平面倒F縫隙天線的仿真分析

本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))題目：平面倒F縫隙天線的仿真分析SimulationAnalysisofPIFASlotAntennaword文檔可自由復(fù)制編輯摘要手機(jī)天線設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)是小型化、多頻化和內(nèi)置化。平面倒F天線（PIFA）由金屬地板、輻射貼片、短路貼片和饋電系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、制作容易，得到了廣泛的應(yīng)用。但小型PIFA天線的帶寬較窄，不易實(shí)現(xiàn)同時(shí)覆蓋GSM800和GSM900，可以在地面開(kāi)槽形成縫隙天線，通過(guò)縫隙引入新的諧振來(lái)展寬工作帶寬。論文在前人研究的基礎(chǔ)上，利用HFSS12.0仿真了普通的PIFA天線和地面開(kāi)槽的PIFA縫隙天線，并將二者進(jìn)行了比較，證明了在地面開(kāi)槽能夠?qū)崿F(xiàn)增加PIFA帶寬的作用。關(guān)鍵詞平面倒F天線縫隙天線諧振頻率回波損耗AbstractThemainindexesofmobileantennadesignisminiaturization,multi-frequencyandbuilt-in.Plannerinverted-Fslotantennaconsistsofmetalgroundwithslots,radiatingpatch,shortcircuitpatchandfeedingline.PIFAslotantenna，whichhasthefeaturesofcompactsize,lowcost,easytofabricateandhasbeenappliedwidely.ThecompactPIFAhasanarrowbandatlowerfrequency,cannotcoverbothofGSM800andGSM900.Thebandwidthcanbewidenedbyintroducingslotsonthegroundplane,becausetheslotscanexciteadditionalresonances.Basedonexistedstudies,PIFAslotantennaandPIFAantennaehasbeensimulatedthroughelectromagneticsimulationsoftwareHFSS12.0，theresultsshowPIFAslotantennahaswiderbandwiththantraditionalPIFA.KeywordPlanarinvertedFantenna(PIFA)SlotantennaResonantfrequencyReturnloss

目錄5767前言 14637第一章緒論 2234781.1研究背景及意義 2254851.2本文內(nèi)容及安排 24376第2章PIFA和PIFA縫隙天線的理論分析 4135142.1常見(jiàn)的PIFA天線舉例 5207842.2PIFA天線原理 82208第三章平面倒F天線的仿真 949993.1建立新的工程模型 962843.2設(shè)置設(shè)置材料、源和邊界條件 13208003.3求解設(shè)置 15258653.5后處理計(jì)算 1628782第四章縫隙天線的仿真分析 21145114.1建立工程模型 2193554.2設(shè)置設(shè)置材料、源和邊界條件 27182504.3求解設(shè)置 28203604.4后處理計(jì)算 2815121結(jié)束語(yǔ) 3410908謝辭 3518614參考文獻(xiàn) 36word文檔可自由復(fù)制編輯前言手機(jī)天線是手機(jī)的重要組成部分，按照安置方式分，目前手機(jī)天線主要有內(nèi)置及外置天線兩種。天線的架設(shè)都是盡量遠(yuǎn)離地面和建筑物的，天線接近參考地的時(shí)候，大部分能量將集中在天線和參考地之間，而無(wú)法順利發(fā)射，所以天線發(fā)射，需要一個(gè)“盡量開(kāi)放”的空間。而手機(jī)電路板就是手機(jī)天線的參考地，讓天線遠(yuǎn)離手機(jī)其他電路，是提高手機(jī)天線發(fā)射效率的關(guān)鍵。