

25、且，由于 PIF天線只需要利用金屬良導(dǎo)體配合恰當(dāng)?shù)酿伻胍约敖拥孛娑搪返教炀€的位置，因此他的制作成本可以低，可直接與 PCB 電路板焊在一起。</p><p>　　PIFA的金屬導(dǎo)體可以用線狀或者是片狀結(jié)構(gòu)，如果以金屬片結(jié)構(gòu)制作則可以設(shè)計(jì)為表面貼裝器件（SMD）組件焊接在電路板上以達(dá)到隱避天線的目的。為支撐起金屬片不和接地金屬面相接而產(chǎn)生短路，通常在金屬片和接地金屬面之間加入絕緣介質(zhì)，如果使用較高介質(zhì)常數(shù)且成本較低

26、的絕緣材質(zhì)作為介質(zhì)還可以進(jìn)一步縮小藍(lán)牙天線的尺寸和生產(chǎn)成本[2]。</p><p>　　第2章 微帶天線的理論和研究方法</p><p>　　2.1微帶天線的概述</p><p>　　微帶輻射器的定義早已在1953年由Deschamps提出來的。但是，過了二十幾年，當(dāng)較好理論模型以及對敷銅或者敷金介質(zhì)的基片的光刻技術(shù)得到發(fā)展之后，實(shí)際天線才造出來。這種基片介電常數(shù)的

27、范圍較寬，具有吸熱性和機(jī)械性以及低損耗的角正切。最早實(shí)際的微帶天線是由Howell和Munson兩個人在20世紀(jì)70年代初期研發(fā)制作成的。之后，基于微帶天線眾多優(yōu)點(diǎn)，微帶天線已經(jīng)得到廣泛的研究和發(fā)展，從而使得微帶天線的應(yīng)用變得更為廣泛，并且在微波天線領(lǐng)域里，作為一個獨(dú)立的整體而創(chuàng)建了特有的課題。</p><p>　　目前，已研制成的各種類平面結(jié)構(gòu)印制天線，例如，帶線縫隙天線、微帶天線、印制偶極子天線以及背腔印制天

28、線。[3-4]</p><p>　　表2.1各種平面結(jié)構(gòu)印制天線的比較</p><p>　　微帶天線之所以能夠廣泛流行，是因?yàn)樗哂小捌矫妗苯Y(jié)構(gòu)，因而具有印制電路工藝技術(shù)的全部優(yōu)點(diǎn)。微帶天線基本上是一塊印刷電路板，全部匹配網(wǎng)絡(luò)、功率分配器、相移電路和輻射器都光刻在板的一側(cè)，板的另一側(cè)是金屬地板，所以，微帶天線可以直接裝在飛機(jī)或?qū)椀慕饘俦砻嫔稀?lt;/p><p>　　

29、結(jié)構(gòu)最簡單的微帶天線是由貼在帶有金屬接地板的介質(zhì)基片上輻射貼片構(gòu)成的。如圖2.1所示。貼片導(dǎo)體一般是銅或者金，它可以是任何形狀。但是，一般我們都用常規(guī)形狀用以簡化預(yù)期和分析它的性能。基片介電常數(shù)應(yīng)該比較低，這樣可以增強(qiáng)邊緣場。但是，其它天線性能則需要用介電常數(shù)大于5的基片材料。目前已研制成介電常數(shù)的范圍大和損耗角正切低的各類型基片。此外，還可以利用韌性基片來制造簡單的形卷天線。</p><p>　　圖2.1 a為

30、矩形微帶天線，b為圓形微帶天線</p><p>　　與常規(guī)微波天線相比，微帶天線具有一些優(yōu)點(diǎn)。因而，在大約從100MHZ到100GHZ的寬頻帶上獲得了大量的應(yīng)用。同一般的微波天線相比較，微帶天線的主要優(yōu)點(diǎn)有：重量輕、剖面薄、體積小的平面結(jié)構(gòu)，可與載體共形；制造成本低，易于大量生產(chǎn)；無需做大的變動，天線就能很容易地裝在導(dǎo)彈、火箭和衛(wèi)星上；可以做得很薄，因此，不干擾裝載的宇宙飛船的空氣動力學(xué)性能；稍稍改變饋電位置就可

31、以獲得極化和圓極化（左旋和右旋）；天線的散射截面較小；比較容易制成雙頻率工作的天線；不需要背腔；微帶天線適合于組合式設(shè)計(jì)（固體器件，如振蕩器、可變衰減器、開關(guān)、放大器、混頻器、調(diào)制器、移相器等可以直接加到天線基片上）；匹配網(wǎng)絡(luò)和饋線可以與天線結(jié)構(gòu)同時制作。缺點(diǎn)是：頻帶窄；增益較低；大部分微帶天線只能向半空間里輻射；最大增益受限制（約為20dB）；輻射元與饋線之間的隔離差；功率容量低；端射性能差；可能有表面波存在。</p>

32、<p>　　在許多實(shí)際設(shè)計(jì)中，微帶天線的優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過它的缺點(diǎn)。甚至到1980年仍是微帶天線的幼年時期，微帶天線已有許多不同的和成功的應(yīng)用。隨著微帶天線的繼續(xù)研究和發(fā)展以及日益增多的使用，對于大部分的應(yīng)用，它終將取代常規(guī)的天線。在一些至關(guān)重要的系統(tǒng)中已運(yùn)用微帶天線技術(shù)：衛(wèi)星通訊；多普勒雷達(dá)及其它雷達(dá)；指揮和控制系統(tǒng)；無線電測高計(jì)；導(dǎo)彈遙測；武器信管；便攜裝置；環(huán)境檢測的儀器和遙感；生物醫(yī)學(xué)輻射器；gps接收機(jī)。隨著微帶天線技術(shù)的

33、提高，微帶天線適用場合將越來越多。</p><p>　　2.2 微帶天線的基本參數(shù)</p><p>　　要了解微帶天線或從事天線的設(shè)計(jì)工作，就應(yīng)該了解天線的基本參數(shù)。天線基本參數(shù)的基本術(shù)語和含義是我們在天線方向上交流的基礎(chǔ)。而且，天線的性能也需要一套性指標(biāo)來衡量，這些性能指標(biāo)應(yīng)由天線特性參數(shù)來描述。要設(shè)計(jì)仿真出一款微帶天線，都需要給出一套天線的指標(biāo)，如天線極化、方向圖、增益、工作頻率和頻帶

