SRP項目結(jié)題報告劉國培解析

SRP項目結(jié)題報告 《小型化平面手機(jī)天線的設(shè)計》 學(xué)院：電子與信息學(xué)院專業(yè)班級：信息工程11級2班姓名：劉國培學(xué)號：201130302204指導(dǎo)老師：靳貴平實施時間：2013年4月-2014年3月目錄TOC\o"1-3"\h\u第1章緒論 31研究背景 32本文的主要工作和內(nèi)容 3第2章手機(jī)天線分類簡述 42.1天線分類 42.2外置天線簡介 42.3內(nèi)置天線簡介 42.4手機(jī)天線設(shè)計要求 4第3章PIFA天線概述 53.1PIFA天線簡介 53.2PIFA天線的由來和基本結(jié)構(gòu) 5第4章AnsoftHFSS仿真軟件概述 74.1AnsoftHFSS軟件介紹 74.2AnsoftHFSS仿真流程介紹 7第5章 PIFA天線的仿真 95.1PIFA仿真模型建立 9建立新的工程模型 10設(shè)置設(shè)置材料、源和邊界條件 13求解設(shè)置 15 165.2.1反射系數(shù)圖 165.2.2阻抗系數(shù)圖 165.2.33D增益方向圖 175.2.4電流振幅和矢量的分布圖 175.2.5增益方向圖 19第6章主要成果和結(jié)論 20第1章緒論1研究背景在無線技術(shù)設(shè)備中，用來輻射和接收無線電波的裝置成為天線。天線的作用就是將調(diào)制到射頻頻率的數(shù)字信號或模擬信號發(fā)射到空間無線信道，或從空間無線信道接收調(diào)制在射頻頻率上的數(shù)字或模擬信號。中國的手機(jī)產(chǎn)業(yè)從無到有,從購買成熟方案到自主設(shè)計,在短短的10年的時間,可以說中國手機(jī)行業(yè)已經(jīng)發(fā)展到了非常興盛的狀態(tài),手機(jī)天線供應(yīng)廠家的發(fā)展也如雨后春筍,數(shù)量迅速增加,但許多廠商只是注重短期的利潤,忽視了手機(jī)天線設(shè)計的技術(shù)含量,結(jié)果是阻礙了手機(jī)天線的未來發(fā)展。手機(jī)天線設(shè)計理念上來講，Nokia主張手機(jī)設(shè)計首先要保證RF性能好；其次要保證音頻性能好。在他們的初期方案中就把外觀、主板、結(jié)構(gòu)、天線是做為一個整體，提供給天線的預(yù)留空間及內(nèi)部的RF環(huán)境十分合理，所以天線性能也十分優(yōu)越。而國內(nèi)，由于設(shè)計的人員對天線的認(rèn)識不足，同時受結(jié)構(gòu)方案和外形至上的制約。最后都是“配”天線，對天線的調(diào)試匹配占了整個天線設(shè)計流程的大部分時間。因此，在移動手機(jī)里,天線直接影響了手機(jī)的可通訊能力,直接決定了手機(jī)的發(fā)射接收性能,甚至天線設(shè)計的好壞決定了該手機(jī)在市場的生存空間。2本文的主要工作和內(nèi)容在本課題中，本人首先通過大量閱讀近年來手機(jī)天線及手機(jī)平面倒F(PIFA)方面的文獻(xiàn)資料，并且從中獲得了不少的天線理論和設(shè)計方面的知識。隨后，本人對電磁仿真軟件AnsoftHFSS進(jìn)行了細(xì)致的學(xué)習(xí)和實踐。本文主要內(nèi)容包括：⑴介紹了手機(jī)天線發(fā)展歷史及發(fā)展現(xiàn)狀。⑵介紹了手機(jī)天線的基本分類和手機(jī)天線設(shè)計相關(guān)要求。介紹了電磁場仿真軟件AnsoftHFSS，并且說明了其使用方法和步驟。提出了一種手機(jī)PIFA天線，并利用HFSS仿真軟件進(jìn)行仿真分析，得出相關(guān)的結(jié) 論。