【正文】 分層阻抗邊界條件（Layered Impedance）。邊界條件確定場，正確地設(shè)置邊界條件是正確使用HFSS、模擬計算出準(zhǔn)確結(jié)果的前提。另外，為了方便後續(xù)的參數(shù)掃描分析和優(yōu)化設(shè)計，以及為了能夠方便地更改設(shè)計模型的結(jié)構(gòu)尺寸，在建模時可以定義一系列的變數(shù)來表示模型的物理尺寸。HFSS軟體提供了一個簡單易用的建模環(huán)境，從而可以準(zhǔn)確、方便地創(chuàng)建出各種天線的結(jié)構(gòu)模型，包括準(zhǔn)確地設(shè)置天線模式的結(jié)構(gòu)尺寸和正確地分配模型的材質(zhì)。其中，模式驅(qū)動求解類型是根據(jù)導(dǎo)波模式的入射和反射功率來計算S參數(shù)矩陣的解，終端驅(qū)動求解類型是根據(jù)傳輸線終端的電壓和電流來計算S參數(shù)矩陣的解。HFSS中共有三種求解類型，分別是模式驅(qū)動求解（Driven Modal）、終端驅(qū)動求解（Driven Terminal）和本征模求解（Eigen mode）。使用HFSS可以模擬分析和優(yōu)化設(shè)計各類，精確計算天線的各種性能，包括二維、三維遠(yuǎn)場和近場輻射方向圖、天線的方向性係數(shù)、增益、軸比、半功率波瓣寬度、輸入阻抗、電壓駐波比、S參數(shù)以及電流分佈特性等[15]。使用HFSS，用戶只需要創(chuàng)建或?qū)朐O(shè)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(zhǔn)確定義求解設(shè)置，軟體便可以計算並輸入使用者需要的設(shè)計結(jié)果。該軟體採用有限元法，計算結(jié)果準(zhǔn)確可靠，是業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場設(shè)計和分析的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在這種開槽方式下，低頻諧振頻率與L型開槽類似，但高頻諧振頻率估算為如下公式：f2=c4（H+L2+W2） （）和L型開槽類似，上式也是只具有近似指導(dǎo)意義，不具有嚴(yán)格的意義。 U型開槽天線通過開槽，同樣改變了原先的電流路徑，形成兩個相對獨立的電流回路，從而實現(xiàn)PIFA天線的雙頻工作。比如手機實際設(shè)計的預(yù)留尺寸不能根據(jù)上式不能嚴(yán)格計算出就是諧振在880960MHz之間。在L形開槽下，長度L、寬度W的矩形金屬片作為輻射元1，產(chǎn)生低頻諧振頻率；長度為G寬度為W2的矩形金屬片作為輻射元2，產(chǎn)生高頻諧振頻率。此處我們以PIFA天線中通常使用的兩種開槽：L型開槽和U型開槽為例實現(xiàn)雙頻功能進行分析[8]。PIFA天線實現(xiàn)多頻段工作，可以通過使用雙饋點，或通過在PIFA天線輻射金屬片上採用開槽技術(shù)來實現(xiàn)。在手機設(shè)計中，GSM頻段最優(yōu)接地面的大小大致為，DCS頻段最優(yōu)接地面大小大致為，如接地面尺寸稍微偏離最優(yōu)尺寸，則會使頻寬略有下降。PIFA天線接地面的大小會影響天線的頻寬。但是這種方法往往比較難以實現(xiàn)。增加接地片的寬度將增加頻寬，降低接地片的寬度將降低頻寬。一般手機天線中H不允許低於7mm，最好大於8mm，嚴(yán)禁低於6mm。輻射體和接地面之間的高度H對天線的工作頻寬產(chǎn)生嚴(yán)重影響，頻寬隨著H的增加而增加。假設(shè)分析採用典型的PIFA天線基本結(jié)構(gòu)，其輻射體為一矩形銅片，銅片的長度（L），寬度（W）和天線的中心諧振頻率。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，短路金屬片用來連接輻射體和接地平面，同軸饋線用於信號傳輸。根據(jù)電小天線Q值和頻寬的關(guān)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佈電容和減小分佈電感，從而增大天線頻寬。 倒L天線模型 倒F天線（IFA）模型線性的IFA天線是一種小尺寸天線，當(dāng)輻射單元僅採用頂部的一個金屬導(dǎo)線時輻射效果並不理想（輻射電阻?。?，為增大輻射電阻和提高輻射效率而採用頂部載入技術(shù)，將頂部的輻射線用輻射平面代替，從而形成平面輻射單元。