【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 性能良好的天線，為滿足現(xiàn)代無(wú)線通信的要求，設(shè)計(jì)者往往需要按一定的設(shè)計(jì)規(guī)則去對(duì)天線進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，以盡量縮小天線的設(shè)計(jì)周期。預(yù)留空間天線的設(shè)計(jì)，務(wù)求盡可能大的利用設(shè)計(jì)空間。對(duì)于性能良好的天線來(lái)說(shuō)，尺寸自然偏大。但是天線設(shè)置過(guò)程中，一般要求預(yù)留空間中的長(zhǎng)，寬，高值在以下范圍：長(zhǎng)(3545毫米)、寬(1525毫米)、高(68毫米)。其中天線諧振頻率的帶寬和天線的高度H密切相關(guān)[9]。其中，最低頻率是由天線輻射單元的參數(shù)W和L決定。所以，一般而言天線面積按如下尺寸去調(diào)整設(shè)計(jì)：雙頻(GSM／DCS)：600x6～8mm 當(dāng)以上要求得到滿足時(shí)，工作于GSM頻段的天線一般可能達(dá)到1～0dBi，而工作于DCS/PCS頻段時(shí)可達(dá)0～ldBi。對(duì)于天線高度而言，當(dāng)然是越高的天線其性能越好。此外，對(duì)PIFA天線的性能影響非常大的還有手機(jī)PCB的長(zhǎng)度，目前直板機(jī)PCB的長(zhǎng)度尚處于75105mm之間這個(gè)水平。為達(dá)到雙頻，要求PCB長(zhǎng)度不要小于80mm，若當(dāng)PCB版的長(zhǎng)度小于80mm時(shí)，增益顯著惡化，這是天線設(shè)計(jì)所需注意的，所以如果要實(shí)現(xiàn)多頻工作，那么就應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)丶娱L(zhǎng)PCB版的長(zhǎng)度。內(nèi)置天線在設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)使其與周圍較大金屬物體之間的距離保持在6mm以上，并要求其與LCD、液晶屏、按鍵等的彎曲電纜、連接振蕩器或揚(yáng)聲器的導(dǎo)線等有良好的接地。如果有攝像頭，應(yīng)該把安裝位置挖空，并盡量做好攝像頭FPC的屏蔽工作，否則會(huì)影響攝像頭接收信號(hào)的靈敏度。最后，PCB上微帶以及引線等應(yīng)嚴(yán)禁與天線的彈片處于一種平行的狀態(tài)。天線結(jié)構(gòu)布局 饋電點(diǎn)處的焊盤尺寸要求不小于2x3mm，饋電點(diǎn)靠近（手機(jī)PCB板）的邊緣處，使用共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可使饋點(diǎn)與傳輸線相連，于彈片接觸而言，折疊點(diǎn)和PCB焊點(diǎn)的長(zhǎng)度應(yīng)保持在4～5毫米范圍內(nèi)。千萬(wàn)不要屏蔽焊點(diǎn)，更不能在天線正下方放置匹配焊盤，不要把噴涂導(dǎo)電漆等導(dǎo)電物質(zhì)噴灑到天線附近的結(jié)構(gòu)件（面）上，并盡可能的減少EMC遮護(hù)板。輻射單元的邊緣設(shè)置并沒(méi)有特殊的要求，它既可以超出接地片的邊緣，也可以盡可能的離接地片的邊緣很近。電鍍工藝和金屬裝飾物應(yīng)避免設(shè)計(jì)在手機(jī)天線附近區(qū)域手，因?yàn)橹灰协h(huán)形的金屬圈就需要做好接地措施。當(dāng)然，裝飾件需要通過(guò)導(dǎo)電布連接到器件上，再與電路板的邊緣導(dǎo)地處相連，另外，還應(yīng)避免能量損耗和附加不輻射諧振頻率點(diǎn)，關(guān)注射頻屏罩。按理說(shuō)介質(zhì)基片最好應(yīng)盡可能的填充空氣，支撐物也應(yīng)盡可能的少。