第2章手機(jī)天線分類簡述2.1天線分類外置天線：單極天線、螺旋天線、PCB印制螺旋天線內(nèi)置天線：微帶貼片天線、縫隙天線、IFA天線和倒L天線、PIFA、陶瓷天線2.2外置天線簡介外置天線優(yōu)點：頻帶范圍寬、接收信號比較穩(wěn)定、制造簡單費用相對低；外置天線缺點：天線暴露于手機(jī)外易于損壞、天線靠近人體時導(dǎo)致性能變壞、不易加諸 如反射層和保護(hù)層等來減小天線對人體的輻射傷害、同時對于FDD的系 統(tǒng)，接收和發(fā)送必須使用不同的匹配電路2.3內(nèi)置天線簡介內(nèi)置天線優(yōu)點：可以做的非常小，不易損壞；可以將其安放在手機(jī)中遠(yuǎn)離人腦的一面， 而在靠近人腦的部分貼上反射層、保護(hù)層來減小天線對人體的輻射傷害。 可以安裝多個，很方便組陣，從而實現(xiàn)手機(jī)天線的智能化，這一點對未 來的移動通信系統(tǒng)來說非常有用2.4手機(jī)天線設(shè)計要求移動通信對手機(jī)天線的外在要求：天線尺寸小，緊湊，剖面低，機(jī)械強(qiáng)度好，重量輕，攜帶方便；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，對人體輻射傷害小。在這些應(yīng)用中，小尺寸的天線是十分必要的。手機(jī)天線主要就內(nèi)置及外置天線兩種，內(nèi)置天線客觀上必然比外置天線弱。手機(jī)天線接近參考地的時候，大部分能量將集中在天線和參考地之前，而無法順利發(fā)射，所以天線發(fā)射，需要一個“盡量開放”的空間。而手機(jī)電路板就是手機(jī)天線的參考地，讓天線遠(yuǎn)離手機(jī)其他電路，是提高手機(jī)天線發(fā)射效率的關(guān)鍵。但受到實際環(huán)境限制以及大家追求攜帶方便的要求，手機(jī)的設(shè)計就必須在電氣方面做出妥協(xié)。實際上，所有的GSM手機(jī)的接收發(fā)送電路的增益都是可以根據(jù)環(huán)境變化而自動調(diào)節(jié)的，能通過合理的參數(shù)設(shè)定，會自動補(bǔ)償有關(guān)的損失。所以就手機(jī)整體而言，在信號比較好的情況下，現(xiàn)在人們?yōu)榱耸謾C(jī)外殼的簡約美觀而選擇內(nèi)置天線，因此手機(jī)內(nèi)置天線已成主流。 第3章PIFA天線概述3.1PIFA天線簡介PIFA天線是現(xiàn)在手機(jī)天線使用的最多的一種內(nèi)置天線，其具有體積小，增益高，易集成，重量輕，饋電方式靈活，便于獲得線極化和圓極化，帶寬相對較寬等特點，因此，它在無線通信天線領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用。多年來，多數(shù)手機(jī)天線都一直沿用這種傳統(tǒng)的PIFA天線設(shè)計方案。未來手機(jī)終端天線的發(fā)展方向是小型化、多頻段和寬頻帶,只有這樣才能滿足移動通信日新月異的發(fā)展要求。平面倒F天線(PIFA)具有結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計簡單的特點,在近年來得到了長足的發(fā)展。目前，市面上可以看到的手機(jī)內(nèi)置天線，其中有60%~80%都是采用這種天線設(shè)計的。3.2PIFA天線的由來和基本結(jié)構(gòu) PIFA天線是由倒L天線的變形而來的，如圖2.3結(jié)構(gòu)就是倒L天線，它由作為垂直元的短單極子和附加在單極子末端的水平單元組成。圖3-3中1是垂直單元，2是水平單元，3是饋電點，4是接地板。由于倒L天線有一個低阻抗值，它基本上是在單極子末端加了一段水平線的垂直短單極子天線，天線的輸入阻抗幾乎等于短單極子天線加上與地面接近的水平線的電抗。