手机平面倒F型天线PIFA的模拟分析doc 50页.docx

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手机平面倒F型天线PIFA的模拟分析（doc50页）

本科畢業設計（論文）

手機平面倒F型天線（PIFA）的模擬分析

學院物理與光電工程學院

專業電子科學與技術

年級班別2008

（2）班

學號3108009196

學生姓名鄭耀華

指導教師吳多龍

2012年6月

手機平面倒F型天線（PIFA）的模擬分析鄭耀華物理與光電工程學院

摘要

移動通信的迅猛發展，對應用於手機的天線提出了小型化、寬頻帶、多頻段工作等要求。

而平面倒F天線（PlanarInverted-FAntenna,PIFA）因其具有體積小、重量輕、剖面低、可內置、且易於加工等突出的結果特點以及能實現寬頻帶和多頻段的特性而在手機中得到了廣泛的應用。

隨著不同用途的需求，對手機天線性能的要求越來越高，準確分析PIFA天線的物理尺寸和性能參數的關係有越來越重要的作用。

對此，本文利用AnsoftHFSS模擬軟體研究了初始設定物理尺寸下PIFA天線的各個性能指標，並分析相關參數對天線性能影響。

論文論述了天線的基本概念和參數指標，討論了手機PIFA天線的基本結構和實現多頻段的設計方法。

在瞭解軟體AnsoftHFSS的天線模擬功能和模擬流程的基礎上，對一種雙頻（GSM/DCS）PIFA天線的設計方案進行了模擬分析。

最後，討論了該天線的高度H和貼片突出的長度對天線性能的影響。

本文的工作，不僅對手機PIFA天線的工程設計提出了一種有效模型結構，而且證實了使用AnsoftHFSS模擬軟體的天線模擬功能，能夠在其它更為複雜的天線工程設計中，進行更多的方案比較並縮短設計週期，降低研製成本。

最後，根據該天線模型結構製作實物，通過測試和不斷優化，得出結果與模擬結果相一致，可作為實際應用中手機天線。

關鍵字：

PIFA，手機天線，HFSS，雙頻，模擬分析

Abstract

Withtherapiddevelopmentofmobilecommunication,propertiesofminiaturization,broadbandandmulti-frequencyforantennasinmobilephonearedemanded.Andplanarinverted-Fantenna（PIFA）comingoutduringtheseyearshasbeenrapidlyandwidelyadoptedbecauseithasthestructuraladvantagesofsmallsize,lightweight,lowprofile,internallyequipped,easilyfabricatedandmountedonthecarrier.But,withtheincreaseddemandsofantennaqualityfordifferentpurposes,howtoanalyzethephysicalsizesandperformanceparametersofmobilephoneantennawillbemoreandmoreimportant.So,thisthesisusedAnsoftHFSSsoftwaretodoresearchaboutvariousperformanceindicatorsofPIFAintheinitialsettingsofphysicalsizes,andanalyzetherelatedparametersfortheinfluenceontheperformanceoftheantenna.

Thethesisintroducedbasicconceptsandparametersofantenna,anddiscussedthebasicstructureanddesignofmulti-bandaboutthePIFAantennasofmobilephone.BefamiliarwithsimulationfunctionandsimulationprocessofAnsoftHFSSsoftware,didsimulationanalysisaboutthedesignofadual-band（GSM/DCS）PIFAantenna.Lastly,theproposedantennaisexperimentallystudied,andeffectsoftheheightoftheantennaandtheextendedtop-patchportionontheperformanceoftheantennaarediscussed.

Theworkofthisthesis,notonlyprovidedaneffectivemodelstructureofengineeringoptimizeddesignofPIFAantenna,butalsoconfirmedthatfunctionalsimulationofAnsoftHFSSsoftwarecandooptimizationondesigninmorecomplexantennaprojects,comparedtomoreprograms,itwillensuretheprecisionandreducethedesigncost.Finally,accordingtotheantennastructuremakingphysicalmodel,throughthetestandcontinuousoptimization,toobtaintheresultisconsistentwithsimulationresultsandcanbeusedasmobilephoneinpracticalapplication.