34、寬度、輸入阻抗、駐波比等。參照這些參數(shù)，設(shè)計(jì)者才能設(shè)計(jì)出好的天線。</p><p>　　要說明天線各個性能，就要定義天線的特性參數(shù)。以下小節(jié)就來介紹一些天線的基本的重要參數(shù)[4-5]。</p><p>　　2.2.1天線的極化</p><p>　　所謂輻射場的極化，就是在空間某一個固定位置上的電場矢量端點(diǎn)隨時間的軌跡，按照其軌跡的形狀可分為線極化、圓極化和橢圓極化。

35、電磁波的極化方向通常是以其電場矢量的空間指向來描述的。電磁波的極化是指：在空間某個位置上，沿電磁波傳播方向上看去，其電場矢量在空間的取向隨時間變化所描繪出的軌跡。如果這個軌跡是一條直線，則稱為線極化；如果是一個圓，則稱為圓極化；如果是一個橢圓，則稱為橢圓極化。其中圓極化還可以根據(jù)其旋轉(zhuǎn)方向分為右旋圓極化和左旋圓極化。就圓極化而言，一般規(guī)定：若手的拇指朝向波的傳播方向，四指彎向電場矢量的旋轉(zhuǎn)方向，這時若電場矢量端點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)方向與傳播方向符合

36、右手螺旋，則為右旋圓極化，若符合左手螺旋，則為左旋圓極化。要注意，固定時間的場強(qiáng)矢量線在空間的分布旋向與固定位置的場強(qiáng)矢量線隨時間的旋向相反。橢圓極化的旋向定義與圓極化的類似。如圖2.2所示，為電磁波電場矢量取向隨時間變化的典型軌跡曲線。</p><p>　　圖2.2平面電磁波的電場矢量取向和極化軌跡</p><p>　　天線的極化是以電磁波的極化來確定的。天線極化定義是：天線在給定方向上

37、遠(yuǎn)場輻射電場的空間取向。一般而言，特指為該天線在最大輻射方向上的電場方向上的電場的空間取向。實(shí)際上，天線的極化隨著偏離最大輻射方向而改變，天線不同輻射方向可以有不同的極化。</p><p>　　垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線接收；水平極化波要用具有水平極化特性的天線來接收；右旋圓極化波要用具有右旋圓極化特性的天線來接收；而左旋圓極化波要用具有左旋圓極化特性的天線來接收。當(dāng)來波的極化方向與接收天線的極化方向不

38、一致時，在接收過程中通常都要產(chǎn)生極化損失，例如：用圓極化的天線來接收任意一種線極化波，或是用線極化天線來接收任意一種的圓極化波時，都會產(chǎn)生3dB的損失，即天線只能接收發(fā)送過來的一半能量。</p><p>　　當(dāng)接收天線的極化方向(例如水平或右旋圓極化)與來波的極化方向(相應(yīng)為垂直或左旋圓極化)完全正交時，接收天線就完全接收不到來波的能量，這時稱來波與接收天線極化是隔離的。</p><p>

39、　　2.2.2天線的方向圖</p><p>　　天線方向圖是與天線等距離處，天線輻射場大小在空間中的相對分布隨方向變化的圖形，因此，分析天線的方向圖即可分析天線的輻射特性。一般來說，天線方向圖是在遠(yuǎn)場區(qū)確定的，因此又叫遠(yuǎn)場方向圖。而輻射特性包括輻射功率、輻射場強(qiáng)、極化和相位。所以，天線方向圖又分為功率方向圖、場強(qiáng)方向圖、極化方向圖和相位方向圖。這里主要涉及功率和場強(qiáng)方向圖，極化和相位方向圖只有在特殊環(huán)境中才應(yīng)用。

40、</p><p>　　繪制天線的方向圖可通過兩個途徑：一個是由理論的分析得到天線的遠(yuǎn)場，進(jìn)而得到方向圖函數(shù)，并由此計(jì)算和繪制方向圖；二是通過實(shí)驗(yàn)測量得到天線方向圖的數(shù)據(jù)，從而繪出方向圖。</p><p>　　大部分極化天線的遠(yuǎn)場可表示成如下形式：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p><b

41、>　?。?.2）</b></p><p>　　式中，為磁場強(qiáng)度的分量，單位是A/m；為電場強(qiáng)度分量，單位是V/m； 為和激勵有關(guān)卻與坐標(biāo)無關(guān)的系數(shù)，r為以天線上某點(diǎn)到遠(yuǎn)場某點(diǎn)的距離；是相位常數(shù)；是天線方向圖函數(shù)。是自由空間波阻抗； </p><p>　　在天線分析中一般都采用如下歸一化方向圖函數(shù)表示：</p><p><b>　?。?.3

42、）</b></p><p>　　式中，為天線的最大輻射方向；為方向函數(shù)的最大值。由歸一化方向圖函數(shù)繪制出的方向圖稱為歸一化方向圖。由式（2.1）和（2.2）可以看出，天線遠(yuǎn)區(qū)輻射電場和磁場的方向圖函數(shù)是相同的，因此，由方向圖函數(shù)和歸一化方向圖函數(shù)表示的方向圖統(tǒng)稱為天線的輻射場方向圖。</p><p>　　天線方向圖一般是一個三維空間的曲面圖形，但工程上為了方便，通常采用通過最大

43、輻射方向的兩個正交平面上的剖面圖來描述天線的方向圖。這兩個相互正交的平面稱之為主面，對于線極化天線來說通常取為E面和H面。</p><p>　　E面：指電場強(qiáng)度矢量所在并包含最大輻射方向的平面。</p><p>　　H面：指磁場強(qiáng)度矢量所在并包含最大輻射方向的平面。</p><p>　　空間中磁場和電場的矢量是正交的，所以H面和E面也是正交的。</p>

