通信工程专业实训题目：手机内置天线的设计专业：通信2班学号：1167119226姓名：李盼指导老师：杜永兴分数：_________________目录摘要：关键字：第一章：背景介绍第二章：实训过程记录第三章：实训结论第四章：实训总结第五章：参考文献摘要：现在的电子通讯技术飞速发展，随着技术可经济的推进，人们对手机的要求越来越高，然而手机的基本功能就是打电话，而对手机的内置天线要求就更高难度更大，小型化，并且能工作在不同的频段下，文中主要研究双频手机PIFA天线。

采用了开槽的的设计方法实现了天线的双频，工作性能良好，易于实现，现在大多数手机都使用这种天线。

关键字：PIFA天线，双频，GSM,DCS,HFSS第一章：背景介绍1.1 移动通信对手机天线的要求天线最主要的功能在于转换两种不同传播介质中的电磁波能量。

在能量转换的过程中，会出现收发信机与天线及天线与传播介质之间的不连续接口。

在无线通讯系统中，天线必须依照这两个接口的特性来做适当的设计，以使得收发信机、天线以及传播介质之间形成一个连续的能量传输路径。

移动通信手机对天线的要求：外在要求：天线尺寸小，重量轻，剖面低，携带方便，机械强度好电性能要求：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1.2 手机天线的指标意义天线输入阻抗：天线的输入阻抗是以收发机与天线间的接口往天线端看入所得到的阻抗值。

这一数值对天线的辐射效率，天线的带内增益波动，天线前端的功率容量有很大的影响。

手机天线是一种驻波天线，，天线的阻抗不匹配，将导致大量的信号反射，使天线的辐射效率降低，同时由于反射的影响使得天线在宽频带内的增益有抖动，如果天线的驻波为6，手机前端的击穿电压将降为原来的1/6，而功率容量就会下降。

手机天线驻波对天线效率的影响不可不慎。

天线的驻波要求，我们目前统一要求为小于3。

工作频率与工作带宽天线的带宽是指满足天线全部指标的频带范围。

工作频率是指天线带宽范围内的所有频率。

工作带宽由多个指标来限定，因此需取其中带宽最窄的带宽，手机天线中，方向图带宽，极化带宽等因素所限定的带宽大于阻抗带宽，因此在手机天线中一般以满足所要求驻波的带宽范围作为天线的工作带宽。

波束方向图天线波束方向图是用来描述由天线所辐射出的能量与空间中任意位置的相互关系，藉由方向图可以得知由天线所辐射出来的电磁波在空间中每一个位置的相对强度或绝对强度。

毫无疑问，手机天线的水平方向图要求是全向的，实际上手机天线的波束方向图并不重要，主要是在手机的使用过程中，此时手机天线的辐射特性与单天线的辐射特性是不相同的。

手机天线的方向图只要求水平面近似为全向即可。

方向性与天线增益天线的方向性与其波束方向图有关，所以方向性也是方位角的函数，其定义如下：D(θ,ψ)=【天线在(θ,ψ)方向上的辐射强度】/【全向性天线的辐射强度】在实际的应用上，由于必须考虑天线本身的辐射效率问题，故通常都以天线增益的大小来代替指向性，两者之间的关系为：G（θ,ψ）=eD(θ,ψ)其中，天线的辐射效率高低与电磁波辐射过程中所损失的能量多少有关。

天线在能量传送与接收的过程中所有可能会产生的能量损失包括：天线输入端阻抗不匹配造成的能量反射、天线本身的材质在高频下所产生的能量损耗以及在传播介质中所消耗的能量。

手机天线的增益并不能代表手机使用时的效率问题：真正表示天线增益特性的指标应该是天线的平均有效增益，其与手机天线的的使用环境、使用方式、手机的结构、手机设计方式相关。

1.3 PIFA天线PIFA天线是对倒F线天线的扩展而得到的。

此天线的发展须序是―顶加载――倒L天线－倒F天线－PIFA。

由此发展过程即可知天线的特性与优点。

其特点是频带宽，体积小，剖面低。

下图是PIFA的基本图示：图1PIFA的基本形式PIFA天线相当于大量IFA天线的并联，其阻抗相当于许多线型天线阻抗的并联，因此平面型天线比线型天线的输入阻抗要低一些，不但产生了宽带谐振特性，并且缩小了尺寸。

为了使天线产生自谐振，避免用有耗电路, 应尽量提高辐射电阻，减小损耗电阻，使天线系统保持一个足够高的效率。

1.4 PIFA多频段实现方式：为适应手机多频段工作，需要内置天线实现多频段工作。

PIFA 天线实现多频段工作，可以通过使用双馈点，或通过在PIFA 天线上采用开槽的技术来实现。

使用双馈点时调谐频率调谐范围往往受到一定的限制，因此实际手机中的多频段多采用开槽的方式实现多频工作。

下图是常见的几种开槽方式，实际中用的最多的是U型和L型。

下面主要介绍L型槽：L型开槽的PIFA天线辐射单元如下图所示通过开槽，在高频和低频下,PIFA天线可以形成两个相对独立的电流回路，这就是开槽的PIFA天线实现双频工作的基本原理。

在L型开槽下，较低工作频段的谐振频率大致可以表示为：F=C/4(L+W+H)上述公式只具有近似的指导意义，不具有严格的意义。

比如手机实际设计的预留尺寸不能根据上式不能严格计算出就是谐振在880-960MHz之间。

而较高的工作频率由于受多个因素的控制，因此不能用公式表示。

影响较高的谐振频率的因素主要有：G1:L1和L2之间的缝宽；G2:辐射单元中间的缝宽；G3:辐射单元中间的缝隙长度；L2:开路端边缘的长度。

第二章：PIFA天线的HFSS设计过程首先确定PIFA天线的重要各个参数天线的高度H 10mm辐射金属片的长度L1 40mm辐射金属片的宽度W1 30mm接地平面的长度Lg 120mm接地平面的宽度Wg 40mm开槽的宽度W_slot 3mm 竖槽的长度L1_slot 18mm 横槽的长度L2_slot 25mm1：运行并新建工程2：添加和定义设计变量。

