1、本 科 毕 业 设 计小型化内嵌式移动终端天线的分析与设计所在学院 专业班级 电子与信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘要微带帖片天线具有剖面低、重量轻、容易制作以及容易做到与飞行器共形等特点，在实际应用中的适用范围很广。随着不同用途天线的需求对天线性能的要求越来越高，准确分析微带天线的物理尺寸与性能参数的关系有越来越重要的作用。对此，本文利用 Ansoft HFSS 软件仿真了不同物理尺寸下微带天线性能的变化，并进行了优化。本论文设计的是适用于蓝牙天线用的平面倒 F 结构微带天线。叙述了微带天线的基本概念和主要参数指标，如天线的极化、方向图、增益、输入阻抗、驻波比
2、、S 参数等等；介绍了微带天线的小型化技术，有增加基片的介电常数、左手材料、短路加载法，重点介绍的是本文要用到的短路加载法；然后对平面倒 F 结构天线进行设计，参照文献里面的计算公式，按照蓝牙天线的基本参数，设计出来的天线尺寸参数，应用 Ansoft HFSS 仿真软件对设计出来的天线进行仿真分析和优化。不同的贴片长度对天线的参数影响很大，得出的结论是贴片长度的增加对频率，阻抗的影响作用是相反的，长度引起的频率变化比宽度引起的频率变化剧烈。因此可以将正方形的贴片向矩形方向发展，会更加有利于贴片面积的缩小。在宽度符合的情况下，选频率最接近中心频率的一个贴片长度。不同贴片宽度亦会影响天线的性能，根
3、据参数的变化曲线，选取最接近天线的中心频率的贴片宽度，由此可获得天线贴片的最佳尺寸。然而，在天线中心工作频率处有很多组天线贴片尺寸，根据 S11 参数扫频图的增益必须小于-10dB，选取一个相对更合适的贴片尺寸，得到相对最佳的天线设计方案。该天线的优点是天线的中心工作频率在 2.45GHz，天线带宽较宽。关键词:微带天线；小型化；平面倒 F 结构；仿真分析IIAbstractMicrostrip antenna has profile low cross section piece, light weight, easy to make and easy to do and aircraft
4、conformal the peculiar advantage, In practice been widely used. With different USES for antenna of performance requirements demand is higher and higher, accurate analysis microstrip antennas physical size and performance parameters of the relationship is a more and more important role. To this, this
5、 paper studied using Ansoft HFSS software under different physical size microstrip antenna, and the change of the performance of the optimized.This paper is used in the design of the plane with bluetooth antenna microstrip antenna planar inverted F structure. Describes the microstrip antennas basic
6、concepts and main parameters, such as the antenna polarization, directed graph, gain, input impedance, VSWR at, S parameters, etc.; Introduces the miniaturization of microstrip antenna technology, increase substrate node constant, left-handed materials, short-circuit loading method, the paper mainly
7、 introduced is used to short-circuit loading method; Then the plane fall F structure antenna was designed, according to documents in accordance with the formula, inside the basic parameters, bluetooth antenna design of the antenna size parameters, out of Ansoft HFSS simulation software applications