44、<p>　　2.2.3天線的增益</p><p>　　天線的增益與天線的方向系數(shù)是密切相關(guān)，天線的方向系數(shù)有兩種不同的定義方法，則天線增益也會有兩種不同的定義方法：</p><p>　　（1）在某方向產(chǎn)生相同電場強(qiáng)度條件下，理想輸入功率與某天線輸入功率的比值。即</p><p>　?。ㄏ嗤妶鰪?qiáng)度）（2.4）</p><p&g

45、t;　　（2）在相同輸入功率條件下，某天線在給定方向上的輻射強(qiáng)度與理想天線在同一方向的輻射強(qiáng)度的比值。即</p><p><b>　?。?.5）</b></p><p>　　增益系數(shù)也可以用分貝表示為10lgG。因?yàn)橐粋€增益系數(shù)為10、輸入功率為1W的天線和一個增益系數(shù)為2、輸入功率為5W的天線在最大輻射方向上具有同樣的效果。使用高增益天線可以在維持輸入功率不變的條件

46、下，增大有效輻射功率。由于發(fā)射機(jī)的輸出功率是有限的，因此在通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，對提高天線的增益常常抱有很大的期望。頻率越高的天線越容易得到很高的增益。</p><p>　　2.2.4天線的輸入阻抗</p><p>　　天線通過傳輸線與發(fā)射機(jī)相連，天線作為傳輸線的負(fù)載，與傳輸線之間存在阻抗匹配問題。天線與傳輸線的連接處稱為天線的輸入端，天線輸入端呈現(xiàn)的阻抗值即定義為天線的輸入阻抗。輸入阻抗有電

47、阻分量和電抗分量，他們分別對應(yīng)有功功率和無功功率。有功功率以損耗和輻射兩種方式耗散掉，而無功功率則駐村在近區(qū)中。因此，必須使天線的輸入阻抗為純電阻，并且該電阻應(yīng)等于傳輸線的特性阻抗。當(dāng)天線的輸入阻抗存在電抗成分時，電抗分量盡可能為零。因?yàn)槠潆娮璨糠植坏扔趥鬏斁€的特性阻抗時，就要必須采用匹配網(wǎng)絡(luò)，以達(dá)到天線饋線的良好匹配。</p><p>　　在實(shí)際工作中，天線輸入阻抗的計(jì)算方法是</p><p

48、><b>　?。?.6）</b></p><p>　　式中，為射頻電壓，為射頻電流</p><p>　　天線的輸入阻抗決定于天線本身的幾何尺寸、結(jié)構(gòu)形式、工作頻率、饋電點(diǎn)的位置以及周圍環(huán)境的影響等因素。天線的輸入阻抗是天線應(yīng)用中最需要注意的一個參數(shù)。</p><p>　　2.2.5天線的諧振頻率和工作頻率</p><p

49、>　　天線的諧振頻率是指使天線輸入阻抗的電抗分量為零的頻率。</p><p>　　天線的所有點(diǎn)參數(shù)都和工作頻率有關(guān)。任何天線的工作頻率都有一定的范圍，當(dāng)工作頻率偏離中心工作頻率時，天線的電參數(shù)將變差，其變差的容許程度取決于天線設(shè)備系統(tǒng)的工作特性要求。當(dāng)工作頻率變化時，天線的有關(guān)電參數(shù)變化程度在說允許的范圍內(nèi)，此時對應(yīng)的頻率范圍稱為頻帶寬度。</p><p>　　無論是發(fā)射天線還是接收

50、天線，它們總是在一定的頻率范圍(頻帶寬度)內(nèi)工作的，天線的頻帶寬度有兩種不同的定義。</p><p>　　(1) 在駐波比 條件下，天線的工作頻帶寬度</p><p>　　(2) 天線增益下降3分貝范圍內(nèi)的頻帶寬度</p><p>　　在移動通信系統(tǒng)中，通常是按前一種定義的，具體的說，天線的頻帶寬度就是天線的駐波比SWR不超過1.5時，天線的工作頻率范圍。若天線的最

51、高工作頻率為，最低工作頻率為，對于窄頻帶天線，常用相對帶寬，即100%來表示其頻帶寬度。而對于超寬頻帶天線，常用絕對帶寬，即來表示其頻帶寬度。</p><p>　　2.2.6天線的駐波比</p><p>　　天線駐波比是天線系統(tǒng)中重要的特性參數(shù)，這個參數(shù)一般是用來表達(dá)天線、饋線之間匹配狀況程度的。駐波比是由于入射波能量傳輸?shù)教炀€輸入端未被全部輻射 (吸收)而產(chǎn)生的反射波，迭加而成的。駐波比

52、越大，反射越大，匹配也就越差。</p><p>　　駐波比定義為饋線上的電流最大值比上電流最小值或者電壓最大值比上電壓的最小值，用公式表示為：</p><p><b>　?。?.7）</b></p><p>　　圖2.3為駐波比示意圖，用圖的形式來表示駐波比的定義更為直觀。顯然天線駐波比是越小越好。若駐波比等于1即表明天線、饋線完全匹配，沒有能

53、量損耗。但在實(shí)際的工作中，很難達(dá)到S=1，那只是一個理想數(shù)值。在測量這個參數(shù)時基本上都是大于1的。</p><p>　　圖2.3駐波比示意圖</p><p>　　2.2.7 S參數(shù)</p><p>　　散射矩陣 S 參數(shù)可以完全反映高頻器件的傳輸與反射特性。只要測得 S 參數(shù)，就可以得到以上所要測量計(jì)算的參數(shù)。</p><p>　　圖2.

