【文章內(nèi)容簡介】 性能良好的天線，為滿足現(xiàn)代無線通信的要求，設計者往往需要按一定的設計規(guī)則去對天線進行研究設計，以盡量縮小天線的設計周期。預留空間天線的設計，務求盡可能大的利用設計空間。對于性能良好的天線來說，尺寸自然偏大。但是天線設置過程中，一般要求預留空間中的長，寬，高值在以下范圍：長(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)整設計：雙頻(GSM／DCS)：600x6～8mm 當以上要求得到滿足時，工作于GSM頻段的天線一般可能達到1～0dBi，而工作于DCS/PCS頻段時可達0～ldBi。對于天線高度而言，當然是越高的天線其性能越好。此外，對PIFA天線的性能影響非常大的還有手機PCB的長度，目前直板機PCB的長度尚處于75105mm之間這個水平。為達到雙頻，要求PCB長度不要小于80mm，若當PCB版的長度小于80mm時，增益顯著惡化，這是天線設計所需注意的，所以如果要實現(xiàn)多頻工作，那么就應當適當?shù)丶娱LPCB版的長度。內(nèi)置天線在設計的時候應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、連接振蕩器或揚聲器的導線等有良好的接地。如果有攝像頭，應該把安裝位置挖空，并盡量做好攝像頭FPC的屏蔽工作，否則會影響攝像頭接收信號的靈敏度。最后，PCB上微帶以及引線等應嚴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 饋電點處的焊盤尺寸要求不小于2x3mm，饋電點靠近（手機PCB板）的邊緣處，使用共面波導結(jié)構(gòu)可使饋點與傳輸線相連，于彈片接觸而言，折疊點和PCB焊點的長度應保持在4～5毫米范圍內(nèi)。千萬不要屏蔽焊點，更不能在天線正下方放置匹配焊盤，不要把噴涂導電漆等導電物質(zhì)噴灑到天線附近的結(jié)構(gòu)件（面）上，并盡可能的減少EMC遮護板。輻射單元的邊緣設置并沒有特殊的要求，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避免設計在手機天線附近區(qū)域手，因為只要有環(huán)形的金屬圈就需要做好接地措施。當然，裝飾件需要通過導電布連接到器件上，再與電路板的邊緣導地處相連，另外，還應避免能量損耗和附加不輻射諧振頻率點，關(guān)注射頻屏罩。按理說介質(zhì)基片最好應盡可能的填充空氣，支撐物也應盡可能的少。所以，總的來說，我們在設計過程中，應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，也可以滿足設計帶寬的要求。第三節(jié) HFSS簡單介紹在本書所要設計的雙頻帶印刷天線的仿真軟件是HFSS。Ansoft HFSS 是世界上第一個商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場仿真軟件，可分析仿真任意三維無源結(jié)構(gòu)的高頻電磁場，可直接得到特征阻抗、傳播常數(shù)、S 參數(shù)及電磁場、輻射場、天線方向圖等結(jié)果。HFSS 提供了一個簡潔直觀的用戶設計界面、精確自適應的場解器、擁有空前電性能分析能力的功能強大后處理器，能計算任意形狀三維無源結(jié)構(gòu)的S參數(shù)和全波電磁場。當前所有的電磁問題基本都可以使用HFSS進行計算，其特有的自適應網(wǎng)格劃分保證了它具有其它軟件很難達到的準確性和方便性，解決了由于網(wǎng)格劃分不正確引起的計算錯誤問題。當然，由于其計算方法本身缺陷和為實現(xiàn)強大功能而帶來的其它問題，HFSS 計算速度較慢，精確計算復雜結(jié)構(gòu)的超寬頻帶問題的能力差，對計算平臺的配置要求較高。下面就簡要介紹一下 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算無源的基模的S參數(shù)和天線遠場輻射問題。因此選擇 Driven Modal 模式比較合適，當然也可以選擇 Driven Terminal。（2）天線模型的建立：Ansoft HFSS 是一種 3D 的電磁仿真軟件，它提供了操作簡單的各種畫圖工具，可以方便的建立各種復雜的立體模型，并且它支持專業(yè)畫圖工具建立的模型的導入和導出。（3）材料選?。合到y(tǒng)內(nèi)部自帶各種介質(zhì)基片材料，可以從材料庫里選擇需要的材料。如果沒有適合的介質(zhì)材料，可以自行設定材料的參數(shù)。