所以，總的來(lái)說(shuō)，我們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)保持天線為一金屬片狀結(jié)構(gòu)，盡量減少其附近有其他物體的存在，并盡量想辦法去避免減小天線寬度。若天線高度不夠，可挖空PIFA天線下面的接地板，于其背面加一個(gè)可作為短路片的金屬片，其作用是作為參考地，也可以滿足設(shè)計(jì)帶寬的要求。第三節(jié) HFSS簡(jiǎn)單介紹在本書所要設(shè)計(jì)的雙頻帶印刷天線的仿真軟件是HFSS。Ansoft HFSS 是世界上第一個(gè)商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)仿真軟件，可分析仿真任意三維無(wú)源結(jié)構(gòu)的高頻電磁場(chǎng)，可直接得到特征阻抗、傳播常數(shù)、S 參數(shù)及電磁場(chǎng)、輻射場(chǎng)、天線方向圖等結(jié)果。HFSS 提供了一個(gè)簡(jiǎn)潔直觀的用戶設(shè)計(jì)界面、精確自適應(yīng)的場(chǎng)解器、擁有空前電性能分析能力的功能強(qiáng)大后處理器，能計(jì)算任意形狀三維無(wú)源結(jié)構(gòu)的S參數(shù)和全波電磁場(chǎng)。當(dāng)前所有的電磁問(wèn)題基本都可以使用HFSS進(jìn)行計(jì)算，其特有的自適應(yīng)網(wǎng)格劃分保證了它具有其它軟件很難達(dá)到的準(zhǔn)確性和方便性，解決了由于網(wǎng)格劃分不正確引起的計(jì)算錯(cuò)誤問(wèn)題。當(dāng)然，由于其計(jì)算方法本身缺陷和為實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大功能而帶來(lái)的其它問(wèn)題，HFSS 計(jì)算速度較慢，精確計(jì)算復(fù)雜結(jié)構(gòu)的超寬頻帶問(wèn)題的能力差，對(duì)計(jì)算平臺(tái)的配置要求較高。下面就簡(jiǎn)要介紹一下 HFSS 的基本使用步驟。（1）仿真模式選擇：HFSS 共有三種 Solution 模式：Driven Modal、DrivenTerminal和Eigenmode。微帶天線的仿真是需要計(jì)算無(wú)源的基模的S參數(shù)和天線遠(yuǎn)場(chǎng)輻射問(wèn)題。因此選擇 Driven Modal 模式比較合適，當(dāng)然也可以選擇 Driven Terminal。（2）天線模型的建立：Ansoft HFSS 是一種 3D 的電磁仿真軟件，它提供了操作簡(jiǎn)單的各種畫圖工具，可以方便的建立各種復(fù)雜的立體模型，并且它支持專業(yè)畫圖工具建立的模型的導(dǎo)入和導(dǎo)出。（3）材料選?。合到y(tǒng)內(nèi)部自帶各種介質(zhì)基片材料，可以從材料庫(kù)里選擇需要的材料。如果沒(méi)有適合的介質(zhì)材料，可以自行設(shè)定材料的參數(shù)。（4）設(shè)置邊界條件和激勵(lì)源：用戶可以根據(jù)要仿真模型的結(jié)構(gòu)和仿真結(jié)果不同來(lái)設(shè)置各個(gè)面的邊界條件。HFSS 提供高頻電磁仿真的邊界條件包括 PerfectE，PerfectH，Radiation 等，激勵(lì)源端口設(shè)置主要有兩種 Wave port 和 Lumped Port。邊界條件的設(shè)置和激勵(lì)端口的設(shè)置是仿真過(guò)程中最難的一步，也是整個(gè)仿真中最重要的環(huán)節(jié)，對(duì)仿真結(jié)果起著舉足輕重的作用。（5）設(shè)置模型迭代求解的目標(biāo)及工作頻率：首先要設(shè)定仿真模型的工作頻率，由于網(wǎng)絡(luò)的大小是和波長(zhǎng)有一定關(guān)系的，所以這一步的設(shè)置對(duì)仿真結(jié)果也有重要的影響。一般來(lái)說(shuō)，仿真天線時(shí)都是先估計(jì)它的諧振頻率，然后設(shè)置該諧振頻率作為工作頻率。如果無(wú)法估計(jì)諧振頻率，一般要先確定感興趣的頻段，然后取該頻段的中點(diǎn)作工作頻率。