Keywords：

PIFA,MobilePhoneAntenna,HFSS,dualfrequency,Simulationanalysis

目錄

1緒論

1.1課題研究背景及意義

移動通信產業是當今世界上發展最快、最富有活力的領域之一。

近三十年來，移動通信經歷了第一代AMPS、TACS和NMT等系統，第二代GSM、DCS和窄帶CDMA系統，直到目前剛剛商業化的TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000和Wimax等第三代系統[1]。

移動通信技術使人們在任何時間和地點能互相保持聯繫，正逐步改變人們的生活方式和思維模式。

無線通訊是移動通信最重要的通信手段之一。

目前，無線通訊系統發展迅速，手持無線終端設備在人們日常生活中起著重要作用。

在這些設備中，手機又是使用較為頻繁的通訊工具。

隨著移動通信網路覆蓋範圍的不斷擴大，截止2009年年低，全球手機用戶數已超過46億，同時，我國手機用戶數達到8.72億。

快速增長的手機用戶數，構成手機需求持續增長的重要動力。

同時，在通信技術、電子技術快速發展的背景下，手機功能日益強大，成本、售價逐步下降，手機用戶的平均換機週期明顯縮短，龐大的換機需求是手機市場持續增長的主要動力。

在手機需求持續增長的帶動下，2011年全球手機銷量已超過16億部，預計2015年將達到18億部，手機行業前景廣闊，發展空間巨大。

隨著通信技術的不斷發展和手機普及率的提高，手機天線技術也不斷進步。

天線作為通信系統的前端，是輻射和接收電磁波的系統部件。

天線性能的優劣，對移動通信系統的總體性能起著非常重要的作用，一副高性能的天線能放寬系統的要求且改善整個系統的性能。

移動通信系統的不斷升級換代給天線提供了新的指標要求，小型化，低剖面，寬頻帶，低成本，且易於與系統集成等成為現在天線設計師需要考慮的主要因素。

移動通信成為現代天線發展的主要源動力，沒經過充分設計的常規天線形式常常不能滿足新的系統要求[2]。

手機作為無線通訊系統中的一個基本組成部分，其天線的設計也備受關注，近年來得到迅猛發展。

大多數情況下，終端天線安裝於一個小的塑膠盒中，使用時，天線貼近使用者在某個環境中運動。

同時，要求系統輻射低功率且能提供話音和資料的可靠連接。

除了功能性需求外，市場上還要求手機天線在結構上小而緊湊、生產成本低、剖面低易於同手機整體系統集成等。

因此對於手機天線設計者來說，充分認識天線的重要性，全面了解手機天線的基本理論知識、設計方法和技巧以及能熟悉運用模擬軟體對手機天線進行模擬分析是非常重要的。

1.2手機天線的研究歷史和發展現狀

擺脫有線網路的束縛，不受地理位置的限制，隨時都能與任何人進行資訊溝通並享受豐富的資訊服務，這是人類不斷追求的目標。

所以天線就成為了實現這一目標必不可少的設備之一。

一切利用無線電波來進行通信的系統如廣播、雷達、導航、無線電通信和無線電遙感等都離不開天線[3]。

近代電磁學經歷了三百多年的發展過程。

十九世紀到二十世紀初相繼建立了電場高斯定理（1813）、磁通連續性原理和安培環路定律（1825）、以及法拉第電磁感應定律（1831），經麥克斯韋方程組的數學歸納預示了電磁波的存在（1864），後被赫茲的著名實驗所證實，同時也導致了無線通訊的產生。

