手机平面倒F型天线(PIFA)的仿真分析.pdf-资料库

本科毕业设计（论文）手机平面倒 F 型天线（PIFA）的仿真分析学院物理与光电工程学院专业电子科学与技术年级班别 2008（2）班学号 3108009196 学生姓名郑耀华指导教师吴多龙 2012 年 6 月

手机平面倒 F 型天线（ P I F A ）的仿真分析郑耀华物理与光电工程学院

摘要移动通信的迅猛发展，对应用于手机的天线提出了小型化、宽频带、多频段工作等要求。而平面倒 F 天线(Planar Inverted-F Antenna, PIFA)因其具有体积小、重量轻、剖面低、可内置、且易于加工等突出的结果特点以及能实现宽频带和多频段的特性而在手机中得到了广泛的应用。随着不同用途的需求，对手机天线性能的要求越来越高，准确分析 PIFA 天线的物理尺寸和性能参数的关系有越来越重要的作用。对此，本文利用 Ansoft HFSS 仿真软件研究了初始设定物理尺寸下 PIFA 天线的各个性能指标，并分析相关参数对天线性能影响。论文论述了天线的基本概念和参数指标，讨论了手机 PIFA 天线的基本结构和实现多频段的设计方法。在了解软件 Ansoft HFSS 的天线仿真功能和仿真流程的基础上，对一种双频（GSM/DCS）PIFA 天线的设计方案进行了仿真分析。最后，讨论了该天线的高度 H 和贴片突出的长度对天线性能的影响。本文的工作，不仅对手机 PIFA 天线的工程设计提出了一种有效模型结构，而且证实了使用 Ansoft HFSS 仿真软件的天线仿真功能，能够在其它更为复杂的天线工程设计中，进行更多的方案比较并缩短设计周期，降低研制成本。最后，根据该天线模型结构制作实物，通过测试和不断优化，得出结果与仿真结果相一致，可作为实际应用中手机天线。关键词：PIFA，手机天线，HFSS，双频，仿真分析

Abstract With the rapid development of mobile communication, properties of miniaturization, broadband and multi-frequency for antennas in mobile phone are demanded. And planar inverted-F antenna (PIFA) coming out during these years has been rapidly and widely adopted because it has the structural advantages of small size, light weight, low profile, internally equipped, easily fabricated and mounted on the carrier. But, with the increased demands of antenna quality for different purposes, how to analyze the physical sizes and performance parameters of mobile phone antenna will be more and more important. So, this thesis used Ansoft HFSS software to do research about various performance indicators of PIFA in the initial settings of physical sizes, and analyze the related parameters for the influence on the performance of the antenna. The thesis introduced basic concepts and parameters of antenna, and discussed the basic structure and design of multi-band about the PIFA antennas of mobile phone. Be familiar with simulation function and simulation process of Ansoft HFSS software, did simulation analysis about the design of a dual-band(GSM/DCS) PIFA antenna. Lastly, the proposed antenna is experimentally studied, and effects of the height of the antenna and the extended top-patch portion on the performance of the antenna are discussed. The work of this thesis, not only provided an effective model structure of engineering optimized design of PIFA antenna, but also confirmed that functional simulation of Ansoft HFSS software can do optimization on design in more complex antenna projects, compared to more programs, it will ensure the precision and reduce the design cost. Finally, according to the antenna structure making physical model, through the test and continuous optimization, to obtain the result is consistent with simulation results and can be used as mobile phone in practical application. Key words：PIFA, Mobile Phone Antenna, HFSS, dual frequency, Simulation analysis

目录 1 绪论 ........................................................................................................................................... 1 1.1 课题研究背景及意义 ........................................................................................................... 1 1.2 手机天线的研究历史和发展现状 ...................................................................................... 2 1.3 本论文的主要工作和内容 .................................................................................................. 3 2 手机天线基本理论知识 .......................................................................................................... 4 2.1 手机天线的辐射电磁波原理 ............................................................................................ 4 2.2 手机天线特性的主要参数 ................................................................................................ 5 2.2.1 频带宽度 ........................................................................................................................ 5 2.2.2 输入阻抗 ........................................................................................................................ 6 2.2.3 效率 ................................................................................................................................ 6 2.2.4 方向图 ............................................................................................................................ 7 2.2.5 增益 ................................................................................................................................ 8 2.3 手机天线设计的要求 ........................................................................................................ 8 2.4 手机天线的不同种类和性能对比.................................................................................... 9 2.4.1 外置天线 ........................................................................................................................ 9 2.4.2 内置天线 ...................................................................................................................... 10 2.5 手机 PIFA 天线设计方法 ............................................................................................... 11 2.5.1 PIFA 天线的由来和基本结构 .................................................................................... 12 2.5.2 有关 PIFA 天线的若干定性结论 .............................................................................. 13 2.5.3 多频段工作的实现 ..................................................................................................... 14 3 一种双频（GSM/DCS）PIFA 天线的设计与仿真 ........................................................... 17 3.1 ANSOFT HFSS 软件介绍和仿真流程 ............................................................................. 17 3.2 一种适用 GSM/DCS 手机的 PIFA 天线设计与仿真分析 ........................................ 20 3.2.1 天线结构模型及分析 ................................................................................................. 20 3.2.2 HFSS 仿真结果与分析 ............................................................................................... 23 3.2.3 天线的结构参数对天线性能的影响分析................................................................ 28