（6）仿真結(jié)果處理：HFSS V11 仿真軟件包能夠給出天線各種參數(shù)的仿真結(jié)果和變量掃描分析的結(jié)果。其中包括天線在工作頻段的 S 參數(shù)、VSWR、天線的方向性圖、增益和輸入阻抗等主要的參數(shù)。另外通過(guò)仿真計(jì)算還可以得到天線在工作頻率上的電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電流和電壓等參數(shù)的動(dòng)態(tài)圖，便于對(duì)結(jié)果有個(gè)直觀認(rèn)識(shí)。由于 Ansoft HFSS 高頻電磁仿真軟件的精確的處理能力，在天線的設(shè)計(jì)和分析過(guò)程中起著重要的作用。CST 工作室套裝是面向 3D 電磁場(chǎng)、微波電路和溫度場(chǎng)設(shè)計(jì)工程師的一款有效、精確的專業(yè)仿真軟件包，共包含七個(gè)工作室子軟件，集成在同一平臺(tái)上?？梢詾橛脩籼峁┩暾南到y(tǒng)級(jí)和部件級(jí)的數(shù)值仿真分析。軟件覆蓋整個(gè)電磁頻段，提供完備的時(shí)域和頻域全波算法。其強(qiáng)大的實(shí)體建模前端基于著名的 ACIS 建模內(nèi)核，結(jié)構(gòu)輸入過(guò)程非常簡(jiǎn)便，再加上完善的圖形化反饋，極大地簡(jiǎn)化了對(duì)各種器件的定義，在所有器4件建模完成后，會(huì)自動(dòng)進(jìn)行一個(gè)基于專家系統(tǒng)的全自動(dòng)網(wǎng)格剖分，然后才開始進(jìn)行正式的仿真。CST 具有強(qiáng)大的天線設(shè)計(jì)及后處理的功能，它可以計(jì)算天線的頻域參量，如增益、方向性、遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖、遠(yuǎn)場(chǎng) 3D 圖和 3dB 帶寬等。除了上述兩種外，還有 EField、Feco 等多種數(shù)值仿真軟件，它們各有特色，給人們進(jìn)行天線仿真計(jì)算帶來(lái)了很大的便利。第四節(jié) 本章小結(jié)本章主要介紹了WLAN/MiMAX雙頻帶印刷天線的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求以及設(shè)計(jì)中所需注意的細(xì)節(jié)，在最后簡(jiǎn)單介紹了一下設(shè)計(jì)仿真所用的軟件HFSS.第四章 WLAN/WiMAX雙頻帶印刷天線具體流程和仿真結(jié)果第一節(jié) 綜述WLAN/WiMAX雙頻印刷天線的設(shè)計(jì)21世紀(jì)，一個(gè)以科技作為主打力量的新時(shí)代，快速崛起的無(wú)線通信迅速躍入人們的視野，為了響應(yīng)當(dāng)代無(wú)線通信的要求，作為接受信號(hào)的多頻段天線也就應(yīng)運(yùn)而生，且其發(fā)展趨勢(shì)必將是小型化、內(nèi)置化、多頻段和智能化。到今天為止，已經(jīng)有大量的關(guān)于單饋點(diǎn)的雙頻的設(shè)計(jì)資料。但在天線的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要反復(fù)調(diào)試天線的各結(jié)構(gòu)參數(shù)，以減小各個(gè)參數(shù)對(duì)天線的各頻段的影響。故而需要設(shè)計(jì)者去反復(fù)的優(yōu)化仿真，以滿足設(shè)計(jì)要求。現(xiàn)有的大量文獻(xiàn)中涉及到雙頻天線設(shè)計(jì)的大多為介紹已經(jīng)設(shè)計(jì)好的天線結(jié)構(gòu)和特性，較少涉及到天線設(shè)計(jì)的詳細(xì)過(guò)程，所以在設(shè)計(jì)新頻段的同種結(jié)構(gòu)的天線時(shí)，仍還有大部分的工作急待探究，而這往往也不利于縮短天線的設(shè)計(jì)周期。