但受到實(shí)際環(huán)境限制以及大家追求攜帶方便的要求，手機(jī)的設(shè)計(jì)就必須在電氣方面做出妥協(xié)。實(shí)際上，所有的GSM手機(jī)的接收發(fā)送電路的增益都是是可以根據(jù)環(huán)境變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)的，能通過(guò)合理的參數(shù)設(shè)定，會(huì)自動(dòng)補(bǔ)償有關(guān)的損失。所以，就手機(jī)整體而言，在信號(hào)比較好情況下，內(nèi)天線和外天線并不能看出差別。差別是有的，在信號(hào)很弱的情況，外天線尤其是長(zhǎng)天線的信號(hào)死點(diǎn)門(mén)限將高于內(nèi)天線，也就是理論上內(nèi)天線手機(jī)比較容易在弱信號(hào)環(huán)境丟失信號(hào)。按照設(shè)計(jì)方式分，主要有PIFA天線和單極天線兩種，PIFA天線是以其側(cè)面結(jié)構(gòu)與倒反的英文字母F外觀雷同而命名，天線由塑膠支架和金屬片（輻射體）組成。PIFA天線只需利用金屬導(dǎo)體配合適當(dāng)?shù)酿伻爰疤炀€短路片接地面的位置。單極天線是指豎直的具有四分之一波長(zhǎng)的天線，該天線安裝在一個(gè)接地平面上，它可以是實(shí)際地面，也可以是諸如搭載工具車體等人造接地面上。單極天線的饋電是在下端點(diǎn)使用同軸電纜進(jìn)行的，饋線的接地導(dǎo)體與平臺(tái)相連接。在自由空間中，四分之一波長(zhǎng)單極天線在垂直平面上的輻射方向圖于半波偶極天線在垂直平面中的方向圖形狀相似，但沒(méi)有地下輻射。在水平面上，垂直單極天線是全向性的。四分之一波長(zhǎng)單極天線根部的輸入阻抗為偶極天線阻抗的一半。輻射功率也為偶極天線的一半。本篇論文重點(diǎn)討論P(yáng)IFA天線的經(jīng)典設(shè)計(jì)和改進(jìn)型設(shè)計(jì)。 第一章緒論1.1研究背景及意義PIFA天線是目前應(yīng)用最為廣泛的手機(jī)內(nèi)置天線，尺寸小。具有重量輕、剖面低、造價(jià)便宜、機(jī)械強(qiáng)度好、頻帶寬、效率高、增益高、受周圍環(huán)境影響小、對(duì)人體輻射傷害小、覆蓋頻率越多等一系列優(yōu)點(diǎn)。PIFA縫隙天線是在前人研究基礎(chǔ)上做的一種改進(jìn)，這種天線在保留PIFA天線的優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，性能得到了進(jìn)一步的優(yōu)化。手機(jī)通信是無(wú)線移動(dòng)通信的一個(gè)重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)目前主要采用三種數(shù)字無(wú)線電話技術(shù)，TDMA、GSM和CDMA。具體到我們國(guó)家的主要移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商，中國(guó)移動(dòng)和中國(guó)聯(lián)通在2G通信中采用的具體實(shí)現(xiàn)方案均為GSM通信系統(tǒng)，這也是目前世界上應(yīng)用最為廣泛的移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。GSM使用的是時(shí)分多址的一種變體，GSM分GSM800、GSM900、DCS1800和PCS1900三個(gè)頻段，一般的所謂的雙頻手機(jī)就是在GSM900和DCS1800、PCS1900頻段切換的手機(jī)。GSM800的工作頻率是上行780~815MHz,下行825~860MHz、GSM900的工作頻率是上行880~915MHz,下行925~960MHz,GSM1800的工作頻率是上行710~1785MHZ，下行1805~1880MHZ。GSM1900的工作頻率是上行1850~1910MHz，下行1930~1990MHz。中國(guó)移動(dòng)在3G通信中采用的TDS-CDMA，1880-1920MHz（上行）、2010-2025MHz（下行）是其工作頻段。中國(guó)聯(lián)通在3G通信中采用的WCDMA,工作頻段為1940MHz-1955MHz(上行)、2130MHz-2145MHz(下行)。