GSM900单频PIFA天线的仿真设计
GSM900单频PIFA天线的仿真设计[20200406131635]
摘要
随着社会的快速发展，移动电话的需求逐渐改善，但也提出了更高的要求，移动电话天线,要求小型化、工作频带宽等等，而PIFA天线，凭借这些优势，被广泛应用于移动电话中。通过查阅大量文献，来了解手机天线的相关知识以及天线的参数指标，来分析研究PIFA天线设计的模型结构以及实现单频工作的设计要求。本论文是用电磁仿真软件Ansoft HFSS 13.0，设计PIFA天线并在GSM900单频条件下仿真，分析了PIFA天线在开始设定的尺寸下相关性能指标，如天线的谐振频率、输入阻抗、方向图等等，另外，还研究了天线高度，接地平面大小以及接地金属片宽度对PIFA天线性能的影响。
利用HFSS 13.0电磁仿真软件，设计PIFA天线，通过对相关性能参数分析研究，可以设计模拟出最佳性能天线，进而能在实际工程应用中，降低设计周期。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:手机天线PIFAHFSS单频仿真设计
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究目的和意义 1
1.2 手机天线的研究现状和发展趋势 1
1.3 论文的主要工作和内容安排 2
2 手机天线的基本理论知识 3
2.1 手机天线工作的基本原理 3
2.1.1 天线的理论基础 3
2.1.2 手机发射天线的工作原理 8
2.1.3 手机接收天线的工作原理 8
2.2 手机天线的设计要求 9
2.3 现代手机天线设计的计算方法总结 9
2.4 手机天线的种类和性能对比 10
2.4.1 外置天线 10
2.4.2 内置天线 11
2.4.3 内置天线与外置天线的比较 12
2.5 手机PIFA天线 12
2.5.1 PIFA天线的基本结构 12
2.5.2 有关PIFA天线的定性结论 13
3 GSM900单频PIFA天线的设计与仿真 15
3.1 Ansoft HFSS软件介绍 15
3.2 利用HFSS仿真天线基本步骤 15
3.3 手机天线特性的主要参数 16
3.3.1 频带宽度 17
3.3.2 天线的输入阻抗 17
3.3.3 天线增益方向图 17
3.4 GSM 900 单频PIFA天线的设计和分析 17
3.4.1 PIFA天线仿真结果 19
3.4.2 PIFA天线的结构参数对天线性能的影响分析 22
3.4.3 工作频率改变—PIFA天线的设计思路 25
结论与展望 28
参考文献 29
致谢 30
1 绪论
1.1 课题研究目的和意义
手机是移动通信中很重要的一部分，当前移动通信系统有TDMA、GSM、CDMA三种数字无线技术，我们国家的主流移动运营商，在2G通信时代中都是运用GSM通信系统，GSM通信系统也是当今世界上主流的移动通信技术标准[1]。GSM通信系统，采用时分多址的方法，使手机通信可以在不同的频段正常使用。本次毕业设计的要求就是PIFA天线工作在GSM900频段。
移动通信的飞速发展，使手机成为一种消费品，伴随着的是对手机性能要求的提高，因此手机内置天线技术在此背景下也不断发展，来满足人们对手机高性能的需求。天线是手机最重要的一部分，因为天线是手机的无线电设备，手机只有通过天线才能发射和接受信息，即电磁波，如果手机没有天线，那就只是一个空壳，没有任何使用价值，所以天线是手机的重要组成部分。任何物体都有优劣之分，天线性能的好坏，对手机移动通信的整体性能有着举足轻重的作用，相对来讲，高性能的手机天线能提升整个手机系统的性能。伴随着移动通信的飞速发展，天线在物理尺寸方面，要具有微型化、低剖面的特点，在性能指标方面，能工作于宽频带、具有高增益和高效率，另外，在硬件加工方面，能方便于手机内部周围系统集成，这些都是当今时代设计天线要参考的因素。