1901年義大利科學家馬可尼試驗越洋通信的成功，開創了無線電技術的新紀元[4]。

天線作為實現無線電應用的關鍵設備，順應著通信、廣播、雷達、制導等無線電應用系統在不同階段的需要而不斷發展，形式多樣、性能各異，組成了龐大的天線家族，並凸現出“線天線”、“面天線”、“陣列天線”三條平行的發展軌跡[5]。

在上個世紀，作為手機天線工程師還是一件比較輕鬆的事情。

一來需要設計的天線種類不多：

鞭狀天線、螺旋天線、PIFA天線；二來頻段單一，一般只需單頻天線，最多雙頻天線。

時過境遷，時間進入了二十一世紀。

手機已經走入平常百姓家，功能也越來越多，手機廠商對天線工程師提出了多頻、寬頻、小型化等更多更苛刻的要求，作為一名手機天線設計工程師日子不再像以前一樣悠閒，磚頭一樣笨重的手機再也不是顯擺的工具，現在的手機已改過去翻蓋或平板一統天下的局面，樣式多種多樣：

翻蓋、旋轉、側翻等等。

薄如名片的手機越來越受寵，天線盡可能的被隱藏起來，過去一款天線可以在若干型號的手機上面使用。

而且不管用戶的手怎麼對手機抓握，手機天線的性能都不能大幅度的下降，隨著無線通訊系統的日益複雜，不同的規範對手機天線的要求也越來越嚴格：

輻射特性要達標；電磁場輻射（EMF）安全規定要符合；比吸收率（SAR）必須滿足一定的標準；對助聽器的相容性要好；手機信號不能對助聽器產生干擾；雜波發射和自干擾要符合EMC要求。

現在的手機佈局非常緊湊：

不僅集成了話筒、揚聲器、顯示幕、電池、天線等必備器件，還有攝像頭、藍牙、WLAN等不同應用。

天線數目的增多會使設備成本、天線的空間佈局等問題突顯出來。

特別是在手持移動設備上，由於空間有限，使得多天線的設計有諸多困難。

如今手機天線需要針對不同式樣的手機，研發相對應的天線，人頭對手機天線的影響自然也要加以考慮。

甚至還得考慮手機在口袋中，在桌面上等不同的方位，不同的環境下的工作狀態。

連安裝位置也需要很小心的來確定。

使用者不同的操作習慣也會影響天線的性能。

所以減小天線體積和數目成了最緊迫的任務。

但是這個任務卻很難完成。

現在單一的傳統天線已經不能滿足要求，多頻帶寬小型化天線設計則可以滿足新一代無線通訊系統對天線的高要求。

而且針對新的通訊技術，還可能使用MIMO或分集等新技術來提升資料和OTA（OverTheAir）性能。

1.3本論文的主要工作和內容

在本課題中，本人首先通過大量閱讀近年來手機天線及手機平面倒F型天線（PIFA）方面的文獻資料，並且從中獲得了不少的天線理論和設計方面的知識。

這些工作，在本論文的下面有較詳盡的闡述。

隨後，本人對電磁模擬軟體AnsoftHFSS進行了細緻的學習和實踐。

本文的研究物件是手機平面倒F型天線（PIFA）。

對現在手機天線的要求及其設計相關規定進行考慮，在分析手機天線相關基本理論知識的基礎上，建立了一種T形的雙頻（GSM/DCS）手機PIFA天線，分析了該天線結構對頻帶的影響，同時通過運用HFSS對該PIFA天線進行模擬分析，得出了相關的性能參數曲線，並對其進行詳細分析。