本文設(shè)計(jì)這款天線皆具有尺寸小、易調(diào)節(jié)、易設(shè)計(jì)、容易操作加工等優(yōu)點(diǎn)。在天線的研究設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)改變其中對(duì)應(yīng)的參數(shù)，較易實(shí)現(xiàn)指定的雙頻段工作。第二節(jié) WLANWI\MiMAX雙頻帶印刷天線的模型構(gòu)建與仿真一、天線的模型構(gòu)建 打開HFSS軟件 打開HFSS仿真軟件來(lái)到天線模型，建立工程名。同時(shí)設(shè)置求解類型（Drien Modal）和模型長(zhǎng)度單位（mm）。輸入?yún)?shù)以及參數(shù)的值為考察結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)天線電性能的影響，采用 3D 電磁仿真軟件 Ansoft HFSS V13對(duì)設(shè)計(jì) 的天線進(jìn)行 了 仿真分析 ，經(jīng)過(guò)加工調(diào)試天線的尺寸如下 ：L=36 mm， Ll= 18 mm ，L2 =5 mm ，L3=7 mm ，L4 =6 mm ，L5= 5 mm ，L6=15 mm ，L7=5 mm ，W = 18 mm ，W1=2 mm ，W2 = 4 mm ， W3=2 mm ，w4=1．5 mm ，H =1 mm。添加變量及變量數(shù)值：從軟件主菜單選擇命令【HFSS】→【Design Properties】從彈出的窗口中點(diǎn)擊【add】添加變量及數(shù)值。直到所有變量及數(shù)值添加完。建立模型首先創(chuàng)建介質(zhì)基板，長(zhǎng)為L(zhǎng)，寬為W的長(zhǎng)方體。而本次設(shè)計(jì)的所需基板為FR4的介質(zhì)基板。在本次設(shè)計(jì)中，我們首先只討論在只有天線正面的完全對(duì)稱的叉子形輻射貼片P1的時(shí)候，觀察天線的回波損耗仿真結(jié)果。下面創(chuàng)建介質(zhì)基板，從軟件主菜單選擇命令【Draw】→【Box】,然后在工作界面畫一個(gè)長(zhǎng)方體，在接下來(lái)彈出的界面上修改介質(zhì)的名稱起點(diǎn)坐標(biāo)以及長(zhǎng)寬高，注意數(shù)值要用之前的變量。接著選中長(zhǎng)方體點(diǎn)擊左邊的屬性窗口，把其屬性改為FR4_epoxy。創(chuàng)建輻射貼片在介質(zhì)基片的上表面創(chuàng)建一個(gè)完全對(duì)稱的叉子形輻射貼片P1（），從軟件主菜單選擇命令【Draw】→【Rectangle】,然后在三維模型窗口上隨便畫一個(gè)矩形，在用變量修改其起點(diǎn)坐標(biāo)和長(zhǎng)寬。貼片P1是由幾個(gè)矩形組合而成的，依次把幾個(gè)矩形畫好后全選中已經(jīng)畫好的這幾個(gè)矩形，點(diǎn)擊軟件上的，把它們連接在一起。 再雙擊操作歷史樹Patch下的貼邊tiepianP1,打開連接之后矩形面屬性對(duì)話框修改其材料屬性為Global。創(chuàng)建50歐姆微帶傳輸線 使用和前面相同的操作方法在介質(zhì)基片的表面創(chuàng)建一個(gè)矩形面，用以表示50歐姆微帶傳輸線。 打開新建矩形面材料屬性對(duì)話，修改名稱為，材料屬性默認(rèn)為Grobal。然后點(diǎn)擊按鈕退出。創(chuàng)建參考地在介質(zhì)板背面創(chuàng)建一個(gè)矩形面，并將其命名為GND。 設(shè)置邊界條件（1）把輻射貼片tiepianP1和參考地GND設(shè)置為理想導(dǎo)體邊界 選中平面模型tiepianP1，然后單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出快捷菜單中選擇【Assign Boundary】→【Perfect E】命令，打開理想導(dǎo)體邊界條件設(shè)置對(duì)話框。在該對(duì)話框中保留默認(rèn)設(shè)置不變，直接單擊按鈕，即可設(shè)置平面tiepianP1為理想導(dǎo)體邊界條件。