54、4 為 S 參數(shù)示意圖：</p><p><b>　　圖2.4 S參數(shù)</b></p><p><b>　　輸入反射系數(shù)：</b></p><p><b>　　輸出反射系數(shù)：</b></p><p><b>　　前向傳輸系數(shù)：</b></p>

55、<p><b>　　后向傳輸系數(shù)：</b></p><p>　　第3章 微帶天線的小型化的研究</p><p>　　微帶天線以其低剖面、重量輕、易加工、易共形的特點(diǎn)備受關(guān)注，但是通信的快速發(fā)展要求天線的小型化以滿足小型化設(shè)備的需求；因此微帶天線的小型化成為實(shí)際中考慮的關(guān)鍵。下面對通常所用的微帶天線小型化的技術(shù)進(jìn)行了簡單了解。</p><

56、;p>　　一般來說，小型天線可分為四類: 物理受限小天線(PCSA) 、物理小天線(PSA)、電小天線(ESA)以及功能小天線(FSA)。</p><p>　　天線的小型化是指在固定的工作頻率的條件下，減小微帶天線的尺寸。隨著移動通信終端的迅速發(fā)展，針對不同的小型天線(如線天線、縫隙天線、螺旋天線、平面倒F天線、介質(zhì)振蕩器天線以及印刷微帶天線等)有著不同的小型化方法。應(yīng)用在微帶貼片天線上的具體方法包括:增加

57、介電常數(shù)、曲流、加載、左手材料、采用平面倒L結(jié)構(gòu)以及平面倒F結(jié)構(gòu)等[7]。</p><p>　　3.1增加基片介電常數(shù)法</p><p>　　從下面微帶天線諧振頻率的公式就可以看得出微帶天線的諧振頻率與介電常數(shù)或是相對磁導(dǎo)率的平方根成反比。</p><p><b>　　對于矩形貼片天線</b></p><p><

58、b>　?。?.1）</b></p><p>　　式中，為天線的工作頻率，c為光速，為有效磁導(dǎo)率，為有效介電常數(shù)， a和b分別為貼片的兩個邊長。</p><p>　　如果采用高介電常數(shù)或者高磁導(dǎo)率的絕緣材料作基片的話，必定能明顯地降低微帶天線的諧振頻率，相當(dāng)于減小天線的點(diǎn)尺寸。但是，天線的帶寬會隨著介電常數(shù)或者說磁導(dǎo)率變高而變得越窄，且會造成較強(qiáng)的表面波，表面的損耗增大，有

59、效介電常數(shù)的增大也會使天線增益隨之減小。通過研究表明，覆蓋以適當(dāng)厚的更高介電常數(shù)材料或使用寄生貼片，可以提高天線的增益，但這又會使體積增加和增加成本。在天線表面上覆蓋介質(zhì)層(superstrate)雖說可以提高增益，但是同時也造成增大體積和分析加工的復(fù)雜化。</p><p><b>　　3.2短路加載法</b></p><p>　　通過采用加載技術(shù)可以減小天線的尺寸。

60、對于半波結(jié)構(gòu)微帶天線來說，電流在兩個開路端之間形成駐波，因此兩個開路端之間會有一條零電位線。如果在零電位線處用金屬片短路掉，就可形成開路到短路的駐波分布，這樣，天線尺寸就可以減小一半。</p><p>　　微帶天線的加載方法主要包括電阻加載和短路加載。對于短路加載，通常有三種方法:加載短路面，加載短路片以及加載短路銷釘。</p><p>　　圖3.1 三種短路加載的矩形微帶天線結(jié)構(gòu)<

61、/p><p>　　圖 3.1(a)是短路面加載的微帶天線，這種結(jié)構(gòu)可以使天線工作在1/4波長，這樣對于固定的天線工作頻率，天線貼片的物理長度就減小了1/2。當(dāng)使用短路探針和短路片加載來代替短路面加載時，可以進(jìn)一步減小天線貼片的尺寸，如圖 3.1(b)和圖3.1(c)所示。運(yùn)用上面的技術(shù)，在相同的工作頻率上，加載短路針的矩形貼片尺寸和加載短路針的圓貼片微帶天線的直徑可以減小到原天線的三分之一[8-10]。如果是在等邊

62、三角形的微帶貼片上運(yùn)用短路針加載技術(shù)，天線尺寸就達(dá)到原尺寸的6%[11]，這是因?yàn)樵诘冗吶切挝炀€貼片中，零電勢點(diǎn)在三角形頂點(diǎn)與底邊距離的2/3處，當(dāng)在頂點(diǎn)處加載短路探針時，相對于矩形和圓形微帶天線，零電勢的偏移要更大，從而大大降低天線的諧振頻率。</p><p><b>　　3.3左手材料 </b></p><p>　　左手材料(Left-handed mate

63、rials)一種特殊材料，其介電常數(shù)ε 和磁導(dǎo)率μ 都是負(fù)的，電磁波在其中傳播時，波矢 k、電場 E 和磁場 H 之間的關(guān)系符合左手定律，因此稱之為“左手材料”。它具有負(fù)群速度、負(fù)折射率、理想成像、逆 Doppler 頻移怪異的物理性質(zhì)。左手材料顛倒了物理學(xué)的右手規(guī)律，而后者描述的是電場與磁場之間的關(guān)系及其波動的方向。</p><p>　　第4章 移動終端天線設(shè)計(jì)</p><p>　　本章

64、主要內(nèi)容主要是對天線的設(shè)計(jì)。首先對要設(shè)計(jì)的平面倒F微帶天線進(jìn)行粗略介紹，然后根據(jù)公式和所參照的條件對PIFA進(jìn)行數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)和計(jì)算，在理論上設(shè)計(jì)出天線。</p><p>　　4.1平面倒F天線理論</p><p>　　PIFA的典型結(jié)構(gòu)包括一個平面的矩形金屬貼片、一個窄的短路金屬片和一個大的接地平板。一方面，PIFA可以被認(rèn)為是一個線性倒F型天線，將線性倒F型天線的金屬輻射線替換為金屬板后，頻

65、寬比原來的天線更寬。另一方面，也可以視為由一個短路的矩形微帶天線變化而來，這種短路的矩形微帶天線其實(shí)際共振模態(tài)與矩形微帶天線的共振模態(tài)是一樣的基本模態(tài)。</p><p>　　4.1.1PIFA演變過程</p><p>　　平面倒F天線(PIFA)因其具有尺寸小，重量輕且后向輻射小等優(yōu)點(diǎn)而成為目前內(nèi)置天線的主要形式。PIFA的結(jié)構(gòu)示意圖如下：</p><p>　　圖

