【正文】 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）手機(jī)平面倒F型天線（PIFA）的模擬分析 學(xué) 院 物理與光電工程學(xué)院 專 業(yè) 電子科學(xué)與技術(shù) 年級(jí)班別 2008（2）班 學(xué) 號(hào) 3108009196 學(xué)生姓名 鄭耀華 指導(dǎo)教師 吳多龍 2012年6月手機(jī)平面倒F型天線（PIFA）的模擬分析 鄭耀華 物理與光電工程學(xué)院摘要 移動(dòng)通信的迅猛發(fā)展，對(duì)應(yīng)用於手機(jī)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(Planar InvertedF Antenna, PIFA)因其具有體積小、重量輕、剖面低、可內(nèi)置、且易於加工等突出的結(jié)果特點(diǎn)以及能實(shí)現(xiàn)寬頻帶和多頻段的特性而在手機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著不同用途的需求，對(duì)手機(jī)天線性能的要求越來越高，準(zhǔn)確分析PIFA天線的物理尺寸和性能參數(shù)的關(guān)係有越來越重要的作用。對(duì)此，本文利用Ansoft HFSS模擬軟體研究了初始設(shè)定物理尺寸下PIFA天線的各個(gè)性能指標(biāo)，並分析相關(guān)參數(shù)對(duì)天線性能影響。論文論述了天線的基本概念和參數(shù)指標(biāo)，討論了手機(jī)PIFA天線的基本結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)多頻段的設(shè)計(jì)方法。在瞭解軟體Ansoft HFSS的天線模擬功能和模擬流程的基礎(chǔ)上，對(duì)一種雙頻（GSM/DCS）PIFA天線的設(shè)計(jì)方案進(jìn)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(duì)天線性能的影響。本文的工作，不僅對(duì)手機(jī)PIFA天線的工程設(shè)計(jì)提出了一種有效模型結(jié)構(gòu)，而且證實(shí)了使用Ansoft HFSS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(shè)計(jì)中，進(jìn)行更多的方案比較並縮短設(shè)計(jì)週期，降低研製成本。最後，根據(jù)該天線模型結(jié)構(gòu)製作實(shí)物，通過測(cè)試和不斷優(yōu)化，得出結(jié)果與模擬結(jié)果相一致，可作為實(shí)際應(yīng)用中手機(jī)天線。關(guān)鍵字：PIFA，手機(jī)天線，HFSS，雙頻，模擬分析AbstractWith the rapid development of mobile munication, properties of miniaturization, broadband and multifrequency for antennas in mobile phone are demanded. And planar invertedF antenna (PIFA) ing 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 multiband 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 dualband(GSM/DCS) PIFA antenna. Lastly, the proposed antenna is experimentally studied, and effects of the height of the antenna and the extended toppatch 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 plex antenna projects, pared 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 錄1 緒論 1 1 2 32 手機(jī)天線基本理論知識(shí) 4 手機(jī)天線的輻射電磁波原理 4 手機(jī)天線特性的主要參數(shù) 5 頻帶寬度 5 輸入阻抗 6 效率 6 方向圖 7 增益 8 手機(jī)天線設(shè)計(jì)的要求 8 手機(jī)天線的不同種類和性能對(duì)比 9 外置天線 9 內(nèi)置天線 10 手機(jī)PIFA天線設(shè)計(jì)方法…………………………………………………………….. 11 PIFA天線的由來和基本結(jié)構(gòu) 12 有關(guān)PIFA天線的若干定性結(jié)論 13 多頻段工作的實(shí)現(xiàn) 143 一種雙頻（GSM/DCS）PIFA天線的設(shè)計(jì)與仿真 17 Ansoft HFSS軟件介紹和仿真流程 17 一種適用GSM/DCS手機(jī)的PIFA天線設(shè)計(jì)與仿真分析 20 天線結(jié)構(gòu)模型及分析 20 HFSS仿真結(jié)果與分析 23 天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)天線性能的影響分析 28 天線的制作和測(cè)試 29 天線模型制作與測(cè)試過程 29 測(cè)試結(jié)果與分析 31結(jié)論和展望 34參考文獻(xiàn) 35致謝 3636 / 421 緒論 課題研究背景及意義移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)是當(dāng)今世界上發(fā)展最快、最富有活力的領(lǐng)域之一。