本文主要內容包括：

介紹了手機天線發展歷史及發展現狀。

介紹了手機天線的基本理論和天線基本特性參數，包括天線的S11參數、方向圖、輸入阻抗、增益等。

介紹了手機天線設計相關要求，詳細討論了實現天線小型化、多頻的方法。

介紹了電磁場模擬軟體AnsoftHFSS，並且說明了其使用方法和步驟。

提出了一種T形的雙頻（GSM/DCS）手機PIFA天線，並利用HFSS模擬軟體進行模擬分析，得出相關的結論。

2手機天線基本理論知識

2.1手機天線的輻射電磁波原理

無線電發射機輸出的射頻信號功率，通過饋線輸送到天線，由手機天線以電磁波形式輻射出去。

同時，天線具有互易性，即天線在發射模式和接收模式具有相同的方向性。

因此，電磁波到達接收地點後，由手機天線接收下來，並通過饋線送到無線電接收機。

可見，天線是發射和接收電磁波的一個重要的無線電設備，沒有天線也就沒有無線電通信。

天線是用來發射或接收無線電波的裝置，它和無線電波的傳播有著十分密切的關係，在很早以前科學家們就證實了只有天線，才能將帶資訊的無線電波傳送出去，也只有天線才能將空中的、地面的、地下的無線電波接收下來，因此，天線在無線電波的傳播過程中起到至關重要的作用。

