srp 專案結題報告
小型化平面手機天線的設計
學院： 電子與資訊學院
專業班級： 資訊工程11級2班
姓名： 劉國培
學號： 201130302204
指導老師： 靳貴平
實施時間： 2023年4月-2023年3月
目錄第1章緒論 3
1 研究背景 3
2本文的主要工作和內容 3
第2章手機天線分類簡述 4
2.1 天線分類 4
2.2 外接天線簡介 4
2.3 內建天線簡介 4
2.4 手機天線設計要求 4
第3章 pifa天線概述 5
3.1 pifa天線簡介 5
3.2 pifa 天線的由來和基本結構 5
第4章 ansoft hfss **軟體概述 7
4.1 ansoft hfss 軟體介紹 7
4.2 ansoft hfss**流程介紹 7
第5章 pifa天線的** 9
5.1 pifa**模型建立 9
5.1.1建立新的工程模型 10
5.1.2設定設定材料、源和邊界條件 13
5.1.3求解設定 15
5.2 後處理計算 16
5.2.1 反射係數圖 16
5.2.2 阻抗係數圖 16
5.2.3 3d增益方向圖 17
5.2.4 電流振幅和向量的分布圖 17
5.2.5 增益方向圖 19
第6章主要成果和結論 20
第1章緒論
1 研究背景
在無線技術裝置中，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製到射頻頻率的數碼訊號或模擬訊號發射到空間無線通道，或從空間無線通道接收調製在射頻頻率上的數字或模擬訊號。
中國的手機產業從無到有,從購買成熟方案到自主設計,在短短的10年的時間,可以說中國手機行業已經發展到了非常興盛的狀態,手機天線**廠家的發展也如雨後春筍,數量迅速增加,但許多廠商只是注重短期的利潤,忽視了手機天線設計的技術含量,結果是阻礙了手機天線的未來發展。手機天線設計理念上來講，nokia主張手機設計首先要保證rf效能好；其次要保證音訊效能好。在他們的初期方案中就把外觀、主機板、結構、天線是做為乙個整體，提供給天線的預留空間及內部的rf環境十分合理，所以天線效能也十分優越。
而國內，由於設計的人員對天線的認識不足，同時受結構方案和外形至上的制約。最後都是「配」天線，對天線的除錯匹配佔了整個天線設計流程的大部分時間。
因此，在移動手機裡,天線直接影響了手機的可通訊能力,直接決定了手機的發射接收效能,甚至天線設計的好壞決定了該手機在市場的生存空間。
2本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 (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。隨後，本人對電磁**軟體 ansoft hfss 進行了細緻的學習和實踐。
本文主要內容包括：
⑴介紹了手機天線發展歷史及發展現狀。
⑵介紹了手機天線的基本分類和手機天線設計相關要求。
(3)介紹了電磁場**軟體ansoft hfss， 並且說明了其使用方法和步驟。
(4)提出了一種手機 pifa 天線，並利用 hfss **軟體進行**分析，得出相關的結論。
第2章手機天線分類簡述
2.1 天線分類
外接天線：單極天線、螺旋天線、pcb印製螺旋天線
內建天線：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 外接天線簡介
外接天線優點：頻帶範圍寬、接收訊號比較穩定、製造簡單費用相對低；
外接天線缺點：天線暴露於手機外易於損壞、天線靠近人體時導致效能變壞、不易加諸如反射層和保護層等來減小天線對人體的輻射傷害、同時對於fdd的系統，接收和傳送必須使用不同的匹配電路
2.3 內建天線簡介
內建天線優點：可以做的非常小，不易損壞；可以將其安放在手機中遠離人腦的一面而在靠近人腦的部分貼上反射層、保護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，從而實現手機天線的智慧型化，這一點對未來的移動通訊系統來說非常有用
2.4 手機天線設計要求
移動通訊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； 電效能要求： 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。
手機天線主要就內建及外接天線兩種，內建天線客觀上必然比外接天線弱。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，需要乙個「盡量開放」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 手機的接收傳送電路的增益都是可以根據環境變化而自動調節的，能通過合理的引數設定，會自動補償有關的損失。所以就手機整體而言，在訊號比較好的情況下，現在人們為了手機外殼的簡約美觀而選擇內建天線，因此手機內建天線已成主流。