66、4.1 PIFA結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　PIFA的演變過程可以從技術(shù)和理論兩個不同的方面考慮。從技術(shù)方面來說，它是由</p><p>　　單極天線演變而來；從理論方面，PIFA可以由微帶天線理論發(fā)展而來。</p><p>　　1、由單極天線演變而來 [6]</p><p>　　傳統(tǒng)的手機(jī)天線一般是單極或偶極天線，制作簡單，但尺寸較大不

67、易共形。將單極子折倒形成倒L天線。倒L天線剖面較低，也有著比較好的全向輻射特性。但由于將振子折倒從而形成了對地電容分量，其輸人阻抗呈現(xiàn)低阻值高阻抗的特性，難以進(jìn)行阻抗匹配。為了平衡倒L天線由于振子折倒而形成的對地容抗分量，在振子彎折處加載短路結(jié)構(gòu)。該短路結(jié)構(gòu)所具有的感性分量補(bǔ)償振子彎折所形成的對地容性分量，從而在不改變天線諧振頻率的同時，達(dá)到變換阻抗的目的。但是由于線形倒F天線頻帶窄，通常不到中心頻率的百分之一，為了展寬頻帶，用平板結(jié)構(gòu)

68、來代替導(dǎo)線。由于平面部分相當(dāng)于許多線形天線阻抗的并聯(lián)，因此平面型天線比線形天線的輸入阻抗要低一些，產(chǎn)生了寬帶的諧振特性。從而形成了平面倒F天線。上述內(nèi)容可用圖4.2生動表示：</p><p>　　圖 4.2 PIFA演變過程</p><p>　　2、由微帶天線演變而來 </p><p>　　平面倒F天線也可以看作是從矩形微帶天線發(fā)展而來的，其典型結(jié)構(gòu)包括一個矩形金屬

69、貼片和一塊接地板，采取同軸線饋電或微帶饋電。在考慮到寬頻、小型化等特性后，還需要一個置于矩形貼片短邊邊緣處的短路金屬片（相當(dāng)于短路加載）。輻射貼片通過短路片與接地板相連，懸空而置，這懸空部分當(dāng)作空氣介質(zhì)層處理即可，相對介電常數(shù)為1。</p><p>　　在輻射貼片與接地板之間加入短路貼片，就可使矩形輻射貼片的長度減半，實(shí)現(xiàn)了微帶天線的小型化。具體實(shí)現(xiàn)原理可由圖4.3表示。</p><p>

70、　　圖4.3 平面倒F天線的演變過程</p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)的矩形微帶天線輻射貼片上的電場分布如4.3a圖所示：兩個開路端處的電場強(qiáng)度是最強(qiáng)的，貼片中間位置電場強(qiáng)度是最弱的。在中間電場最弱的位置將輻射貼片與地板相連，做成短路結(jié)構(gòu)，如圖4.3b所示。由于是在電場強(qiáng)度最弱的地方短路，所以短路片的加載對天線輻射特性沒有影響。</p><p>　　然后，將一半的輻射貼片去掉，由于短路片的存在，貼

71、片短路的一端還是電場最弱的一端，另一端是電場最強(qiáng)的一端。這樣就成了四分之一波長貼片了。如圖4.3c所示。 從上面的分析可知：這種短路的矩形微帶天線其實(shí)際共振模態(tài)與矩形微帶天線的共振模態(tài)是一樣的，都是共振在基本模態(tài)。 </p><p>　　當(dāng)短路貼片的寬度等于平面矩形輻射貼片的寬度時，即為前面所述的“短路面加載”。當(dāng)寬度小于輻射貼片的寬度時，即為“短路壁加載”。加載短路貼片，一方面可以實(shí)現(xiàn)小型化，另一方面可以使整個

72、天線的有效電感增加，諧振頻率低于傳統(tǒng)的微帶天線，拓展了微帶天線在頻段方面的使用范圍。</p><p>　　4.1.2PIFA的設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1.2.1貼片尺寸</p><p>　　矩形PIFA的諧振頻率可表示為[12]：</p><p><b>　　（4.1）</b></p><p&g

73、t;　　其中，L1、L2分別為貼片的長和寬。</p><p>　　這個公式所示的諧振頻率沒有考慮短路金屬片寬度W，它也會影響諧振頻率。</p><p>　　根據(jù)表面電流的結(jié)果，設(shè)諧振時的1/4波長等于短路時金屬板與輻射金屬板的有效電流長度，分下面兩種情況討論： </p><p>　　當(dāng)W/L1=1時，諧振頻率表示為： </p><p><

74、;b>　?。?.2）</b></p><p>　　2、當(dāng)W=0 ，L1/L2=0.5時，諧振頻率表示為 </p><p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　當(dāng)天線的高度h遠(yuǎn)小于波長時，那么在天線開路邊的邊際效應(yīng)就可以忽略。</p><p>　　4.1.2.2饋電點(diǎn)位置</p&g

75、t;<p>　　若饋電點(diǎn)的位置如圖4.4a所示沿長度方向改變時，離兩端的距離分別為L1和L2，其等效電路如圖b。則按傳輸線理論，饋電點(diǎn)位置的輸入導(dǎo)納應(yīng)為：</p><p><b>　　（4.4）</b></p><p>　　其中，=1/是把天線視為傳輸線時的特性阻抗，=1/是壁導(dǎo)納，為</p><p><b>　　（4.