為了增加輻射電阻，在垂直單元的末端附加另一段倒L型線段，這一變形非常重要，因為倒F天線，不需要在天線和負(fù)載之間附加任何電路的情況下，調(diào)整它的幾何尺寸就能使其輸入阻抗具有與負(fù)載阻抗相匹配的值，這就是倒L型天線變形成倒F天線（IFA）的原由。圖2.4所示就是最簡單和典型的倒F天線模型。圖2.3倒L天線模型圖2.4倒F天線（IFA）模型線性的IFA天線是一種小尺寸天線，當(dāng)輻射單元僅采用頂部的一個金屬導(dǎo)線時輻射效果并不理想（輻射電阻?。?，為增大輻射電阻和提高輻射效率而采用頂部加載技術(shù)，將頂部的輻射線用輻射平面代替，從而形成平面輻射單元。另一方面，當(dāng)接地線和饋線僅僅為一條細(xì)線時，其等效的射頻分布電感較大，而引線上的分布電容較小，這意味著天線具有較高的Q值和較窄的頻帶。根據(jù)電小天線Q值和帶寬的關(guān)系，增大帶寬的途徑就是降低Q值，因此將接地線和饋線用具有一定寬度的金屬片取代可以增加分布電容和減小分布電感，從而增大天線帶寬。這樣就形成了PIFA天線，其基本結(jié)構(gòu)包括四個部分：接地平面、輻射體、短路金屬片（接地）和同軸饋線，其典型的結(jié)構(gòu)如圖2.5所示。其中接地平面可以作為反射面，輻射體是與接地平面平行的金屬片，短路金屬片用來連接輻射體和接地平面，同軸饋線用于信號傳輸。圖2.5PIFA天線基本結(jié)構(gòu)第4章AnsoftHFSS仿真軟件概述4.1AnsoftHFSS軟件介紹 HFSS是美國Ansoft公司開發(fā)的全波三維電磁仿真軟件。該軟件采用有限元法，計算結(jié)果準(zhǔn)確可靠，是業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場設(shè)計和分析的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。HFSS采用標(biāo)準(zhǔn)的Windows圖形用戶界面，簡潔直觀；自動化的設(shè)計流程，易學(xué)易用；穩(wěn)定成熟的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(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)確定義求解設(shè)置，軟件便可以計算并輸入用戶需要的設(shè)計結(jié)果。下圖為HFSS用戶使用操作界面圖。作為一款功能強(qiáng)大的三維電磁設(shè)計軟件，HFSS可以為天線設(shè)計提供全面的解決方案。使用HFSS可以仿真分析和優(yōu)化設(shè)計各類，精確計算天線的各種性能，包括二維、三維遠(yuǎn)場和近場輻射方向圖、天線的方向性系數(shù)、增益、軸比、半功率波瓣寬度、輸入阻抗、電壓駐波比、S參數(shù)以及電流分布特性等。4.2AnsoftHFSS仿真流程介紹使用HFSS軟件進(jìn)行天線設(shè)計，下面簡單介紹使用這個軟件仿真天線的主要步驟：（1）設(shè)計求解類型。HFSS中共有三種求解類型，分別是模式驅(qū)動求解、終端驅(qū)動求解和本征模求解。使用HFSS天線設(shè)計時，通常選擇模式驅(qū)動求解類型或者終端驅(qū)動求解類型。其中，模式驅(qū)動求解類型是根據(jù)導(dǎo)波模式的入射和反射功率來計算S參數(shù)矩陣的解，終端驅(qū)動求解類型是根據(jù)傳輸線終端的電壓和電流來計算S參數(shù)矩陣的解。（2）創(chuàng)建天線的結(jié)構(gòu)模型。