8、designed antenna simulation analysis and optimization. In different patch of the antenna length simulation parameter patch, the conclusion is drawn that increased the length on the frequency, impedance is contrary to the length of the influence caused by the frequency variation, which the frequency
9、than width dramatic changes. Therefore may square to the rectangular patch direction development, will be more conducive to patch area reduction. In the circumstances, the width conform to choose the most close to the center frequency frequency of a length. In different patch when the width of the a
10、ntenna parameter simulation, according to the parameters change curve, to select the most close to the center frequency width antenna, get the best size patch antennas. However, the working frequency in antenna center where theres a lot of group of antenna, according to patch size frequency sweep gr
11、aph parameters S11 must be less than - 10dB gain, choose a relatively more appropriate patch size, get relatively optimal antenna design scheme. The advantages of the antenna is the antenna center working frequency in 2.45 GHz, antenna bandwidth respectively, but because the wider than the limitatio
12、n of the microstrip antennas.Key words：Microstrip antenna；small；planar inverted F structure；simulation and analysisIII目 录第 1 章 引言 .11.1 课题研究背景和意义 .11.2 本论文主要研究内容 .1第 2 章 微带天线的理论和研究方法 .32.1 微带天线的概述 .32.2 微带天线的基本参数 .42.2.1 天线的极化 .52.2.2 天线的方向图 .62.2.3 天线的增益 .72.2.4 天线的输入阻抗 .72.2.5 天线的谐振频率和工作频率 .72.2.6
13、 天线的驻波比 .82.2.7 S 参数 .9第 3 章 微带天线的小型化的研究 .103.1 增加基片介电常数法 .103.2 短路加载法 .103.3 左手材料 .11第 4 章 移动终端天线设计 .124.1 平面倒 F 天线理论 .124.1.1PIFA 演变过程 .124.1.2PIFA 的设计 .144.1.2.1 贴片尺寸 .144.1.2.2 馈电点位置 .144.1.2.3 频带宽度 .154.2 平面倒 F 天线仿真和优化 .164.2.1 仿真软件介绍 .164.2.2 天线参数计算 .184.2.3 仿真结果和分析 .184.2.3.1 天线长度对天线参数的影响 .18