76、5）</b></p><p><b>　　其中</b></p><p>　　圖4.4 同軸饋線微帶天線</p><p>　　在同軸線端口處，探針可用一集總感抗來表示，即</p><p><b>　　（4.6）</b></p><p><b>　　因此，輸

77、入阻抗</b></p><p><b>　　（4.7）</b></p><p>　　可見，移動饋電點(diǎn)位置可以改變L1，L2，導(dǎo)致輸入阻抗改變，從而獲得阻抗匹配。</p><p>　　4.1.2.3頻帶寬度</p><p>　　對于絕大多數(shù)微帶天線而言，輸入阻抗隨頻率的變化是最敏感的。當(dāng)輸入阻抗?jié)M足帶寬要求時，

78、其他指標(biāo)滿足要求是確保的，所以通常以天線輸入端的電壓駐波系數(shù) (VSWR)小于某一給定值S所對應(yīng)的頻率范圍作為該天線的帶寬BW</p><p><b>　　（4.8）</b></p><p><b>　?。?.9）</b></p><p><b>　　（4.10）</b></p><

79、;p><b>　?。?.11）</b></p><p>　　式中：——輻射Q值</p><p><b>　　——介質(zhì)Q值</b></p><p><b>　　——導(dǎo)體損耗Q值</b></p><p>　　BW為VSWR<S時的帶寬，為天線的總品質(zhì)因數(shù)，S為VSWR

80、給定值，一般為2。說明天線的帶寬越大，品質(zhì)因數(shù)越小。天線效率越低，兩者是相互矛盾統(tǒng)一的。</p><p>　　VSWR<2的帶寬的經(jīng)驗(yàn)公式可近似為：。從這個公式可以看出在天線高度不變的情況下，天線的帶寬隨著中心頻率的降低迅速減小。</p><p>　　4.2平面倒F天線仿真和優(yōu)化 </p><p>　　本論文采用軟件進(jìn)行天線設(shè)計(jì)和仿真，本節(jié)首先簡單介紹仿真軟件

81、，然后參照標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算天線的參數(shù)，進(jìn)行建模，然后對仿真結(jié)果進(jìn)行截圖比較，最后對設(shè)計(jì)出的天線進(jìn)行大致的優(yōu)化。</p><p>　　在實(shí)際應(yīng)用中，有很多種的仿真軟件，它們可以分為距量法、有限元法和有限積分法。使用矩量法(MoM)的微波 EDA 軟件有 ADS，Ansoft Designer，Microwave Office，Zeland IE3D，Ansoft Esemble，Super NEC 和 FEKO；使用有限

82、元法(FEM)的微波 EDA軟件有 HFSS 和 ANSYS；使用時域有限差分法(FDTD)的微波 EDA 軟件有 EMPIRE和 XFDTD，使用有限積分法(FIT)的微波 EDA 軟件有 CST Microwave Studio 和 CST Mafia。</p><p>　　4.2.1仿真軟件介紹</p><p>　　HFSS（High Frequency Simulator Stru

83、cture）是美國Ansoft公司開發(fā)的全波三維電磁仿真軟件，其功能強(qiáng)大，界面友好，采用有限元法計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，是業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場設(shè)計(jì)和分析的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[13-14]。</p><p>　　HFSS采用標(biāo)準(zhǔn)的Windows圖形用戶界面，簡介直觀；自動化的設(shè)計(jì)流程，易學(xué)易用；穩(wěn)定成熟的自適應(yīng)網(wǎng)格剖面分析技術(shù)，結(jié)果準(zhǔn)確。使用HFSS，用戶只需要創(chuàng)建或?qū)朐O(shè)計(jì)模型，指定模型材料屬性，正確分配模型的邊界條件和激勵，準(zhǔn)確定

84、義求解設(shè)置，軟件便可以計(jì)算輸出用戶需要的設(shè)計(jì)結(jié)果。</p><p>　　Hfss具有精確的場仿真器，強(qiáng)大的電性能分析能力和后處理功能可以用于分析、計(jì)算并顯示參數(shù)。</p><p>　　S、Y、Z等參數(shù)矩陣、電壓駐波比（VSWR）、端口阻抗和傳播常數(shù)、電磁場分布和電流分布、諧振頻率、品質(zhì)因素Q、天線的輻射方向圖和各種天線參數(shù)，如增益、方向性、波束寬度等、比吸收率（SAR）、雷達(dá)反射截面（RC

85、S）等等。</p><p>　　經(jīng)過二十多年的發(fā)展，現(xiàn)金HFSS以其無與倫比的仿真精度和可靠性、快捷的仿真速度、方便易用的操作截面、穩(wěn)定成熟的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)，已經(jīng)成為三維電磁仿真設(shè)計(jì)的首選工具和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，被廣泛地應(yīng)用于航空、航天、電子、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)、通信等多個領(lǐng)域，幫助工程師高效地設(shè)計(jì)各種微波/高頻無源器件。借助于HFSS，能夠有效地降低設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)周期，增強(qiáng)企業(yè)的競爭力。HFSS的具體應(yīng)用包括以下8

86、個方面。</p><p>　　射頻和微波無源器件設(shè)計(jì)</p><p>　　HFSS能夠快速精確地計(jì)算各種射頻/微波無源器件的電磁特性，得到S參數(shù)、傳播常數(shù)、電磁特性，優(yōu)化器件的性能指標(biāo)，并進(jìn)行容差分析，幫助工程師們快速完成設(shè)計(jì)并得到各類器件的準(zhǔn)確電磁特性，包括波導(dǎo)器件、濾波器、耦合器、功率分配（合成）器、隔離器、腔體器和鐵氧體器件等。</p><p><b&g

87、t;　　天線、天線陣列設(shè)計(jì)</b></p><p>　　HFSS可為天線和天線陣列提供全面的仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，精確仿真計(jì)算天線的性能，包括二維、三維遠(yuǎn)場和近場輻射方向圖、S參數(shù)、天線的方向圖、增益、電壓駐波比、天線阻抗等。</p><p>　　告訴數(shù)字信號完整性分析</p><p>　　隨著信號工作頻率和信息傳輸素的的不多言提高，互聯(lián)結(jié)構(gòu)的寄生效應(yīng)對整

88、個系統(tǒng)的性能影響已經(jīng)成為制約設(shè)計(jì)成果的關(guān)鍵因素。MMC、RFIC或高速數(shù)字系統(tǒng)需要精確的互聯(lián)結(jié)構(gòu)特性分析參數(shù)抽取，HFSS能夠自動和精確地提取高速互聯(lián)結(jié)構(gòu)和版圖寄生效應(yīng)，導(dǎo)出SPICE參數(shù)模型和Touchstone文件（即.snp格式文件），結(jié)合Ansoft Designer或者其他電路仿真分析工具去仿真瞬態(tài)現(xiàn)象。</p><p>　　EMC/EMI問題分析</p><p>　　電磁兼容和