对天线有充分的了解，才能设计出性能最佳的天线，这是十分重要的。全面了解手机天线的基本理论知识、设计方法和技巧，熟练运用Ansoft HFSS仿真软件对手机天线进行仿真分析，能在实际工程应用中，设计出多套天线方案，进行比较，从而选择性能最佳的天线到实际应用中，这样能有效地降低设计成本，减少设计周期，这是十分有意义的。
1.2 手机天线的研究现状和发展趋势
1901年，意大利物理学家马克妮发明的扇形天线，第一个实现跨大西洋通信，为无线通信技术打下良好的基础，创造了一个无线通信的新时代。天线是移动通信系统中必不可少的部件，是实现无线通信的重要设备。随着时代的飞速发展，也产生了各种各样的天线，它们性能各异，被应用于各种不同的领域，如导航、广播、雷达、通信等，因此天线已成为这些领域必不可少的设备之一[2]。
手机在早期只能使用外置天线，局限于当时的制造工艺，但外置天线也有它的优势，由于外置天线在手机外部，能够拉伸，所以它的制作成本较低而且工艺简单不复杂，用外置天线接受的信号，信号质量相对稳定而且还有比较宽的频带，另外，外置天线的缺点也是相当明显，天线在手机外部，显而易见，它容易被破坏，而且不可以加保护层，所以外置天线的辐射比内置天线的辐射大的多，还有一点，当外置天线靠近人体时，比如在接听电话时，外置天线靠近人耳，会对外置天线的性能产生一定的影响，外置天线有天然劣势，这是无法避免的。随着社会的发展，制造工艺也不断进步，天线可以被做的很小，甚至微型化，这样尺寸较小的天线就可以集成到手机内部，来克服外置天线的天然劣势。近年来，手机内置天线越来越受到人们的重视，内置手机天线是未来手机移动通信系统的发展趋势。内置天线微型化，这样可以在手机内部同时安装多个微型天线，可以提高手机的整体通信性能。
手机天线的发展趋势虽然是内置化、微型化，但不是无限制的要求天线尺寸小，因为天线大小会受其物理尺寸限制，这个物理尺寸是最佳性能状态，如果过于压缩天线，将会影响到天线的各种性能，反而得不偿失。
1.3 论文的主要工作和内容安排
本论文研究的主要对象是手机PIFA天线。根据要求，使PIFA天线工作于GSM 900频段，GSM 900的上行工作频率是880MHz~915MHz，下行工作频率是925MHz~960MHz，PIFA天线中心频率是920MHz，回波损耗小于10dB的带宽大于80MHz。具体要求列出后，再利用HFSS电磁仿真软件对天线进行仿真计算，得到天线的谐振频率、输入阻抗、方向图的曲线图以及辐射金属片表面电流分布图，并对天线高度、接地平面大小和接地金属片宽度进行参数扫描分析，分析了在保持其它条件不变的情况下，这三个因素对天线性能的影响，即对天线工作频率和带宽的影响，主要是工作频率和带宽这两个方面。
论文内容安排如下：
第一章：绪论。主要对手机天线的基本发展和研究状况做了简单介绍；介绍本文的主要工作以及文本大纲。
第二章：手机天线的基本理论知识。阐述了天线的基本知识和理论以及基本参数；介绍了手机天线设计的相关要求。
第三章：GSM 900单频PIFA天线的设计与仿真。简单介绍HFSS 13.0电磁仿真软件，简述其操作流程；设计出一种手机PIFA天线并利用电磁仿真软件HFSS进行仿真分析，得出相关结论。
第四章：总结和展望。总结本次毕业设计的结论，提出不足之处，以及修改意见。
2 手机天线的基本理论知识
2.1 手机天线工作的基本原理
天线系统组件是移动电话必备的，其性能的好坏，与移动电话的通信系统整体性能有直接关系。手机内部电信号，经馈线到达天线，然后，由手机内置天线辐射出去，由于天线的收发互易性，外部电磁波达到手机天线的接收点的情况下，天线会接收下来，这样就达到了通信的效果，所以说，天线是手机内部的必不可少的系统部件，没有天线就没有手机移动通信[3]。如图2.1所示是现代基本无线电通信系统框架图：
图2.1 基本无线电通信系统
天线和电磁波的传播有着密不可分的联系，因为只有天线才能将带有信息的电磁波辐射出去，也只有天线才能将携带信息的电磁波接收下来，天线在无线电传播过程中起着至关重要的作用。