3.3 天线的制作和测试........................................................................................................... 29 3.3.1 天线模型制作与测试过程......................................................................................... 29 3.3.2 测试结果与分析 ......................................................................................................... 31 结论和展望 ................................................................................................................................... 34 参考文献 ....................................................................................................................................... 35 致谢 ................................................................................................................................................ 36

1 绪论 1.1 课题研究背景及意义移动通信产业是当今世界上发展最快、最富有活力的领域之一。近三十年来，移动通信经历了第一代 AMPS、TACS 和 NMT 等系统，第二代 GSM、DCS 和窄带 CDMA 系统，直到目前刚刚商业化的 TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000 和 Wimax 等第三代系统 [1]。移动通信技术使人们在任何时间和地点能互相保持联系，正逐步改变人们的生活方式和思维模式。无线通信是移动通信最重要的通信手段之一。目前，无线通信系统发展迅速，手持无线终端设备在人们日常生活中起着重要作用。在这些设备中，手机又是使用较为频繁的通讯工具。随着移动通信网络覆盖范围的不断扩大，截止 2009 年年低，全球手机用户数已超过 46 亿，同时，我国手机用户数达到 8.72 亿。快速增长的手机用户数，构成手机需求持续增长的重要动力。同时，在通信技术、电子技术快速发展的背景下，手机功能日益强大，成本、售价逐步下降，手机用户的平均换机周期明显缩短，庞大的换机需求是手机市场持续增长的主要动力。在手机需求持续增长的带动下，2011 年全球手机销量已超过 16 亿部，预计 2015 年将达到 18 亿部，手机行业前景广阔，发展空间巨大。随着通信技术的不断发展和手机普及率的提高，手机天线技术也不断进步。天线作为通信系统的前端，是辐射和接收电磁波的系统部件。天线性能的优劣，对移动通信系统的总体性能起着非常重要的作用，一副高性能的天线能放宽系统的要求且改善整个系统的性能。移动通信系统的不断升级换代给天线提供了新的指标要求，小型化，低剖面，宽频带，低成本，且易于与系统集成等成为现在天线设计师需要考虑的主要因素。移动通信成为现代天线发展的主要源动力，没经过充分设计的常规天线形式常常不能满足新的系统要求 [2]。手机作为无线通信系统中的一个基本组成部分，其天线的设计也备受关注，近年来得到迅猛发展。大多数情况下，终端天线安装于一个小的塑料盒中，使用时，天线贴近使用者在某个环境中运动。同时，要求系统辐射低功率且能提供话音和数据的可靠连接。除了功能性需求外，市场上还要求手机天线在结构上小而紧凑、生产成本低、剖面低易于同手机整体系统集成等。因此对于手机天线设计者来说，充分认识天线的 1

重要性，全面了解手机天线的基本理论知识、设计方法和技巧以及能熟悉运用仿真软件对手机天线进行仿真分析是非常重要的。 1.2 手机天线的研究历史和发展现状摆脱有线网络的束缚，不受地理位置的限制，随时都能与任何人进行信息沟通并享受丰富的信息服务，这是人类不断追求的目标。所以天线就成为了实现这一目标必不可少的设备之一。一切利用无线电波来进行通信的系统如广播、雷达、导航、无线电通信和无线电遥感等都离不开天线 [3]。近代电磁学经历了三百多年的发展过程。十九世纪到二十世纪初相继建立了电场高斯定理（1813）、磁通连续性原理和安培环路定律（1825）、以及法拉第电磁感应定律（1831），经麦克斯韦方程组的数学归纳预示了电磁波的存在（ 1864），后被赫兹的著名实验所证实，同时也导致了无线通信的产生。1901 年意大利科学家马可尼试验越洋通信的成功，开创了无线电技术的新纪元 [4]。天线作为实现无线电应用的关键设备，顺应着通信、广播、雷达、制导等无线电应用系统在不同阶段的需要而不断发展，形式多样、性能各异，组成了庞大的天线家族，并凸现出“线天线”、“面天线”、“阵列天线”三条平行的发展轨迹 [5 ]。在上个世纪，作为手机天线工程师还是一件比较轻松的事情。一来需要设计的天线种类不多：鞭状天线、螺旋天线、PIFA 天线；二来频段单一，一般只需单频天线，最多双频天线。时过境迁，时间进入了二十一世纪。手机已经走入平常百姓家，功能也越来越多，手机厂商对天线工程师提出了多频、宽带、小型化等更多更苛刻的要求，作为一名手机天线设计工程师日子不再像以前一样悠闲，砖头一样笨重的手机再也不是显摆的工具，现在的手机已改过去翻盖或平板一统天下的局面，样式多种多样：翻盖、旋转、侧翻等等。薄如名片的手机越来越受宠，天线尽可能的被隐藏起来，过去一款天线可以在若干型号的手机上面使用。而且不管用户的手怎么对手机抓握，手机天线的性能都不能大幅度的下降，随着无线通信系统的日益复杂，不同的规范对手机天线的要求也越来越严格：辐射特性要达标；电磁场辐射（ EMF）安全规定要符合；比吸收率（SAR）必须满足一定的标准；对助听器的兼容性要好；手机信号不能对助听器产生干扰；杂波发射和自干扰要符合 EMC 要求。现在的手机布局非常紧凑：不仅集成了话筒、扬声器、显 2

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