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(fù)載之間附加任何電路的情況下，調(diào)整它的幾何尺寸就能使其輸入阻抗具有與負(fù)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33中1是垂直單元，2是水準(zhǔn)單元，3是饋電點，4是接地板。目前，市面上可以看到的手機內(nèi)置天線，其中有60%~80%都是採用這種天線設(shè)計的。 手機PIFA天線設(shè)計方法PIFA天線是現(xiàn)在手機天線使用的最多的一種內(nèi)置天線，其具有體積小，增益高，易集成，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(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用。其基本結(jié)構(gòu)是採用一個平面輻射單元為輻射體，並以一個大的地面為反射面，輻射體上有兩個互相靠近的Pin腳，分別用於接地和作為饋電點。由於整個天線的形狀像個倒寫的英文字母F，故得名。不過目前以成功在多款手機中使用，用以完成藍(lán)牙，GPS等功能。通過增加材料的介電常數(shù)可以使頻率偏低，能有效的縮小天線的尺寸，陶瓷介質(zhì)比PCB電路板的介質(zhì)損耗小，所以Q值高，但它的帶寬窄，頻寬與多頻均不易實現(xiàn)，陶瓷天線可分為塊狀（Block）陶瓷天線與多層（Multilayer）陶瓷天線兩種，前者是使用高溫（攝氏1000度以上）將整塊陶瓷體一次燒結(jié)完成後再將天線的金屬部分印在陶瓷塊的表面上；後者則採用低溫共燒（Low Temperature Cofired）的方式將多層陶瓷迭壓對位後再低溫800~900度的溫度燒結(jié)，所以天線的金屬導(dǎo)體可以依設(shè)計需要印在每一層陶瓷介質(zhì)層上，故可有效縮小天線所需尺寸，並能達到隱藏天線設(shè)計佈局的目的。大多數(shù)超薄手機使用的是Monople天線，它的特點是尺寸小，輻射效率高，但是對輻射環(huán)境要求很高，並且SAR值較大[12]。內(nèi)置天線的形式特別多，包括Monople、IFA天線和到L天線、PIFA、陶瓷天線等等。 內(nèi)置天線內(nèi)置天線的特點：可以集成到外殼上，不額外增加設(shè)備尺寸，有機械剛性，不易損壞；可以採用將其安放在手機中遠(yuǎn)離人腦的一面，而在靠近人腦的部分貼上反射層或保護層這種遮罩技術(shù)來減小輻射對人體的傷害，SAR值小。PCB形式的螺旋天線形狀是扁平特性的，比普通落選填寫的體積更小，同時此類天線的設(shè)計具有較強的靈活性，應(yīng)用漸多?？偟膩碚f，單極天線由於其要求是四分之一波長或二分之一波長的一根振子的長度，尺寸大，一般不使用。 普通螺旋天線和PCB螺旋天線外置天線的優(yōu)點是頻帶範(fàn)圍寬、接收信號比較穩(wěn)定、製造簡單、費用相對低；缺點是不能集成到印製電路板或者設(shè)備外殼上，增加總尺寸，比吸收率（SAR）高，不易遮罩，人體對天線的性能影響較大。為了減少外置天線的尺寸一般採用螺旋天線，[11]。 外置天線 外置天線一般為單極天線，製作簡單，但是尺寸較大，不便攜帶，容易折彎變形。 手機天線的不同種類和性能對比傳統(tǒng)的手機天線可以根據(jù)天線所處的位置分為外置天線和內(nèi)置天線兩大類。極化方向可用垂直極化標(biāo)準(zhǔn)天線測量。額定功率需要在隔離度優(yōu)於80dB遮罩中測量。在手機以天線和PCB介面處，引一個RF cable出來，加信號發(fā)射，用標(biāo)準(zhǔn)天線測待測天線發(fā)射出來的功率。電壓駐波比用網(wǎng)路分析儀測，先校正單埠S11，F(xiàn)ormat後測SWR。阻抗用校正後的網(wǎng)路分析儀測阻抗Smith圓圖上（0,0）是匹配點50 Ω。手機天線設(shè)計成功與否的關(guān)鍵參數(shù)是[8]：頻率範(fàn)圍用校正過單埠S11的網(wǎng)路分析測S11小於10dB的範(fàn)圍覆蓋所需頻段為合格。移動通信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；電性能要求：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(huán)境影響小，對人體輻射傷害小。實際上，所有的GSM手機的接收發(fā)送電路的增益都是可以根據(jù)環(huán)境變化而自動調(diào)節(jié)的，能通過合理的參數(shù)設(shè)定，會自動補償有關(guān)的損失。