摘要
随着社会的快速发展，移动电话的需求逐渐改善，但也提出了更高的要求，移动电话天线,要求小型化、工作频带宽等等，而PIFA天线，凭借这些优势，被广泛应用于移动电话中。通过查阅大量文献，来了解手机天线的相关知识以及天线的参数指标，来分析研究PIFA天线设计的模型结构以及实现单频工作的设计要求。本论文是用电磁仿真软件Ansoft HFSS 13.0，设计PIFA天线并在GSM900单频条件下仿真，分析了PIFA天线在开始设定的尺寸下相关性能指标，如天线的谐振频率、输入阻抗、方向图等等，另外，还研究了天线高度，接地平面大小以及接地金属片宽度对PIFA天线性能的影响。
利用HFSS 13.0电磁仿真软件，设计PIFA天线，通过对相关性能参数分析研究，可以设计模拟出最佳性能天线，进而能在实际工程应用中，降低设计周期。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:手机天线PIFAHFSS单频仿真设计
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究目的和意义 1
1.2 手机天线的研究现状和发展趋势 1
1.3 论文的主要工作和内容安排 2
2 手机天线的基本理论知识 3
2.1 手机天线工作的基本原理 3
2.1.1 天线的理论基础 3
2.1.2 手机发射天线的工作原理 8
2.1.3 手机接收天线的工作原理 8
2.2 手机天线的设计要求 9
2.3 现代手机天线设计的计算方法总结 9
2.4 手机天线的种类和性能对比 10
2.4.1 外置天线 10
2.4.2 内置天线 11
2.4.3 内置天线与外置天线的比较 12
2.5 手机PIFA天线 12
2.5.1 PIFA天线的基本结构 12
2.5.2 有关PIFA天线的定性结论 13
3 GSM900单频PIFA天线的设计与仿真 15
3.1 Ansoft HFSS软件介绍 15
3.2 利用HFSS仿真天线基本步骤 15
3.3 手机天线特性的主要参数 16
3.3.1 频带宽度 17
3.3.2 天线的输入阻抗 17
3.3.3 天线增益方向图 17
3.4 GSM 900 单频PIFA天线的设计和分析 17
3.4.1 PIFA天线仿真结果 19
3.4.2 PIFA天线的结构参数对天线性能的影响分析 22
3.4.3 工作频率改变—PIFA天线的设计思路 25
结论与展望 28
参考文献 29
致谢 30
1 绪论
1.1 课题研究目的和意义
手机是移动通信中很重要的一部分，当前移动通信系统有TDMA、GSM、CDMA三种数字无线技术，我们国家的主流移动运营商，在2G通信时代中都是运用GSM通信系统，GSM通信系统也是当今世界上主流的移动通信技术标准[1]。GSM通信系统，采用时分多址的方法，使手机通信可以在不同的频段正常使用。本次毕业设计的要求就是PIFA天线工作在GSM900频段。
移动通信的飞速发展，使手机成为一种消费品，伴随着的是对手机性能要求的提高，因此手机内置天线技术在此背景下也不断发展，来满足人们对手机高性能的需求。天线是手机最重要的一部分，因为天线是手机的无线电设备，手机只有通过天线才能发射和接受信息，即电磁波，如果手机没有天线，那就只是一个空壳，没有任何使用价值，所以天线是手机的重要组成部分。任何物体都有优劣之分，天线性能的好坏，对手机移动通信的整体性能有着举足轻重的作用，相对来讲，高性能的手机天线能提升整个手机系统的性能。伴随着移动通信的飞速发展，天线在物理尺寸方面，要具有微型化、低剖面的特点，在性能指标方面，能工作于宽频带、具有高增益和高效率，另外，在硬件加工方面，能方便于手机内部周围系统集成，这些都是当今时代设计天线要参考的因素。
对天线有充分的了解，才能设计出性能最佳的天线，这是十分重要的。全面了解手机天线的基本理论知识、设计方法和技巧，熟练运用Ansoft HFSS仿真软件对手机天线进行仿真分析，能在实际工程应用中，设计出多套天线方案，进行比较，从而选择性能最佳的天线到实际应用中，这样能有效地降低设计成本，减少设计周期，这是十分有意义的。
