【正文】 、小型化等更多更苛刻的要求，作為一名手機(jī)天線設(shè)計(jì)工程師日子不再像以前一樣悠閒，磚頭一樣笨重的手機(jī)再也不是顯擺的工具，現(xiàn)在的手機(jī)已改過去翻蓋或平板一統(tǒng)天下的局面，樣式多種多樣：翻蓋、旋轉(zhuǎn)、側(cè)翻等等。薄如名片的手機(jī)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(hào)的手機(jī)上面使用。而且不管用戶的手怎麼對(duì)手機(jī)抓握，手機(jī)天線的性能都不能大幅度的下降，隨著無線通訊系統(tǒng)的日益複雜，不同的規(guī)範(fàn)對(duì)手機(jī)天線的要求也越來越嚴(yán)格：輻射特性要達(dá)標(biāo)；電磁場(chǎng)輻射（EMF）安全規(guī)定要符合；比吸收率（SAR）必須滿足一定的標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)助聽器的相容性要好；手機(jī)信號(hào)不能對(duì)助聽器產(chǎn)生干擾；雜波發(fā)射和自干擾要符合EMC要求?，F(xiàn)在的手機(jī)佈局非常緊湊：不僅集成了話筒、揚(yáng)聲器、顯示幕、電池、天線等必備器件，還有攝像頭、藍(lán)牙、WLAN等不同應(yīng)用。天線數(shù)目的增多會(huì)使設(shè)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(dòng)設(shè)備上，由於空間有限，使得多天線的設(shè)計(jì)有諸多困難。如今手機(jī)天線需要針對(duì)不同式樣的手機(jī)，研發(fā)相對(duì)應(yīng)的天線，人頭對(duì)手機(jī)天線的影響自然也要加以考慮。甚至還得考慮手機(jī)在口袋中，在桌面上等不同的方位，不同的環(huán)境下的工作狀態(tài)。連安裝位置也需要很小心的來確定。使用者不同的操作習(xí)慣也會(huì)影響天線的性能。所以減小天線體積和數(shù)目成了最緊迫的任務(wù)。但是這個(gè)任務(wù)卻很難完成。現(xiàn)在單一的傳統(tǒng)天線已經(jīng)不能滿足要求，多頻帶寬小型化天線設(shè)計(jì)則可以滿足新一代無線通訊系統(tǒng)對(duì)天線的高要求。而且針對(duì)新的通訊技術(shù)，還可能使用MIMO或分集等新技術(shù)來提升資料和OTA（Over The Air）性能。 本論文的主要工作和內(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型天線（PIFA）方面的文獻(xiàn)資料，並且從中獲得了不少的天線理論和設(shè)計(jì)方面的知識(shí)。這些工作，在本論文的下面有較詳盡的闡述。隨後，本人對(duì)電磁模擬軟體Ansoft HFSS進(jìn)行了細(xì)緻的學(xué)習(xí)和實(shí)踐。本文的研究物件是手機(jī)平面倒F型天線（PIFA）。對(duì)現(xiàn)在手機(jī)天線的要求及其設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)定進(jìn)行考慮，在分析手機(jī)天線相關(guān)基本理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，建立了一種T形的雙頻（GSM/DCS）手機(jī)PIFA天線，分析了該天線結(jié)構(gòu)對(duì)頻帶的影響，同時(shí)通過運(yùn)用HFSS對(duì)該P(yáng)IFA天線進(jìn)行模擬分析，得出了相關(guān)的性能參數(shù)曲線，並對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分析。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)天線的基本理論和天線基本特性參數(shù)，包括天線的S11參數(shù)、方向圖、輸入阻抗、增益等。⑶介紹了手機(jī)天線設(shè)計(jì)相關(guān)要求，詳細(xì)討論了實(shí)現(xiàn)天線小型化、多頻的方法。⑷介紹了電磁場(chǎng)模擬軟體Ansoft HFSS，並且說明了其使用方法和步驟。⑸提出了一種T形的雙頻（GSM/DCS）手機(jī)PIFA天線，並利用HFSS模擬軟體進(jìn)行模擬分析，得出相關(guān)的結(jié)論。2 手機(jī)天線基本理論知識(shí) 手機(jī)天線的輻射電磁波原理 無線電發(fā)射機(jī)輸出的射頻信號(hào)功率，通過饋線輸送到天線，由手機(jī)天線以電磁波形式輻射出去。同時(shí)，天線具有互易性，即天線在發(fā)射模式和接收模式具有相同的方向性。因此，電磁波到達(dá)接收地點(diǎn)後，由手機(jī)天線接收下來，並通過饋線送到無線電接收機(jī)?？梢?，天線是發(fā)射和接收電磁波的一個(gè)重要的無線電設(shè)備，沒有天線也就沒有無線電通信。天線是用來發(fā)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(guān)係，在很早以前科學(xué)家們就證實(shí)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(guān)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(shí)，首先必須具備一下兩個(gè)條件[6]：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(chǎn)生高速變化的電場(chǎng)，才能使天線的周圍和空間形成強(qiáng)大的位移電流。