而手機電路板就是手機天線的參考地，讓天線遠(yuǎn)離手機其他電路，是提高手機天線發(fā)射效率的關(guān)鍵。 手機天線設(shè)計的要求目前，手機天線主要就內(nèi)置及外置天線兩種，內(nèi)置天線客觀上必然比外置天線弱。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。天線的增益還可以理解為：在天線的最大輻射方向某一點，該天線的電場強度與理想點源天線在同一處產(chǎn)生的電場強度相同的情況下，理想點源天線的輸入功率與該天線的輸入功率之比。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。輻射強度減小了3dB時的立體角即定義為ΩB。波束寬度實際天線的輻射功率有時並不限制在一個波束中，在一個波束內(nèi)也非均勻分佈。故在輻射電場最大的方向，方向性係數(shù)也最大。天線的方向性係數(shù)定義為：在總輻射功率相同時，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。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)。空間中電場向量和磁場向量是互相正交的，所以E面和H面也是互相正交的。E面：指通過天線最大輻射方向並平行於電場向量的平面。立體方向圖形象、直觀，但畫起來複雜，工程上為了方便，常採用通過最大輻射方向的兩個正交平面上的剖面圖來描述天線的方向圖。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強振幅的空間分佈，即功率方向圖或場強方向圖。 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。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。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。 為了便於對概念的理解，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∑。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。因此在實際應(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。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。事實上，即使是設(shè)計、調(diào)試得很好的天線，其輸入阻抗中總還含有一個小的電抗分量。輸入阻抗具有電阻分量Rin和電抗分量Xin，即Zin=Rin+jXin。一般說來在工作頻帶寬度內(nèi)的各個頻率點上，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]。 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。這些指標(biāo)由指導(dǎo)設(shè)計者進行天線的設(shè)計。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)。天線主要參數(shù)的術(shù)語和含義，是我們在天線方面相互交流的基礎(chǔ)，在手機天線設(shè)計中起著總有的作用。但對每一種天線來講，它有一個主要特性，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。通常將上述產(chǎn)生顯著輻射的直導(dǎo)線稱為振子。當(dāng)導(dǎo)線的長度1遠(yuǎn)小於波長時候，導(dǎo)線的電流很小，輻射很微弱。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)電動勢幾乎可以抵消，因而輻射很微弱。即將這個輻射體按照電磁場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。天線的結(jié)構(gòu)：並不是任何一個帶電的物件都可以產(chǎn)生和輻射電磁波。低頻場變化緩慢，即頻率很低，輻射電磁波也很弱。而這個位移電流又在其附近產(chǎn)生很強的磁場，這個磁場隨時間變化，又在其附近產(chǎn)生出變化的電場即位移電流，並且在空間互相向前推進。天線作為輻射電磁波的輻射體，在輻射電磁波時，首先必須具備一下兩個條件[6]：輸入到天線上的電流源的頻率必