HFSS軟件提供了一個簡單易用的建模環(huán)境，從而可以準(zhǔn)確、方便地創(chuàng)建出各種天線的結(jié)構(gòu)模型，包括準(zhǔn)確地設(shè)置天線模式的結(jié)構(gòu)尺寸和正確地分配模型的材質(zhì)。另外，HFSS也可以直接導(dǎo)入由AutoCAD、Pro/E等第三方軟件創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)模型。另外，為了方便后續(xù)的參數(shù)掃描分析和優(yōu)化設(shè)計，以及為了能夠方便地更改設(shè)計模型的結(jié)構(gòu)尺寸，在建模時可以定義一系列的變量來表示模型的物理尺寸。（3）設(shè)置邊界條件。邊界條件確定場，正確地設(shè)置邊界條件是正確使用HFSS、仿真計算出準(zhǔn)確結(jié)果的前提。而且，靈活地使用邊界條件還可以很好地降低模型的復(fù)雜度。HFSS中定義了多種邊界條件類型，分別為理想導(dǎo)體邊界條件、理想磁邊界條件、有限導(dǎo)體邊界條件、輻射邊界條件、對稱邊界條件、阻抗邊界條件、集總RLC邊界條件、無限地平面、主從邊界條件、理想匹配層和分層阻抗邊界條件。天線設(shè)計中，最常用到的邊界條件是理想導(dǎo)體邊界條件、有限導(dǎo)體邊界條件、輻射邊界條件和理想匹配層。在HFSS中，與背景相接觸的表面以及材質(zhì)都被默認(rèn)設(shè)置為理想導(dǎo)體邊界；為了模擬無限大的自由空間，在使用HFSS進(jìn)行天線設(shè)計時，必須把與背景相接觸的表面設(shè)置為輻射邊界條件或理想匹配層邊界條件，這樣HFSS才會計算天線的遠(yuǎn)區(qū)輻射場。（4）設(shè)置激勵方式。在HFSS中，激勵是一種定義在三維物體表面或者二維平面物體上的激勵源，這種激勵源可以是電磁場、電壓源、電流源或者電荷源。HFSS中定義了多種激勵方式，主要有波端口激勵、集總端口激勵、Floquet端口激勵、入射波激勵、電壓源激勵、電流源激勵和磁偏置激勵。天線必須通過傳輸線或者波導(dǎo)傳輸信號，天線與傳輸線或者波導(dǎo)的連接處可以看做是端口平面。天線設(shè)計中，端口平面的激勵方式多設(shè)置為波端口激勵或者集總端口激勵。其中，如果端口平面與背景相接觸，激勵方式需要設(shè)置為波端口激勵；如果端口平面在模型內(nèi)部，激勵方式則需要設(shè)置為集總端口激勵。（5）設(shè)置求解參數(shù)。HFSS軟件采用自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)，根據(jù)用戶設(shè)置的誤差標(biāo)準(zhǔn)，自動生成精確、有效的網(wǎng)格來分析物體模型的電磁特性。HFSS基本的求解參數(shù)包括求解頻率、自適應(yīng)網(wǎng)格剖分的最大迭代次數(shù)和收斂誤差。如果需要進(jìn)行掃頻分析，還需要設(shè)置掃頻類型和掃頻范圍。（6）運行求解分析。上述操作完成后，即創(chuàng)建好天線模型，正確設(shè)置了邊界條件、激勵方式和求解參數(shù)，即可執(zhí)行求解分析操作命令來運行仿真計算。整個仿真計算由HFSS軟件自動完成，不需要用戶干預(yù)。分析完成后，如果結(jié)果不收斂，則需要重新設(shè)置求解參數(shù)；如果結(jié)果收斂，則說明計算結(jié)果達(dá)到了設(shè)定的精度要求。（7）查看求解結(jié)果。求解分析完成后，在數(shù)據(jù)后處理部分可以查看HFSS分析出的天線的各項性能參數(shù)，如回波損耗S11、電壓駐波比VSWR、輸入阻抗、天線方向圖、軸比和電流分布等。如果仿真計算的天線性能滿足設(shè)計要求，那么就完成了天線的仿真設(shè)計工作，接下來可以著手天線的制作和調(diào)試工作。