而這個(gè)位移電流又在其附近產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)隨時(shí)間變化，又在其附近產(chǎn)生出變化的電場(chǎng)即位移電流，並且在空間互相向前推進(jìn)。在一定的場(chǎng)強(qiáng)下，波源頻率越高，位移電流就越強(qiáng)，因而輻射的能量也就越多，而靜態(tài)電磁場(chǎng)不變化，其頻率為零，不會(huì)產(chǎn)生輻射。低頻場(chǎng)變化緩慢，即頻率很低，輻射電磁波也很弱。在無線電技術(shù)設(shè)備中，想要產(chǎn)生有效的輻射，必須使用高頻。天線的結(jié)構(gòu)：並不是任何一個(gè)帶電的物件都可以產(chǎn)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(dǎo)體）輻射出去，脫離輻射體（即天線），那麼必須使這個(gè)輻射體的結(jié)構(gòu)成為一個(gè)帶電的開放系統(tǒng)。即將這個(gè)輻射體按照電磁場(chǎng)理論與特性做成偶合形、開放形傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)才能輻射，否則，它不但輻射很弱，甚至不能輻射電磁波。導(dǎo)線載有交變電流時(shí)，就可以形成電磁波的輻射，輻射的能力與導(dǎo)線的長(zhǎng)短和形狀有關(guān)。如果導(dǎo)線位置如由於兩導(dǎo)線的距離很近，且兩導(dǎo)線所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幾乎可以抵消，因而輻射很微弱。如果將兩導(dǎo)線張開，這時(shí)由於兩導(dǎo)線的電流方向相同，由兩導(dǎo)線所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向相同，因而輻射較強(qiáng)。當(dāng)導(dǎo)線的長(zhǎng)度1遠(yuǎn)小於波長(zhǎng)時(shí)候，導(dǎo)線的電流很小，輻射很微弱。當(dāng)導(dǎo)線的長(zhǎng)度增大到可與波長(zhǎng)相比擬時(shí)導(dǎo)線上的電流就大大增加，因而就能形成較強(qiáng)的輻射。通常將上述產(chǎn)生顯著輻射的直導(dǎo)線稱為振子。 振子輻射示意圖，對(duì)於各類天線他們都有不同的發(fā)射能力和不同的特性指標(biāo)[6]。但對(duì)每一種天線來講，它有一個(gè)主要特性，那就是它既可以做發(fā)射天線，也可以做接收天線，這就是天線的互易原理。 手機(jī)天線特性的主要參數(shù) 要瞭解天線或從事天線理論研究或工程設(shè)計(jì)方面的工作，就應(yīng)當(dāng)瞭解天線的主要參數(shù)。天線主要參數(shù)的術(shù)語和含義，是我們?cè)谔炀€方面相互交流的基礎(chǔ)，在手機(jī)天線設(shè)計(jì)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(biāo)來衡量，這些電氣指標(biāo)由天線的特性參數(shù)來描述。天線的參數(shù)大致分為兩種類型：電路特性參數(shù)和輻射特性參數(shù)。電路特性參數(shù)主要包括輸入阻抗、效率、頻寬、匹配程度等，輻射特性參數(shù)主要包括方向圖、增益、極化等[7]。這些指標(biāo)由指導(dǎo)設(shè)計(jì)者進(jìn)行天線的設(shè)計(jì)。以下僅從發(fā)射天線出發(fā)討論的幾個(gè)主要參數(shù)。 頻帶寬度 無論是發(fā)射天線還是接收天線，它們總是在一點(diǎn)的頻率範(fàn)圍（頻帶寬度）內(nèi)工作的，天線的頻帶寬度有兩種不同的定義，一種是指：，天線的工作頻帶寬度；一種是指：天線增益下降3dB範(fàn)圍內(nèi)的頻帶寬度。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，通常是按前一種定義的，具體的說，天線的工作頻率範(fàn)圍。一般說來在工作頻帶寬度內(nèi)的各個(gè)頻率點(diǎn)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]。 輸入阻抗定義：天線輸入端信號(hào)電壓與信號(hào)電流之比，稱為天線的輸入阻抗。輸入阻抗具有電阻分量Rin和電抗分量Xin，即Zin=Rin+jXin。電抗分量的存在會(huì)減少天線從饋線對(duì)信號(hào)功率的提取，因此必須使電抗分量盡可能為零，也就是應(yīng)盡可能是天線的輸入阻抗為純電阻。事實(shí)上，即使是設(shè)計(jì)、調(diào)試得很好的天線，其輸入阻抗中總還含有一個(gè)小的電抗分量。對(duì)於任一個(gè)天線，人們總可通過天線阻抗調(diào)試，在要求的工作頻率範(fàn)圍內(nèi)，使輸入阻抗的虛部很小且實(shí)部相當(dāng)接近50Ω，從而使得天線的輸入阻抗Zin=Rin=50Ω。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(duì)頻率的變化往往十分敏感，當(dāng)天線工作頻率偏離設(shè)計(jì)頻率時(shí)，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(shí)際應(yīng)用中，還引入電壓駐波比參數(shù)，並且駐波比不能大於某一規(guī)定值。 