添加过程如图：3：添加新的介质材料在设计中辐射金属片使用的支架是介电常数较低的泡沫，其相对介电常数为1.06，损耗正切0.005。

将其命名为foam。

4：PIFA天线设计建模按照先后顺序依次创建辐射金属片，接地平面，短路金属片，泡沫支架，以及同轴馈线。

（1）：创建辐射金属片在xoy平面上创建一个矩形，长宽分别用L1，W1表示。

创建好后，设置其边界条件为有限导体边界。

（2）创建接地平面创建一个平行于辐射金属片的矩形，长宽分别用Lg，Wg表示，矩形建好后，设置其边界条件。

如下图：（3）：创建接地金属片在辐射金属片的左上角创建一个位于xz平面的矩形用做接地金属片命名为Short，长宽分别用H和SW表示。

最后设置短路金属片的边界条件为有限导体边界。

（4）：创建泡沫支架创建一个长方体模型用以表示泡沫支架。

该模型位于接地平面的正上方，大小和接地平面相同。

该模型命名为Shelf。

（5）：创建同轴馈线创建PIFA天线的同轴馈线，用于传输信号能量。

首先在平面Gnd开出一个半径为r2的Ciecle1圆孔参数如下：再执行相减操作，Gnd平面上挖去圆Ciecle1。

然后创建一个同轴馈线的内芯：创建一个圆柱体命名为inner。

具体参数如下：创建同轴线的外圈：创建一个圆柱体半径为r2，长为H1，创建完成后，设置圆柱体outer侧表面的边界条件为有理想导体边界。

5：设置激励端口当前设计的PIFA天线是通过同轴馈线馈电的，这里使用波端口激励方式，设置同轴线的底面为端口激励。

6：创建和设置辐射边界使用HFSS分析天线问题时，必须设置辐射边界条件，且辐射表面和天线的距离需要不小于1/4个工作波长。

创建一个长方体AirBox，使它的各个表面设置为辐射边界条件。

看下表：长方体模型创建好之好，打开辐射边界条件对话框，保留辐射边界条件对话框中的数值不变点击确定，即可把长方体模型各个表面设置为辐射边界条件。

7：开L形槽在辐射片上开出L形槽，我们首先在辐射片上创建2个矩形面，然后合并操作，最后执行相减生产L形槽。

在辐射贴片上创建一个与x轴平行的矩形面L_J1，其位置参数如下：同理，创建矩形面L_J2，合并2个矩形面，最后在执行相减操作，在辐射片上开L形槽8：求解设置本次实训中设计的PIFA天线工作于GSM900和DCS1800两个频段，将求解设置为1.8GHz，扫频设置为0.5GHz~2.3GHz。

如下图点击OK按钮退出。

9：运行仿真分析10：查看分析结果仿真完成后生成的S11图如下：第三章：实训结论1：在实训的过程中出现这么几个问题：（1）：在设置激励端口时，总是出现下图中的问题后来将三维模型窗口放的很大，才选中要设置的激励面得以解决此问题。

（2）：运行时出现模型重叠问题，此类问题使用相减操作，分别把Shelf模型，outer模型和inner模型在相减对话框中相减便解决此问题。

（3）：在最后调节参数使S11图中附和题目要求时，采用定向变量对S11图的影响，一个参数一个参数的变化，得出参数变化对S11图具体有什么影响，然后通过改变影响参数的数值来实现900MHz和1800MHz双频手机内置天线。

2：实训结果分析通过仿真计算得到S11图如下：从图可以看出天线的两个谐振频率分别为920MHz和1820MHz，10dB带宽分别为230MHz （820MHz~1050MHz）和110MHz（1780MHz~1890MHz）满足设计双频带天线的工作要求。

查看天线的输入阻抗图如下：查看天线的方向图如下：辐射金属片的表面电流分布如下图3：PIFA天线的结构参数对天线性能的影响分析高度H:对天线的工作带宽产生严重影响，带宽随着H 的增加而增加。

PIFA 天线中对带宽起决定作用的结构参数就是H。

一般手机天线中H 不允许低于7mm，最好大于8mm，严禁低于6mm。

改变馈点的位置可以改变输入阻抗，因此可以通过改变馈点的位置实现频率调谐。

但是这种方法往往比较难于实现。

PIFA 天线仅在半空间辐射，因此具有很高的前后比（6-8dB），比外置天线有较好的SAR 值。

PIFA 天线接地面的大小会影响天线的带宽。

最优接地面尺寸受PIFA 天线辐射体尺寸的影响。

在手机设计中，GSM 频段最优接地面的大小大致为40×120mm，DCS 频段最优接地面大小大致为40×80mm。

地面的宽度变大，带宽变小，对频率影响不大。

短路金属片的宽度对PIFA天线的频率和宽度影响，即接地金属片越窄，PIFA天线的工作频率越低，带宽越窄。

辐射片的大小对天线的频率带宽影响也较大，辐射片越小频率越大。

第四章：实训总结本次实训设计达到了任务的要求，实现了手机内置PIFA天线GSM900和DCS1800双频的设计。

利用了HFSS软件对PIFA天线进行了仿真，通过观察天线的回波损耗，方向图确定了天线的频率和带宽，通过这次实训基本掌握了HFSS软件设计天线的方法，为天线设计打下了基础。

天线的理论是一个复杂的系统，影响它的因素太多。