如果仿真計算的天線性能未能達(dá)到設(shè)計要求，那么還需要使用HFSS的參數(shù)掃描分析功能或者優(yōu)化設(shè)計功能，進(jìn)行參數(shù)掃描分析和優(yōu)化設(shè)計。（8）優(yōu)化設(shè)計。如果前面的分析結(jié)果未達(dá)到設(shè)計要求，那么還需要使用Optimetrics模塊的參數(shù)掃描分析功能和優(yōu)化設(shè)計功能未優(yōu)化天線的結(jié)構(gòu)尺寸，以找到滿足要求的天線設(shè)計第5章 PIFA天線的仿真5.1PIFA仿真模型建立本章仿真了一尺寸為100mm×40mm的PIFA天線，天線具有兩個臂，臂長分別為40mm和28.5mm，從天線的回波損耗圖得到天線的諧振頻率分別為0.9GHz和1.8GHz。天線在0.9GHz的-6dB帶寬為120MHz，在1.8GHz的帶寬為80MHz。表5.1給出天線仿真過程中的模型、尺寸、材料和邊界條件。表5.1天線仿真的模型和尺寸名稱模型頂點坐標(biāo)尺寸材料/邊界/源airbox長方體(-6，65，125)170,30,56acuumsubstrate長方體(0,,0)40,1,6ABSpatch矩形（0,0,6）（0,9,6）（0,6）（40,,6）28.59,03,2,040,40-4,7,0ECround矩形(0,0,)40,10,0ECfeed矩形(0,6,）0,2,6Lupedportshort矩形（0,2,0）0,2,6EC建立新的工程模型1.運行HSS點擊菜單欄中的Pojt新建一個工程取名為PIATHOUTSOT圖.2 驅(qū)動方式設(shè)置2.創(chuàng)建Goundplne。圖.3 Groundplae模型建立介質(zhì)基片。創(chuàng)建長方體模型。尺寸x：40，y：15，z：6介電常數(shù)設(shè)置為2.6。圖5.4 建立基片4.建立貼片創(chuàng)建矩形模型。pth1，pth2，pth3，pth4，集合在一起5.建立短路片

圖5.5 建立貼片圖5.6 建立短路片6.建立饋源feeding。這是發(fā)射設(shè)備向天線饋電的部分，可以是電流型的也可以是電壓型，這里我們采用集總電壓源饋電。創(chuàng)建矩形模型。

圖5.7 建立饋源7.建立airbox。一般，HFSS要求輻射邊界條件放置在距輻射體十分之一波長到四分之一波長的地方，在主要的輻射方向上，必須在四分之一波長以外。本文中微帶上下導(dǎo)體薄片各離輻射邊界四分之一波長，左右離輻射邊界八分之一波長，天線波長大約為500mm，計算尺寸，進(jìn)行仿真。整個微帶天線畫完。圖5.8 整體圖形設(shè)置設(shè)置材料、源和邊界條件1.設(shè)置邊界條件選中unite，右擊選擇assignBoundary選項，設(shè)為perfectE邊界條件,命名為perfect1。選中g(shù)roundplane，右擊選擇assignBoundary選項，設(shè)為perfectE邊界條件,命名為perfect2。2.設(shè)置輻射邊界為airbox設(shè)置radiation條件，仍選擇Boundary選項進(jìn)行設(shè)置。3.設(shè)置輻射設(shè)置端口激勵

圖5.9設(shè)置輻射圖5.10設(shè)置端口激勵5. 保存工程將工程命名為PIAWITHOUTLOT，并選擇路徑保存。求解設(shè)置1.為該問題設(shè)置求解頻率以及掃描范圍。（1）設(shè)置求解頻率。在求解設(shè)置窗口中做以下設(shè)置：Solutonqueny：1.5GHzMxmumNumbrofPsss：10MxmumDltaSprPss：0.02點擊確認(rèn)。（2）設(shè)置掃描。．在掃頻窗口中做以下設(shè)置：