天線作為輻射電磁波的輻射體，在輻射電磁波時，首先必須具備一下兩個條件[6]：

1、輸入到天線上的電流源的頻率必須很高。

只有高頻率的電流，其產生高速變化的電場，才能使天線的周圍和空間形成強大的位移電流。

而這個位移電流又在其附近產生很強的磁場，這個磁場隨時間變化，又在其附近產生出變化的電場即位移電流，並且在空間互相向前推進。

在一定的場強下，波源頻率越高，位移電流就越強，因而輻射的能量也就越多，而靜態電磁場不變化，其頻率為零，不會產生輻射。

低頻場變化緩慢，即頻率很低，輻射電磁波也很弱。

在無線電技術設備中，想要產生有效的輻射，必須使用高頻。

2、天線的結構：

並不是任何一個帶電的物件都可以產生和輻射電磁波。

要想使波源，即高頻電流源的能量有效的從輻射體（帶電導體）輻射出去，脫離輻射體（即天線），那麼必須使這個輻射體的結構成為一個帶電的開放系統。

即將這個輻射體按照電磁場理論與特性做成偶合形、開放形傳導結構才能輻射，否則，它不但輻射很弱，甚至不能輻射電磁波。

導線載有交變電流時，就可以形成電磁波的輻射，輻射的能力與導線的長短和形狀有關。

如果導線位置如由於兩導線的距離很近，且兩導線所產生的感應電動勢幾乎可以抵消，因而輻射很微弱。

如果將兩導線張開，這時由於兩導線的電流方向相同，由兩導線所產生的感應電動勢方向相同，因而輻射較強。

當導線的長度1遠小於波長時候，導線的電流很小，輻射很微弱。

當導線的長度增大到可與波長相比擬時導線上的電流就大大增加，因而就能形成較強的輻射。

通常將上述產生顯著輻射的直導線稱為振子。

圖2.1振子輻射示意圖

圖2.1是振子的輻射特性，對於各類天線他們都有不同的發射能力和不同的特性指標[6]。

但對每一種天線來講，它有一個主要特性，那就是它既可以做發射天線，也可以做接收天線，這就是天線的互易原理。

2.2手機天線特性的主要參數

要瞭解天線或從事天線理論研究或工程設計方面的工作，就應當瞭解天線的主要參數。

天線主要參數的術語和含義，是我們在天線方面相互交流的基礎，在手機天線設計中起著總有的作用。

另一方面，天線的性能需要一套電氣指標來衡量，這些電氣指標由天線的特性參數來描述。

天線的參數大致分為兩種類型：

電路特性參數和輻射特性參數。

電路特性參數主要包括輸入阻抗、效率、頻寬、匹配程度等，輻射特性參數主要包括方向圖、增益、極化等[7]。

這些指標由指導設計者進行天線的設計。

以下僅從發射天線出發討論的幾個主要參數。

2.2.1頻帶寬度

無論是發射天線還是接收天線，它們總是在一點的頻率範圍（頻帶寬度）內工作的，天線的頻帶寬度有兩種不同的定義，一種是指：

在駐波比SWR

1.5的條件下，天線的工作頻帶寬度；一種是指：

天線增益下降3dB範圍內的頻帶寬度。

在移動通信系統中，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，天線的工作頻率範圍。

一般說來在工作頻帶寬度內的各個頻率點上，天線性能是有差異的，但這種差異造成的性能下降是可以接受的[8]。

2.2.2輸入阻抗

定義：

天線輸入端信號電壓與信號電流之比，稱為天線的輸入阻抗。

輸入阻抗具有電阻分量

和電抗分量

，即

。

電抗分量的存在會減少天線從饋線對信號功率的提取，因此必須使電抗分量盡可能為零，也就是應盡可能是天線的輸入阻抗為純電阻。

事實上，即使是設計、調試得很好的天線，其輸入阻抗中總還含有一個小的電抗分量。

對於任一個天線，人們總可通過天線阻抗調試，在要求的工作頻率範圍內，使輸入阻抗的虛部很小且實部相當接近50Ω，從而使得天線的輸入阻抗

。

要使天線效率高，就必須使天線與饋線良好匹配，也就是要使天線的輸入阻抗等於傳輸線的特徵阻抗，這樣才能使天線獲得很大的功率。

天線的輸入阻抗對頻率的變化往往十分敏感，當天線工作頻率偏離設計頻率時，天線與傳輸線的匹配變壞，致使傳輸線上電壓駐波比增大，天線效率降低。

因此在實際應用中，還引入電壓駐波比參數，並且駐波比不能大於某一規定值。

2.2.3效率

效率有輻射效率與天線效率之分。

由於入射波反射的存在，不可能把入射功率全部提供到天線的輸入埠作為天線的輸入功率。

同時，天線也不可能把饋線輸入給它的輸入功率全部輻射出去，總有一部分要損耗掉，如天線導線中的熱損耗、介質中的介質損耗、地電流的損耗以及天線近旁物體吸收電磁波引起的損耗等等。

為了便於對概念的理解，先將天線有關的基本功率定義如下[5]：

入射功率P入：

指發射機等提供給天線的功率；

反射功率P反：

指天線反射回來的功率；

輸入功率Pin：

指天線接收到的功率；

損耗功率Pd：

指由於導線、介質或者地電流等存在而損耗的功率；

輻射功率P∑：

指天線把發射機提供的功率扣除損耗輻射出去的功率；

根據以上定義，很容易得到：

Pin=P入-P反=Pd+P∑。

天線的輻射效率ηA用以度量天線轉換能量的有效性，它是天線的重要指標之一。

它的定義是天線的輻射功率P∑與輸入功率Pin的比值，即：

（2.1）

天線效率ηA的取值範圍通常在0%~100%之間。

天線的輸入功率一部分轉化為輻射功率，另一部分轉化為損耗功率。

其中損耗功率由如下幾部分組成：

金屬損耗、介質損耗和電磁損耗。

當天線無金屬損耗、介質損耗和電磁損耗時，ηA才等於1，通常ηA小於1，工程上對於載入天線或電小天線效率比較低[9]。

2.2.4方向圖

天線輻射的電磁波能量在空間的分佈是不均勻的，天線的輻射方向性圖（簡稱方向圖）是用來表示天線的輻射參量隨著空間方位變化的圖形。

這裡的輻射參量可以是輻射的功率通量密度、場強、相位或者極化。

若不特別說明，輻射方向圖是指功率通量密度的空間分佈或場強振幅的空間分佈，即功率方向圖或場強方向圖。

在三維座標中，方向圖描繪的一個三維曲面稱為立體方向圖或者空間方向圖。

立體方向圖形象、直觀，但畫起來複雜，工程上為了方便，常採用通過最大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。