89、電磁干擾（EMC/EMI）問題具有隨機(jī)性和多變性的特點(diǎn)，因此，完整的“復(fù)現(xiàn)”一個實(shí)際工程中的EMC/EMI問題是很難做到的。Ansoft提供的“自定向下”的EMC解決方案可以輕松地解決這個問題。</p><p><b>　　電真空器件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　在電真空器件如行波管、調(diào)速管、回旋管設(shè)計(jì)中，HFSS本征模型求解器結(jié)合周期性邊界條件，能夠準(zhǔn)確地仿真分

90、析器件的色散特性，得到歸一化相速與頻率的關(guān)系以及結(jié)構(gòu)中的電磁場分布，為這類器件的分析和設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的手段。</p><p>　　目標(biāo)特性研究和RCS仿真</p><p>　　雷達(dá)散射截面（RCS）的分析預(yù)估一直是電磁理論研究的重要課題，當(dāng)前人們對電大尺寸復(fù)雜目標(biāo)的RCS分析尤為關(guān)注。HFSS中定義了平面波入射激勵，結(jié)合輻射邊界條件或PML邊界條件，可以準(zhǔn)確的分析器件的RCS。</

91、p><p><b>　　計(jì)算SAR</b></p><p>　　比吸收率（SAR）是單位質(zhì)量的人體組織所吸收的電磁輻射能量，SAR的大小表明了電磁輻射對人體健康的影響程度。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，大眾在享受無線通信設(shè)備帶來的各種便利之時，也日益關(guān)注無線通信終端對人體健康的影響。使用HFSS可以準(zhǔn)確的計(jì)算出指定位置的局部SAR和平均SAR。</p><p&g

92、t;<b>　　光電器件仿真設(shè)計(jì)</b></p><p>　　HFSS的應(yīng)用頻率能夠達(dá)到光波波段，精確仿真光電器件的特性。</p><p>　　使用HFSS進(jìn)行地磁分析和高頻器件設(shè)計(jì)的簡要流程各個步驟簡述如下</p><p>　　啟動HFSS軟件，新建一個設(shè)計(jì)工程。</p><p>　　選擇求解類型。在HFSS中有3中求

93、解類型：模式驅(qū)動求解、終端驅(qū)動求解和本證模型求解。</p><p>　　創(chuàng)建參數(shù)化設(shè)計(jì)模型。在HFSS設(shè)計(jì)中，創(chuàng)建參數(shù)化模型包括：構(gòu)造出準(zhǔn)確的集合模型、指定模型的材料屬性以及準(zhǔn)確地分配邊界條件和端口激勵。</p><p>　　求解設(shè)置。求解設(shè)置包括指定求解頻率、收斂誤差和網(wǎng)格剖分最大迭代次數(shù)等信息：如果需要進(jìn)行掃頻分析，還需要選擇掃頻類型并指定掃頻范圍。</p><p&

94、gt;　　運(yùn)行仿真計(jì)算。在HFSS中，仿真計(jì)算的過程是全自動的。軟件根據(jù)用戶指定的求解設(shè)置信息，自動完成仿真計(jì)算，無須用戶干預(yù)。</p><p>　　數(shù)據(jù)后處理，查看計(jì)算結(jié)果，包括S參數(shù)、場分布。電流分布、諧振頻率、品質(zhì)因素Q、天線輻射方向圖等。</p><p>　　另外，HFSS還集成了Ansoft公司的Optimetrics設(shè)計(jì)優(yōu)化模塊，可以對設(shè)計(jì)模型進(jìn)行參數(shù)掃描分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、調(diào)諧分

95、析、靈敏度分析和統(tǒng)計(jì)分析。</p><p>　　4.2.2天線參數(shù)計(jì)算</p><p>　　參照設(shè)計(jì)要求，藍(lán)牙天線的中心工作頻率是2.45GHz貼片高度為10mm。根據(jù)上一章給的公式，粗略計(jì)算得到貼片的長和寬之和為32mm左右。由上一章理論可知，當(dāng)短路片與貼片的寬度一樣時，天線的輻射效率最好，即w/L1=1，此時可按公式4.2計(jì)算得L2大概為22mm。L1大概為10mm，短路片寬度也為10

96、mm。經(jīng)過幾次初步的仿真修改后確定短路片寬度W為8mm，即L1也是8mm。L2饋電點(diǎn)位置在（6.5mm，9mm）。</p><p>　　4.2.3仿真結(jié)果和分析</p><p>　　4.2.3.1天線長度對天線參數(shù)的影響</p><p>　　根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，在貼片長為22mm到32mm，寬度恒定為8mm時，S11掃頻圖如下所示</p><p&g

97、t;　　圖5.1 不同貼片長度的S11掃頻圖</p><p>　　由圖5.1可以發(fā)現(xiàn)，在頻率為2.4GHz到2.5GHz范圍內(nèi)，有兩條曲線，是長度等于26mm和30mm。貼片增加長度對頻率，阻抗的影響是相反的，長度引起的頻率變化比寬度引起的頻率變化劇烈。因此可以將正方形的貼片向矩形方向發(fā)展，會更加有利于貼片面積的縮小。在寬度符合的情況下，選頻率最接近中心頻率的一個長度，因?yàn)樗{(lán)牙天線的中心工作頻率在2.45GHz，

98、所以，在長度為26mm到30mm之間再進(jìn)行優(yōu)化，確定貼片的最優(yōu)長度。</p><p>　　由圖形可以看出，在長度為27.5mm時，天線的中心工作頻率正好為2.45GHz。所以，該天線的貼片長度確定為27.5mm。</p><p>　　圖5.2 貼片長度在26mm到30mm之間S11掃頻圖</p><p>　　4.2.3.2 貼片寬度對天線的影響</p>

99、<p>　　貼片長度確定好了以后就可以確定貼片的寬度了。本章之前已經(jīng)知道貼片的長和寬之和大概為32mm，而長度確定為27.5mm，可以知道貼片的寬度大概在5.5mm左右。因?yàn)橹坝?jì)算的貼片寬度和短路片寬度為8mm。所以，在貼片寬度4mm到8mm之間進(jìn)行S11掃頻優(yōu)化。仿真結(jié)果如下圖所示。</p><p>　　圖5.3貼片長度為27.5mm不同寬度的S11掃頻圖</p><p>