（4）設置邊界條件和激勵源：用戶可以根據(jù)要仿真模型的結(jié)構(gòu)和仿真結(jié)果不同來設置各個面的邊界條件。HFSS 提供高頻電磁仿真的邊界條件包括 PerfectE，PerfectH，Radiation 等，激勵源端口設置主要有兩種 Wave port 和 Lumped Port。邊界條件的設置和激勵端口的設置是仿真過程中最難的一步，也是整個仿真中最重要的環(huán)節(jié)，對仿真結(jié)果起著舉足輕重的作用。（5）設置模型迭代求解的目標及工作頻率：首先要設定仿真模型的工作頻率，由于網(wǎng)絡的大小是和波長有一定關(guān)系的，所以這一步的設置對仿真結(jié)果也有重要的影響。一般來說，仿真天線時都是先估計它的諧振頻率，然后設置該諧振頻率作為工作頻率。如果無法估計諧振頻率，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)。另外通過仿真計算還可以得到天線在工作頻率上的電場、磁場、電流和電壓等參數(shù)的動態(tài)圖，便于對結(jié)果有個直觀認識。由于 Ansoft HFSS 高頻電磁仿真軟件的精確的處理能力，在天線的設計和分析過程中起著重要的作用。CST 工作室套裝是面向 3D 電磁場、微波電路和溫度場設計工程師的一款有效、精確的專業(yè)仿真軟件包，共包含七個工作室子軟件，集成在同一平臺上?？梢詾橛脩籼峁┩暾南到y(tǒng)級和部件級的數(shù)值仿真分析。軟件覆蓋整個電磁頻段，提供完備的時域和頻域全波算法。其強大的實體建模前端基于著名的 ACIS 建模內(nèi)核，結(jié)構(gòu)輸入過程非常簡便，再加上完善的圖形化反饋，極大地簡化了對各種器件的定義，在所有器4件建模完成后，會自動進行一個基于專家系統(tǒng)的全自動網(wǎng)格剖分，然后才開始進行正式的仿真。CST 具有強大的天線設計及后處理的功能，它可以計算天線的頻域參量，如增益、方向性、遠場方向圖、遠場 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，給人們進行天線仿真計算帶來了很大的便利。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和設計要求以及設計中所需注意的細節(jié)，在最后簡單介紹了一下設計仿真所用的軟件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雙頻印刷天線的設計21世紀，一個以科技作為主打力量的新時代，快速崛起的無線通信迅速躍入人們的視野，為了響應當代無線通信的要求，作為接受信號的多頻段天線也就應運而生，且其發(fā)展趨勢必將是小型化、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)于單饋點的雙頻的設計資料。但在天線的設計過程中，需要反復調(diào)試天線的各結(jié)構(gòu)參數(shù)，以減小各個參數(shù)對天線的各頻段的影響。故而需要設計者去反復的優(yōu)化仿真，以滿足設計要求?，F(xiàn)有的大量文獻中涉及到雙頻天線設計的大多為介紹已經(jīng)設計好的天線結(jié)構(gòu)和特性，較少涉及到天線設計的詳細過程，所以在設計新頻段的同種結(jié)構(gòu)的天線時，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計周期。本文設計這款天線皆具有尺寸小、易調(diào)節(jié)、易設計、容易操作加工等優(yōu)點。在天線的研究設計過程中通過改變其中對應的參數(shù)，較易實現(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仿真軟件來到天線模型，建立工程名。同時設置求解類型（Drien Modal）和模型長度單位（mm）。輸入?yún)?shù)以及參數(shù)的值為考察結(jié)構(gòu)尺寸對天線電性能的影響，采用 3D 電磁仿真軟件 Ansoft HFSS V13對設計 的天線進行 了 仿真分析 ，經(jīng)過加工調(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，長為L，寬為W的長方體。而本次設計的所需基板為FR4的介質(zhì)基板。