14、IV4.2.3.2 贴片宽度对天线的影响 .194.2.4 本章小结 .23结论 .25致谢 .26参考文献 .271第 1 章 引言1.1 课题研究背景和意义移动终端或者叫移动通信终端是指可以在移动中使用的计算机设备，广义的讲包括手机、笔记本、POS 机甚至包括车载电脑。但是大部分情况下是指手机或者具有多种应用功能的智能手机 1。天线作为无线终端系统中的重要组成部分，完成了无线电信号的接收和发送，它是将高频振荡能量和电磁波能量作可逆转换的设备。随着无线移动通信的飞速发展，人们对无线移动终端的需求也日益增加，如何对这些终端的天线进行设计也变成炙手可热的话题之一。为适应现代通信设备的需求，天线的
15、研发主要朝几个方面进行，即减小天线尺寸、增加宽带和发展多波段工作、智能的方向图的控制。随着集成电路技术的提高，通信终端设备的体积变得越来越小，这时天线对于整个设备就显的过大，这就需要减小天线尺寸。然而，在不明显影响天线的增益的同时，减小天线尺寸却是一项非常艰难的工作。集成电路技术的提高，经常需要一个天线在较宽的频率范围内来支持两个或更多的无线服务，宽带和多波段天线能满足这样的需要。手提电话越来越小，收发机已经集成到一个芯片中，小尺寸天线已经必不可少。在天线的尺寸、带宽和效率之间有一个基本的联系，天线尺寸变小，工作频段和效率就会降低；其次，增益是和天线的尺寸紧密相关的，也就是小尺寸的天线相对于大
16、尺寸的来说提供的增益也小。所以，天线设计师就必须权衡天线的尺寸和性能，使两者的关系达到最优。许多类型的高频小尺寸、紧凑型天线都适用于小型终端设备。只有实现了移动终端天线的小型化才能适应日益小型化并且多功能的通信终端。本论文关注的是天线的小型化技术，天线的小型化是指在工作频率不变的条件下，使得天线的尺寸变的更小。在众多科研人员的不断努力下，现在针对不同应用类型的终端天线都有着相应不同的小型化技术，比如平面倒 F 结构型天线，以及缝隙和枝节加载微带天线等等。1.2 本论文主要研究内容在本论文中，我所设计的是覆盖蓝牙传输频率 2.4GHz 到 2.5G 赫兹的平面倒 F 结构微带天线。目前，蓝牙等无
17、线个域网和无线局域网技术迅猛发展，其中，bluetooth、HomeRF 和IEEE802.11b 选用 2.45GHz 的 ISM 频段。无线个域网设备中，大多数是手持便携设备，如 MP3、MP4、移动电话、蓝牙耳机、多媒体播放器、无线传感器网络中的“智能尘埃”等。于是，对于天线的尺寸、结构、成本和易于匹配等方面提出了很高的要求。致使各种天线越来越多。当前，蓝牙天线的主要种类有偶极天线(Dipole Antenna） 、平面倒 F 天线（Planar Inverted F Antenna）以及微小型陶瓷天线（Ceramic Antenna）等。这些天线具有近似全向性的辐射场型特性，以及制作成
18、本低、结构简单的特点，所以非常适合蓝牙装置的使用。2由于本文是研究平面倒 F 结构天线的设计，所以，这里对平面倒 F 天线即 PIFA 进行简单介绍。平面倒 F 天线是因为他的侧面结构和倒反的英文字母 F 非常相似而命名的。PIFA 的长度只有 1/4 的操作波长，且在其结构中已包括接地金属片，可以大大减小对模块中的接地金属片的敏感度，所以，很适合用于蓝牙模块的装置中。而且，由于 PIF 天线只需要利用金属良导体配合恰当的馈入以及接地面短路到天线的位置，因此他的制作成本可以低，可直接与 PCB 电路板焊在一起。PIFA 的金属导体可以用线状或者是片状结构，如果以金属片结构制作则可以设计为表面贴
19、装器件（SMD）组件焊接在电路板上以达到隐避天线的目的。为支撑起金属片不和接地金属面相接而产生短路，通常在金属片和接地金属面之间加入绝缘介质，如果使用较高介质常数且成本较低的绝缘材质作为介质还可以进一步缩小蓝牙天线的尺寸和生产成本 2。浙江海洋学院本科毕业论文3第 2 章 微带天线的理论和研究方法2.1 微带天线的概述微带辐射器的定义早已在 1953 年由 Deschamps 提出来的。但是，过了二十几年，当较好理论模型以及对敷铜或者敷金介质的基片的光刻技术得到发展之后，实际天线才造出来。这种基片介电常数的范围较宽，具有吸热性和机械性以及低损耗的角正切。最早实际的微带天线是由 Howell 和
20、 Munson 两个人在 20 世纪 70 年代初期研发制作成的。之后，基于微带天线众多优点，微带天线已经得到广泛的研究和发展，从而使得微带天线的应用变得更为广泛，并且在微波天线领域里，作为一个独立的整体而创建了特有的课题。目前，已研制成的各种类平面结构印制天线，例如，带线缝隙天线、微带天线、印制偶极子天线以及背腔印制天线。 3-4表 2.1 各种平面结构印制天线的比较特性 微带天线 带线缝隙天线 背腔印制天线 印制偶极子天 线剖面 薄 不很薄 厚 薄制造 很容易 容易 困难 容易极化 线极化和圆极 化 线极化 线极化和圆极 化 线极化双频工作 可能 不可能 不可能 不可能形状的灵活性 任意形