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(shí)，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(dǎo)線中的熱損耗、介質(zhì)中的介質(zhì)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(duì)概念的理解，先將天線有關(guān)的基本功率定義如下[5]： 入射功率P入：指發(fā)射機(jī)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(dǎo)線、介質(zhì)或者地電流等存在而損耗的功率； 輻射功率P∑：指天線把發(fā)射機(jī)提供的功率扣除損耗輻射出去的功率； 根據(jù)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(zhuǎn)換能量的有效性，它是天線的重要指標(biāo)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：ηA=PΣPin （） 天線效率ηA的取值範(fàn)圍通常在0%~100%之間。天線的輸入功率一部分轉(zhuǎn)化為輻射功率，另一部分轉(zhuǎn)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(zhì)損耗和電磁損耗。當(dāng)天線無金屬損耗、介質(zhì)損耗和電磁損耗時(shí)，ηA才等於1，通常ηA小於1，工程上對(duì)於載入天線或電小天線效率比較低[9]。 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(jiǎn)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(chǎng)強(qiáng)、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(chǎng)強(qiáng)振幅的空間分佈，即功率方向圖或場(chǎng)強(qiáng)方向圖。在三維座標(biāo)中，方向圖描繪的一個(gè)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(cǎi)用通過最大輻射方向的兩個(gè)正交平面上的剖面圖來描述天線的方向圖。這兩個(gè)互相正交的平面稱之為主面，對(duì)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(chǎng)向量的平面。H面：指通過天線最大輻射方向並平行於磁場(chǎng)向量的平面?？臻g中電場(chǎng)向量和磁場(chǎng)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(duì)各種天線的方向圖進(jìn)行比較，需要規(guī)定一些表示方向圖特性的參數(shù)，這些參數(shù)有：方向性係數(shù)（或方向性增益）、波束寬度（或主瓣寬度）、旁瓣電平等[10]。方向性係數(shù)方向性係數(shù)（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(shù)。為了確定定向天線的方向性係數(shù)，通常以理想的非定向天線作為比較的標(biāo)準(zhǔn)。天線的方向性係數(shù)定義為：在總輻射功率相同時(shí)，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。D=10lgPP0（dB） （）按照上面的定義，由於天線的方向性係數(shù)D（θ，φ）是方向的函數(shù)，不同方向的數(shù)值不同即輻射強(qiáng)度不同。故在輻射電場(chǎng)最大的方向，方向性係數(shù)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(shù)作為定向天線的方向性係數(shù)。波束寬度實(shí)際天線的輻射功率有時(shí)並不限制在一個(gè)波束中，在一個(gè)波束內(nèi)也非均勻分佈。在波束中心輻射強(qiáng)度很大，偏離波束中心，輻射強(qiáng)度減小。輻射強(qiáng)度減小了3dB時(shí)的立體角即定義為ΩB。波束寬度θB，與立體角ΩB關(guān)係為ΩB=π4θB2 （）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(qū)一般是不需要輻射的區(qū)域，其電平應(yīng)盡可能低。 增益 增益是天線的又一個(gè)重要參數(shù)，它與方向性係數(shù)有密切的關(guān)係，其定義為：在輸入功率相等的條件下，天線在（θ，φ）方向的功率密度S（θ，φ）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(diǎn)，該天線的電場(chǎng)強(qiáng)度與理想點(diǎn)源天線在同一處產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度相同的情況下，理想點(diǎn)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(jiǎn)單的公式推導(dǎo)可以得到增益的運(yùn)算式：G=Dη （）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(shù)與天線效率的乘積。方向性係數(shù)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(zhuǎn)換效能，而天線的增