在本次設計中，我們首先只討論在只有天線正面的完全對稱的叉子形輻射貼片P1的時候，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長方體，在接下來彈出的界面上修改介質(zhì)的名稱起點坐標以及長寬高，注意數(shù)值要用之前的變量。接著選中長方體點擊左邊的屬性窗口，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)建一個完全對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矩形，在用變量修改其起點坐標和長寬。貼片P1是由幾個矩形組合而成的，依次把幾個矩形畫好后全選中已經(jīng)畫好的這幾個矩形，點擊軟件上的，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話，修改名稱為，材料屬性默認為Grobal。然后點擊按鈕退出。創(chuàng)建參考地在介質(zhì)板背面創(chuàng)建一個矩形面，并將其命名為GND。 設置邊界條件（1）把輻射貼片tiepianP1和參考地GND設置為理想導體邊界 選中平面模型tiepianP1，然后單擊鼠標右鍵，在彈出快捷菜單中選擇【Assign Boundary】→【Perfect E】命令，打開理想導體邊界條件設置對話框。在該對話框中保留默認設置不變，直接單擊按鈕，即可設置平面tiepianP1為理想導體邊界條件。同樣的方法設置平面GND為理想導體邊界條件。（2）設置輻射邊界條件 在HFSS中輻射邊界表面距離輻射體通常需要不小于1/4個工作波長，在設計中我們定義了變量length來表示1/4個工作波長。在這里首先創(chuàng)建一個長方體模型，長方體的底面和介質(zhì)基片底面距離為10mm，其他表面和輻射貼片的距離為1/4個工作波長，然后再把該長方體的表面設置為輻射邊界。從主菜單欄中選擇【Draw】→【Box】命令，在三維模型窗口中創(chuàng)建一個任意大小的長方體，然后打開新建長方體屬性對話框中Attribute選項卡把名稱改為Airbox。再雙擊操作歷史樹Airbox節(jié)點下的CreateBox，打開新建長方體屬性對話框的Command選項卡，在該選項卡中設置長方體的頂點坐標和大小。在Position文本框中輸入頂點位置坐標為（10mm，length，length），在XSize、YSie和ZSiz文本框中分別輸入長方體的長、寬和高為length+H+2*length+W、2*length+L，然后點擊按鈕。 長方體模型Airbox創(chuàng)建好了之后，單擊操作歷史樹Solids節(jié)點下的Airbox，選中該模型。然后在三維模型窗口中單擊鼠標右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇【Assign Boundary】→【Radiation】命令。保留對話框的默認設置不變，直接單擊按鈕，把長方體模型Airbox的表面設置為輻射邊界條件。設置端口激勵在設計中，把端口平面Port設置集總端口激勵，端口阻抗設置為50歐姆。單擊操作歷史樹Sheet節(jié)點下的Port，選中該端口平面。然后在其上單擊鼠標右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇【Assign Excitation】→【Lunped Port】命令，打開集總端口設置對話框。在對話框的Name文本框中輸入端口名稱1，端口阻抗保留默認的50ohm不變，單擊按鈕。在Modes對話框中，單擊Integration Line項的None，從下拉列表中選擇New Line選項，進入三維模型窗口設置積分線。單擊下一步按鈕。在Post Processing對 話框中選中Penormalized All Modes單選按鈕，并設置Full Port Impedance選項為50ohm。最后單擊完成按鈕，完成集總端口激勵方式的設置。 設置完成后，在集總端口激勵的名稱“1”會添加到工程樹的Excitation節(jié)點下。求解設置。，選擇快速（Fast）掃頻類型。（1）求解頻率和網(wǎng)絡剖分設置 右鍵單擊工程樹下的Analysis節(jié)點，在彈出的快捷菜單中選擇【Add Solution Setup】命令，打開Solution Setup對話框。設置完成后，求解設置項的名稱Setup1會添加到工程樹Analysis節(jié)點下。（2）掃頻設置掃頻類型選擇快速掃頻。展開工程樹下的Analysis節(jié)點，右鍵單擊求解設置項Sepup1，在彈出的快捷菜單中選擇【Add Frequency