同樣的方法設(shè)置平面GND為理想導(dǎo)體邊界條件。（2）設(shè)置輻射邊界條件 在HFSS中輻射邊界表面距離輻射體通常需要不小于1/4個(gè)工作波長(zhǎng)，在設(shè)計(jì)中我們定義了變量length來(lái)表示1/4個(gè)工作波長(zhǎng)。在這里首先創(chuàng)建一個(gè)長(zhǎng)方體模型，長(zhǎng)方體的底面和介質(zhì)基片底面距離為10mm，其他表面和輻射貼片的距離為1/4個(gè)工作波長(zhǎng)，然后再把該長(zhǎng)方體的表面設(shè)置為輻射邊界。從主菜單欄中選擇【Draw】→【Box】命令，在三維模型窗口中創(chuàng)建一個(gè)任意大小的長(zhǎng)方體，然后打開新建長(zhǎng)方體屬性對(duì)話框中Attribute選項(xiàng)卡把名稱改為Airbox。再雙擊操作歷史樹Airbox節(jié)點(diǎn)下的CreateBox，打開新建長(zhǎng)方體屬性對(duì)話框的Command選項(xiàng)卡，在該選項(xiàng)卡中設(shè)置長(zhǎng)方體的頂點(diǎn)坐標(biāo)和大小。在Position文本框中輸入頂點(diǎn)位置坐標(biāo)為（10mm，length，length），在XSize、YSie和ZSiz文本框中分別輸入長(zhǎng)方體的長(zhǎng)、寬和高為length+H+2*length+W、2*length+L，然后點(diǎn)擊按鈕。 長(zhǎng)方體模型Airbox創(chuàng)建好了之后，單擊操作歷史樹Solids節(jié)點(diǎn)下的Airbox，選中該模型。然后在三維模型窗口中單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇【Assign Boundary】→【Radiation】命令。保留對(duì)話框的默認(rèn)設(shè)置不變，直接單擊按鈕，把長(zhǎng)方體模型Airbox的表面設(shè)置為輻射邊界條件。設(shè)置端口激勵(lì)在設(shè)計(jì)中，把端口平面Port設(shè)置集總端口激勵(lì)，端口阻抗設(shè)置為50歐姆。單擊操作歷史樹Sheet節(jié)點(diǎn)下的Port，選中該端口平面。然后在其上單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇【Assign Excitation】→【Lunped Port】命令，打開集總端口設(shè)置對(duì)話框。在對(duì)話框的Name文本框中輸入端口名稱1，端口阻抗保留默認(rèn)的50ohm不變，單擊按鈕。在Modes對(duì)話框中，單擊Integration Line項(xiàng)的None，從下拉列表中選擇New Line選項(xiàng)，進(jìn)入三維模型窗口設(shè)置積分線。單擊下一步按鈕。在Post Processing對(duì) 話框中選中Penormalized All Modes單選按鈕，并設(shè)置Full Port Impedance選項(xiàng)為50ohm。最后單擊完成按鈕，完成集總端口激勵(lì)方式的設(shè)置。 設(shè)置完成后，在集總端口激勵(lì)的名稱“1”會(huì)添加到工程樹的Excitation節(jié)點(diǎn)下。求解設(shè)置。，選擇快速（Fast）掃頻類型。（1）求解頻率和網(wǎng)絡(luò)剖分設(shè)置 右鍵單擊工程樹下的Analysis節(jié)點(diǎn)，在彈出的快捷菜單中選擇【Add Solution Setup】命令，打開Solution Setup對(duì)話框。設(shè)置完成后，求解設(shè)置項(xiàng)的名稱Setup1會(huì)添加到工程樹Analysis節(jié)點(diǎn)下。（2）掃頻設(shè)置掃頻類型選擇快速掃頻。展開工程樹下的Analysis節(jié)點(diǎn)，右鍵單擊求解設(shè)置項(xiàng)Sepup1，在彈出的快捷菜單中選擇【Add Frequency