這兩個互相正交的平面稱之為主面，對於線極化天線來說通常取為E面和H面。

E面：

指通過天線最大輻射方向並平行於電場向量的平面。

H面：

指通過天線最大輻射方向並平行於磁場向量的平面。

空間中電場向量和磁場向量是互相正交的，所以E面和H面也是互相正交的。

為了方便對各種天線的方向圖進行比較，需要規定一些表示方向圖特性的參數，這些參數有：

方向性係數（或方向性增益）、波束寬度（或主瓣寬度）、旁瓣電平等[10]。

1、方向性係數

方向性係數（Directivity，D），也叫方向性增益，是表徵天線輻射電磁波能量在空間分佈的集中程度的參數。

為了確定定向天線的方向性係數，通常以理想的非定向天線作為比較的標準。

天線的方向性係數定義為：

在總輻射功率相同時，天線在最大輻射方向的輻射功率密度P與均勻輻射在該方向的輻射功率密度P0的比值。

（2.2）

按照上面的定義，由於天線的方向性係數D（

，

）是方向的函數，不同方向的數值不同即輻射強度不同。

故在輻射電場最大的方向，方向性係數也最大。

通常如果不特別指出，就以最大輻射方向的方向性係數作為定向天線的方向性係數。

2、波束寬度

實際天線的輻射功率有時並不限制在一個波束中，在一個波束內也非均勻分佈。

在波束中心輻射強度很大，偏離波束中心，輻射強度減小。

輻射強度減小了3dB時的立體角即定義為ΩB。

波束寬度

B，與立體角ΩB關係為

（2.3）

3、旁瓣電平

旁瓣電平是指離主瓣最近且電平最高的第一旁瓣電平，一般以分貝表示。

方向圖的旁瓣區一般是不需要輻射的區域，其電平應盡可能低。

2.2.5增益

增益是天線的又一個重要參數，它與方向性係數有密切的關係，其定義為：

在輸入功率相等的條件下，天線在（

，

）方向的功率密度S（

，

）與無方向性、無損耗天線的功率密度S0之比。

天線的增益還可以理解為：

在天線的最大輻射方向某一點，該天線的電場強度與理想點源天線在同一處產生的電場強度相同的情況下，理想點源天線的輸入功率與該天線的輸入功率之比。

通常所說的天線增益是指天線的線性增益，通過簡單的公式推導可以得到增益的運算式：

（2.4）

其中η為天線效率。

也就是說，天線的增益等於天線的方向性係數與天線效率的乘積。

方向性係數表徵天線輻射電磁能量的集中程度，效率表徵天線能量的轉換效能，而天線的增益就可理解為標稱天線輻射能量集中程度和能量轉換效率的總效益。

2.3手機天線設計的要求

目前，手機天線主要就內置及外置天線兩種，內置天線客觀上必然比外置天線弱。

手機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，而無法順利發射，所以天線發射，需要一個“儘量開放”的空間。

而手機電路板就是手機天線的參考地，讓天線遠離手機其他電路，是提高手機天線發射效率的關鍵。

但受到實際環境限制以及大家追求攜帶方便的要求，手機的設計就必須在電氣方面做出妥協。

實際上，所有的GSM手機的接收發送電路的增益都是可以根據環境變化而自動調節的，能通過合理的參數設定，會自動補償有關的損失。

所以就手機整體而言，在信號比較好的情況下，內置天線和外置天線並不能看出差別，而且現在人們外了手機外殼的簡約美觀而去掉外置式天線，因此手機天線向外置式發展是必然的。

移動通信對手機天線的外在要求：

天線尺寸小，緊湊，剖面低，機械強度好，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，受周圍環境影響小，對人體輻射傷害小。

在這些應用中，小尺寸的天線是十分必要的。

手機天線設計成功與否的關鍵參數是[8]：

1、頻率範圍用校正過單埠S11的網路分析測S11小於-10dB的範圍覆蓋所需頻段為合格。

而目前國內手機頻段有GSM900MHz、DCS1800MHz以及PCS1900