1.2 手机天线的研究现状和发展趋势
1901年，意大利物理学家马克妮发明的扇形天线，第一个实现跨大西洋通信，为无线通信技术打下良好的基础，创造了一个无线通信的新时代。天线是移动通信系统中必不可少的部件，是实现无线通信的重要设备。随着时代的飞速发展，也产生了各种各样的天线，它们性能各异，被应用于各种不同的领域，如导航、广播、雷达、通信等，因此天线已成为这些领域必不可少的设备之一[2]。
手机在早期只能使用外置天线，局限于当时的制造工艺，但外置天线也有它的优势，由于外置天线在手机外部，能够拉伸，所以它的制作成本较低而且工艺简单不复杂，用外置天线接受的信号，信号质量相对稳定而且还有比较宽的频带，另外，外置天线的缺点也是相当明显，天线在手机外部，显而易见，它容易被破坏，而且不可以加保护层，所以外置天线的辐射比内置天线的辐射大的多，还有一点，当外置天线靠近人体时，比如在接听电话时，外置天线靠近人耳，会对外置天线的性能产生一定的影响，外置天线有天然劣势，这是无法避免的。随着社会的发展，制造工艺也不断进步，天线可以被做的很小，甚至微型化，这样尺寸较小的天线就可以集成到手机内部，来克服外置天线的天然劣势。近年来，手机内置天线越来越受到人们的重视，内置手机天线是未来手机移动通信系统的发展趋势。内置天线微型化，这样可以在手机内部同时安装多个微型天线，可以提高手机的整体通信性能。
手机天线的发展趋势虽然是内置化、微型化，但不是无限制的要求天线尺寸小，因为天线大小会受其物理尺寸限制，这个物理尺寸是最佳性能状态，如果过于压缩天线，将会影响到天线的各种性能，反而得不偿失。
1.3 论文的主要工作和内容安排
本论文研究的主要对象是手机PIFA天线。根据要求，使PIFA天线工作于GSM 900频段，GSM 900的上行工作频率是880MHz~915MHz，下行工作频率是925MHz~960MHz，PIFA天线中心频率是920MHz，回波损耗小于10dB的带宽大于80MHz。具体要求列出后，再利用HFSS电磁仿真软件对天线进行仿真计算，得到天线的谐振频率、输入阻抗、方向图的曲线图以及辐射金属片表面电流分布图，并对天线高度、接地平面大小和接地金属片宽度进行参数扫描分析，分析了在保持其它条件不变的情况下，这三个因素对天线性能的影响，即对天线工作频率和带宽的影响，主要是工作频率和带宽这两个方面。
论文内容安排如下：
第一章：绪论。主要对手机天线的基本发展和研究状况做了简单介绍；介绍本文的主要工作以及文本大纲。
第二章：手机天线的基本理论知识。阐述了天线的基本知识和理论以及基本参数；介绍了手机天线设计的相关要求。
第三章：GSM 900单频PIFA天线的设计与仿真。简单介绍HFSS 13.0电磁仿真软件，简述其操作流程；设计出一种手机PIFA天线并利用电磁仿真软件HFSS进行仿真分析，得出相关结论。
第四章：总结和展望。总结本次毕业设计的结论，提出不足之处，以及修改意见。
2 手机天线的基本理论知识
2.1 手机天线工作的基本原理
天线系统组件是移动电话必备的，其性能的好坏，与移动电话的通信系统整体性能有直接关系。手机内部电信号，经馈线到达天线，然后，由手机内置天线辐射出去，由于天线的收发互易性，外部电磁波达到手机天线的接收点的情况下，天线会接收下来，这样就达到了通信的效果，所以说，天线是手机内部的必不可少的系统部件，没有天线就没有手机移动通信[3]。如图2.1所示是现代基本无线电通信系统框架图：
图2.1 基本无线电通信系统
天线和电磁波的传播有着密不可分的联系，因为只有天线才能将带有信息的电磁波辐射出去，也只有天线才能将携带信息的电磁波接收下来，天线在无线电传播过程中起着至关重要的作用。
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