100、　　由圖可以知道，當(dāng)貼片長度為27.5mm時，貼片寬度在7mm的時候，天線的中心工作頻率是2.45GHz。符合藍(lán)牙天線的工作頻率要求。在軟件中把天線參數(shù)按最優(yōu)重新設(shè)置，畫出的天線圖如下</p><p>　　圖5.4 平面倒F天線結(jié)構(gòu)主視圖</p><p>　　圖5.5 平面倒F天線的物理模型</p><p>　　圖中，L為貼片的長度，W為貼片的寬度，Ws為短路片寬度

101、，（d，a）是同軸饋電點(diǎn)的位置，h為貼片的高度。</p><p>　　由此圖仿真出來的S11參數(shù)掃頻圖如下</p><p>　　圖5.6 在長為27.5mm，寬為7mm時S11掃頻圖</p><p>　　圖中顯示，此時的微帶天線的中心工作頻率正好是2.45GHz，中心工作頻率是的增益為—11.84dB，小于-10dB。S11是天線仿真中非常重要的一個參數(shù)，具體定義在

102、2.27節(jié)已有說明。它表示信號到天線被反射信號的大小[18]。通常選擇S11參數(shù)在-10dB以下的頻率范圍為天線的有效頻率寬度，所以，本天線的有效頻率寬度為2.38GHz到2.53GHz。完全覆蓋了藍(lán)牙天線所需要的2.4GHz到2.5GHz。</p><p>　　圖5.7天線駐波比曲線圖</p><p>　　一般來說，天線設(shè)計(jì)中駐波比以小于2為最好，圖中所示為天線的駐波比曲線圖，在天線的中

103、心工作頻率2.45GHz時，天線的駐波比（VSWR）約等于1.7，符合天線設(shè)計(jì)的基本要求。</p><p>　　圖5.8天線S11的smith圓圖</p><p>　　在報告圖中標(biāo)記出2.45GHz的位置，標(biāo)記出顯示在2.45GHz時，天線的歸一化輸入阻抗為（0.59+j0.0008）。即輸入阻抗大概為30左右，說明該天線與50歐姆同軸饋電系統(tǒng)沒有很好的匹配，需要做出調(diào)整。</p&g

104、t;<p>　　圖5.9 天線的三維增益方向圖</p><p>　　從這三維增益方向圖上可以看出，該微帶天線的最大輻射方向是微波的法向方向，即z軸正向，最大增益約為3.6dB。3.6dB的天線增益比較小。這也是大多數(shù)微帶天線的通病。可以繼續(xù)使用參數(shù)掃描分析功能分析變量的變化對輸入阻抗的影響，達(dá)到更好的性能。</p><p>　　圖5.10 E平面方向增益圖</p&g

105、t;<p>　　從E平面方向上的增益圖上可以看出，天線在E平面上的最大增益方向是北偏西30°左右。</p><p><b>　　4.2.4本章小結(jié)</b></p><p>　　本章最為本論文的主要內(nèi)容，應(yīng)用上一章介紹的計(jì)算公式，利用Ansoft HFSS仿真軟件設(shè)計(jì)一款PIF天線，針對該天線進(jìn)行仿真比較分析。根據(jù)仿真分析出來的S11參數(shù)比較給定

106、的天線參數(shù)，對微帶天線的貼片尺寸進(jìn)行修改。</p><p>　　根據(jù)天線的要求：天線工作中心頻率2.45GHz的增益要小于-10dB、天線的駐波比最好小于2等。修改天線尺寸后的參數(shù)都達(dá)到了這些要求。</p><p>　　不足的是在天線的最大輻射方向上的增益只有3dB。達(dá)不到實(shí)際應(yīng)有的要求，需要利用有源加載的方法來提高增益。</p><p><b>　　結(jié)論

107、</b></p><p>　　本文對微帶天線的小型化性能進(jìn)行了研究，應(yīng)用平面倒F結(jié)構(gòu)不僅實(shí)現(xiàn)了天線的小型化還可以使天線的有效電感增加。由此，設(shè)計(jì)出了一款尺寸為27.5mm*7mm*10mm，中心工作頻率為2.45GHz，帶寬為15MHz，覆蓋了藍(lán)牙天線所需的2.4GHz到2.5GHz工作頻率，最大增益為3.58dB的小型化平面倒F結(jié)構(gòu)微帶天線。</p><p>　　本文利用HF

108、SS軟件仿真天線在其工作頻率上的參數(shù)特性，如天線的S參數(shù)、輸入阻抗、駐波比等特性，根據(jù)曲線的變化趨勢設(shè)計(jì)天線，進(jìn)而對天線設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。</p><p>　　文章用詳細(xì)的軟件仿真數(shù)據(jù)對理論分析進(jìn)行了驗(yàn)證，得出理論分析的正確性。由此設(shè)計(jì)出天線的原型。應(yīng)用HFSS仿真軟件對平面倒F結(jié)構(gòu)天線做了詳細(xì)的仿真分析，并對其幾何參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，尺寸進(jìn)一步減小，同時，天線的頻率特性、輸入阻抗、駐波比等參數(shù)也達(dá)到了良好的效果。<

109、;/p><p>　　但是，天線的增益還不是很高，只能基本滿足天線的使用要求，需要用有源加載法使天線的增益提高。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] digitalstar .移動終端_百度百科 http://baike.baidu.com/view/1954381.htm , </p><

110、p>　　2011.1.15. </p><p>　　[2] 張興宇，王均宏. 移動通信終端小型寬頻帶PIFA天線研究[J]. 微波學(xué)報, 2009.01：42-45</p><p>　　[3] [美] l. J.鮑爾，P.布哈提亞著，梁聯(lián)悼，寇廷耀譯，楊棄疾校. 微帶天線[M]. 北京：</p><p>　　電子工業(yè)出版社，1984. 21-57</p&