第3章 pifa天線概述
3.1 pifa天線簡介
pifa 天線是現在手機天線使用的最多的一種內建天線，其具有體積小，增益高，易整合，重量輕，饋電方式靈活，便於獲得線極化和圓極化，頻寬相對較寬等特點，因此，它在無線通訊天線領域得到了很好的應用。多年來，多數手機天線都一直沿用這種傳統的 pifa 天線設計方案。未來手機終端天線的發展方向是小型化、多頻段和寬頻帶,只有這樣才能滿足移動通訊日新月異的發展要求。
平面倒f天線(pifa)具有結構緊湊、設計簡單的特點,在近年來得到了長足的發展。目前，市面上可以看到的手機內建天線，其中有 60%~80%都是採用這種天線設計的。
3.2 pifa 天線的由來和基本結構
pifa 天線是由倒 l 天線的變形而來的，如圖 2.3 結構就是倒 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。
由於倒 l 天線有乙個低阻抗值，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於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，不需要在天線和負載之間附加任何電路的情況下，調整它的幾何尺寸就能使其輸入阻抗具有與負載阻抗相匹配的值，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， 當輻射單元僅採用頂部的乙個金屬導線時輻射效果並不理想（輻射電阻小） ，為增大輻射電阻和提高輻射效率而採用頂部載入技術，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，當接地線和饋線僅僅為一條細線時，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。根據電小天線 q 值和頻寬的關係，增大頻寬的途徑就是降低 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，從而增大天線頻寬。
這樣就形成了 pifa 天線，其基本結構包括四個部分：接地平面、輻射體、短路金屬片（接地）和同軸饋線，其典型的結構如圖 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，短路金屬片用來連線輻射體和接地平面，同軸饋線用於訊號傳輸。
圖2.5 pifa天線基本結構
第4章 ansoft hfss **軟體概述
4.1 ansoft hfss 軟體介紹
hfss 是美國 ansoft 公司開發的全波三維電磁**軟體。該軟體採用有限元法，計算結果準確可靠，是業界公認的三維電磁場設計和分析的工業標準。 hfss 採用標準的 windows 圖形使用者介面，簡潔直觀；自動化的設計流程，易學易用；穩定成熟的自適應網格剖分技術，結果準確。
使用 hfss，使用者只需要建立或匯入設計模型，指定模型材料屬性，正確分配模型的邊界條件和激勵，準確定義求解設定，軟體便可以計算並輸入使用者需要的設計結果。下圖為 hfss 使用者使用操作介面圖。
作為一款功能強大的三維電磁設計軟體，hfss 可以為天線設計提供全面的解決方案。使用 hfss 可以**分析和優化設計各類，精確計算天線的各種效能，包括二維、三維遠場和近場輻射方向圖、天線的方向性係數、增益、軸比、半功率波瓣寬度、輸入阻抗、電壓駐波比、s 引數以及電流分布特性等。
4.2 ansoft hfss**流程介紹
使用 hfss 軟體進行天線設計，下面簡單介紹使用這個軟體**天線的主要步驟：
（1）設計求解型別。hfss 中共有三種求解型別， 分別是模式驅動求解、終端驅動求解和本徵模求解。 使用 hfss 天線設計時，通常選擇模式驅動求解型別或者終端驅動求解型別。
其中， 模式驅動求解型別是根據導波模式的入射和反射功率來計算 s 引數矩陣的解，終端驅動求解型別是根據傳輸線終端的電壓和電流來計算 s 引數矩陣的解。
（2）建立天線的結構模型。hfss 軟體提供了乙個簡單易用的建模環境，從而可以準確、方便地建立出各種天線的結構模型，包括準確地設定天線模式的結構尺寸和正確地分配模型的材質。另外，hfss 也可以直接匯入由 autocad、pro/e 等第三方軟體建立的結構模型。
另外，為了方便後續的引數掃瞄分析和優化設計，以及為了能夠方便地更改設計模型的結構尺寸，在建模時可以定義一系列的變數來表示模型的物理尺寸。
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