21、状 只能矩形 其它形状也可 能 矩形和三角形附加辐射 存在 存在 不存在 存在带宽 1-5% 1-2% 10% 10%微带天线之所以能够广泛流行，是因为它具有“平面”结构，因而具有印制电路工艺技术的全部优点。微带天线基本上是一块印刷电路板，全部匹配网络、功率分配器、相移电路和辐射器都光刻在板的一侧，板的另一侧是金属地板，所以，微带天线可以直接装在飞机或导弹的金属表面上。结构最简单的微带天线是由贴在带有金属接地板的介质基片上辐射贴片构成的。如图2.1 所示。贴片导体一般是铜或者金，它可以是任何形状。但是，一般我们都用常规形状用浙江海洋学院本科毕业论文4以简化预期和分析它的性能。基片介电常数应该比
22、较低，这样可以增强边缘场。但是，其它天线性能则需要用介电常数大于 5 的基片材料。目前已研制成介电常数的范围大和损耗角正切低的各类型基片。此外，还可以利用韧性基片来制造简单的形卷天线。图 2.1 a 为矩形微带天线，b 为圆形微带天线与常规微波天线相比，微带天线具有一些优点。因而，在大约从 100MHZ 到 100GHZ 的宽频带上获得了大量的应用。同一般的微波天线相比较，微带天线的主要优点有：重量轻、剖面薄、体积小的平面结构，可与载体共形；制造成本低，易于大量生产；无需做大的变动，天线就能很容易地装在导弹、火箭和卫星上；可以做得很薄，因此，不干扰装载的宇宙飞船的空气动力学性能；稍稍改变馈电位
23、置就可以获得极化和圆极化（左旋和右旋） ；天线的散射截面较小；比较容易制成双频率工作的天线；不需要背腔；微带天线适合于组合式设计（固体器件，如振荡器、可变衰减器、开关、放大器、混频器、调制器、移相器等可以直接加到天线基片上） ；匹配网络和馈线可以与天线结构同时制作。缺点是：频带窄；增益较低；大部分微带天线只能向半空间里辐射；最大增益受限制（约为 20dB） ；辐射元与馈线之间的隔离差；功率容量低；端射性能差；可能有表面波存在。在许多实际设计中，微带天线的优点远远超过它的缺点。甚至到 1980 年仍是微带天线的幼年时期，微带天线已有许多不同的和成功的应用。随着微带天线的继续研究和发展以及日益增多
24、的使用，对于大部分的应用，它终将取代常规的天线。在一些至关重要的系统中已运用微带天线技术：卫星通讯；多普勒雷达及其它雷达；指挥和控制系统；无线电测高计；导弹遥测；武器信管；便携装置；环境检测的仪器和遥感；生物医学辐射器；gps 接收机。随着微带天线技术的提高，微带天线适用场合将越来越多。浙江海洋学院本科毕业论文52.2 微带天线的基本参数要了解微带天线或从事天线的设计工作，就应该了解天线的基本参数。天线基本参数的基本术语和含义是我们在天线方向上交流的基础。而且，天线的性能也需要一套性指标来衡量，这些性能指标应由天线特性参数来描述。要设计仿真出一款微带天线，都需要给出一套天线的指标，如天线极化、
25、方向图、增益、工作频率和频带宽度、输入阻抗、驻波比等。参照这些参数，设计者才能设计出好的天线。要说明天线各个性能，就要定义天线的特性参数。以下小节就来介绍一些天线的基本的重要参数 4-5。2.2.1 天线的极化所谓辐射场的极化，就是在空间某一个固定位置上的电场矢量端点随时间的轨迹，按照其轨迹的形状可分为线极化、圆极化和椭圆极化。电磁波的极化方向通常是以其电场矢量的空间指向来描述的。电磁波的极化是指：在空间某个位置上，沿电磁波传播方向上看去，其电场矢量在空间的取向随时间变化所描绘出的轨迹。如果这个轨迹是一条直线，则称为线极化；如果是一个圆，则称为圆极化；如果是一个椭圆，则称为椭圆极化。其中圆极化
26、还可以根据其旋转方向分为右旋圆极化和左旋圆极化。就圆极化而言，一般规定：若手的拇指朝向波的传播方向，四指弯向电场矢量的旋转方向，这时若电场矢量端点的旋转方向与传播方向符合右手螺旋，则为右旋圆极化，若符合左手螺旋，则为左旋圆极化。要注意，固定时间的场强矢量线在空间的分布旋向与固定位置的场强矢量线随时间的旋向相反。椭圆极化的旋向定义与圆极化的类似。如图 2.2 所示，为电磁波电场矢量取向随时间变化的典型轨迹曲线。图 2.2 平面电磁波的电场矢量取向和极化轨迹天线的极化是以电磁波的极化来确定的。天线极化定义是：天线在给定方向上远场辐射电场的空间取向。一般而言，特指为该天线在最大辐射方向上的电场方向上的电场的空间取向。实际上，天线的极化随着偏离最大辐射方向而改变，天线不同辐射方向可以有不同的极化。垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线接收；水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收；右旋圆极化波要用具有右旋圆极化特性的天线来接收；而左旋圆极化波要用具有