近三十年來，移動(dòng)通信經(jīng)歷了第一代AMPS、TACS和NMT等系統(tǒng)，第二代GSM、DCS和窄帶CDMA系統(tǒng)，直到目前剛剛商業(yè)化的TDSCDMA、WCDMA、CDMA2000和Wimax等第三代系統(tǒng)[1]。移動(dòng)通信技術(shù)使人們?cè)谌魏螘r(shí)間和地點(diǎn)能互相保持聯(lián)繫，正逐步改變?nèi)藗兊纳罘绞胶退季S模式。無線通訊是移動(dòng)通信最重要的通信手段之一。目前，無線通訊系統(tǒng)發(fā)展迅速，手持無線終端設(shè)備在人們?nèi)粘Ｉ钪衅鹬匾饔?。在這些設(shè)備中，手機(jī)又是使用較為頻繁的通訊工具。隨著移動(dòng)通信網(wǎng)路覆蓋範(fàn)圍的不斷擴(kuò)大，截止2009年年低，全球手機(jī)用戶數(shù)已超過46億，同時(shí)?？焖僭鲩L的手機(jī)用戶數(shù)，構(gòu)成手機(jī)需求持續(xù)增長的重要?jiǎng)恿?。同時(shí)，在通信技術(shù)、電子技術(shù)快速發(fā)展的背景下，手機(jī)功能日益強(qiáng)大，成本、售價(jià)逐步下降，手機(jī)用戶的平均換機(jī)週期明顯縮短，龐大的換機(jī)需求是手機(jī)市場持續(xù)增長的主要?jiǎng)恿?。在手機(jī)需求持續(xù)增長的帶動(dòng)下，2011年全球手機(jī)銷量已超過16億部，預(yù)計(jì)2015年將達(dá)到18億部，手機(jī)行業(yè)前景廣闊，發(fā)展空間巨大。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展和手機(jī)普及率的提高，手機(jī)天線技術(shù)也不斷進(jìn)步。天線作為通信系統(tǒng)的前端，是輻射和接收電磁波的系統(tǒng)部件。天線性能的優(yōu)劣，對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)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(tǒng)的要求且改善整個(gè)系統(tǒng)的性能。移動(dòng)通信系統(tǒng)的不斷升級(jí)換代給天線提供了新的指標(biāo)要求，小型化，低剖面，寬頻帶，低成本，且易於與系統(tǒng)集成等成為現(xiàn)在天線設(shè)計(jì)師需要考慮的主要因素。移動(dòng)通信成為現(xiàn)代天線發(fā)展的主要源動(dòng)力，沒經(jīng)過充分設(shè)計(jì)的常規(guī)天線形式常常不能滿足新的系統(tǒng)要求[2]。手機(jī)作為無線通訊系統(tǒng)中的一個(gè)基本組成部分，其天線的設(shè)計(jì)也備受關(guān)注，近年來得到迅猛發(fā)展。大多數(shù)情況下，終端天線安裝於一個(gè)小的塑膠盒中，使用時(shí)，天線貼近使用者在某個(gè)環(huán)境中運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，要求系統(tǒng)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(jī)天線在結(jié)構(gòu)上小而緊湊、生產(chǎn)成本低、剖面低易於同手機(jī)整體系統(tǒng)集成等。因此對(duì)於手機(jī)天線設(shè)計(jì)者來說，充分認(rèn)識(shí)天線的重要性，全面了解手機(jī)天線的基本理論知識(shí)、設(shè)計(jì)方法和技巧以及能熟悉運(yùn)用模擬軟體對(duì)手機(jī)天線進(jìn)行模擬分析是非常重要的。 手機(jī)天線的研究歷史和發(fā)展現(xiàn)狀擺脫有線網(wǎng)路的束縛，不受地理位置的限制，隨時(shí)都能與任何人進(jìn)行資訊溝通並享受豐富的資訊服務(wù)，這是人類不斷追求的目標(biāo)。所以天線就成為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)必不可少的設(shè)備之一。一切利用無線電波來進(jìn)行通信的系統(tǒng)如廣播、雷達(dá)、導(dǎo)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(xué)經(jīng)歷了三百多年的發(fā)展過程。十九世紀(jì)到二十世紀(jì)初相繼建立了電場高斯定理（1813）、磁通連續(xù)性原理和安培環(huán)路定律（1825）、以及法拉第電磁感應(yīng)定律（1831），經(jīng)麥克斯韋方程組的數(shù)學(xué)歸納預(yù)示了電磁波的存在（1864），後被赫茲的著名實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，同時(shí)也導(dǎo)致了無線通訊的產(chǎn)生。1901年義大利科學(xué)家馬可尼試驗(yàn)越洋通信的成功，開創(chuàng)了無線電技術(shù)的新紀(jì)元[4]。天線作為實(shí)現(xiàn)無線電應(yīng)用的關(guān)鍵設(shè)備，順應(yīng)著通信、廣播、雷達(dá)、制導(dǎo)等無線電應(yīng)用系統(tǒng)在不同階段的需要而不斷發(fā)展，形式多樣、性能各異，組成了龐大的天線家族，並凸現(xiàn)出“線天線”、“面天線”、“陣列天線”三條平行的發(fā)展軌跡[5]。在上個(gè)世紀(jì)，作為手機(jī)天線工程師還是一件比較輕鬆的事情。一來需要設(shè)計(jì)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(shí)過境遷，時(shí)間進(jìn)入了二十一世紀(jì)。手機(jī)已經(jīng)走入平常百姓家，功能也越來越多，手機(jī)廠商對(duì)天線工程師提出了多頻、寬頻