中國(guó)電信在采用CDMA2000制式,工作頻段為1920MHz-1935MHz(上行)、2110MHz-2125MHz(下行)。移動(dòng)通信手機(jī)對(duì)天線的要求是，外在要求：天線尺寸小、重量輕、剖面低、攜帶方便、機(jī)械強(qiáng)度好。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(duì)人體輻射傷害小。天線設(shè)計(jì)要求諧振頻率覆蓋在給定的頻率內(nèi)，覆蓋頻率越多越好。1.2本文內(nèi)容及安排天線問(wèn)題是具有復(fù)雜邊界的電磁場(chǎng)邊界問(wèn)題，難以得到嚴(yán)格解。針對(duì)具體的天線類型總要作近似處理，以得到滿足一定要求的近似解。盡管天線種類很多，性能和分析設(shè)計(jì)方法各異，但基本原理和設(shè)計(jì)方法是相通的。天線的分析設(shè)計(jì)工作采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件來(lái)完成，這些軟件的核心都是基于電磁場(chǎng)的數(shù)值算法，可以達(dá)到相當(dāng)高的分析精度。天線的分析設(shè)計(jì)中，有限元法、矩量法和時(shí)域有限差分法的應(yīng)用最為普遍。當(dāng)前流行的電磁仿真軟件主要為美國(guó)ansoft公司的HFSS（高頻電磁場(chǎng)仿真）和德國(guó)CST公司生產(chǎn)的microwavestudio（微波工作室）,本文采用ansoftHFSS12.0對(duì)PIFA天線和PIFA縫隙天線進(jìn)行了仿真。第一章為緒論，介紹了研究背景和意義及內(nèi)容安排,主要的無(wú)線通信模式及工作頻率，天線設(shè)計(jì)的主要工作就是諧振頻率覆蓋在指定的頻率內(nèi)，覆蓋頻率越多越好。介紹了PIFA天線和縫隙天線的理論分析。通過(guò)AnsoftHFSS12.0軟件仿真分析了一個(gè)地面尺寸為100mm×40mm，高度為6mm，貼片尺寸為40mm×15mm的PIFA天線，天線具有兩個(gè)臂，臂長(zhǎng)分別為40mm和28.5mm，從天線的回波損耗圖得到天線的諧振頻率分別為0.9GHz和1.8GHz。天線在0.9GHz的-6dB帶寬為120MHz，在1.8GHz的帶寬為80MHz。第四章在第三章的PIFA天線基礎(chǔ)上進(jìn)行了4個(gè)開(kāi)槽，每個(gè)槽的長(zhǎng)度和寬度分別為7.5mm×1mm、23.5mm×3mm、3mm×3mm和19mm×2mm，然后通過(guò)AnsoftHFSS12.0軟件進(jìn)行了仿真分析。從天線的回波損耗圖得到天線的諧振頻率分別為0.9GHz和1.8GHz。天線在0.9GHz的-6dB帶寬為120MHz，在1.8GHz的帶寬為130MHz。與第三章的諧振頻率和帶寬進(jìn)行比較，驗(yàn)證了平面倒F縫隙天線在高頻段的帶寬比PIFA天線的寬。第2章PIFA和PIFA縫隙天線的理論分析PIFA天線是目前應(yīng)用最為廣泛的手機(jī)內(nèi)置天線、尺寸小、具有重量輕、剖面低、造價(jià)便宜、機(jī)械強(qiáng)度好、頻帶寬、效率高、增益高、受周圍環(huán)境影響小、對(duì)人體輻射傷害小、覆蓋頻率越多的一系列優(yōu)點(diǎn)。PIFA縫隙天線是在傳統(tǒng)的PIFA天線地面上開(kāi)槽，這種天線在保留PIFA天線的優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，帶寬得到了進(jìn)一步的拓寬，發(fā)射效率也得到了提高。下面對(duì)這兩種天線進(jìn)行基本描述和原理分析。天線結(jié)構(gòu)輻射體面積550～600mm2，與PCB主板頂面的距離（高度）6～7mm。天線與主板有兩個(gè)饋電點(diǎn)，一個(gè)是天線模塊輸出，另一個(gè)是RF地。天線的位置在手機(jī)頂部。PIFA皮法天線如按要求設(shè)計(jì)環(huán)境結(jié)構(gòu)，電性能相當(dāng)優(yōu)越，包括SAR指標(biāo)，是內(nèi)置天線首選方案。適用于有一定厚度手機(jī)產(chǎn)品，折疊、滑蓋、旋蓋、直板機(jī)。

2.主板

天線投影區(qū)域內(nèi)有完整的鋪地，同時(shí)不要天線側(cè)安排元器件，特別是馬達(dá)、聽(tīng)筒、話筒、振蕩器、排線、等較大金屬結(jié)構(gòu)的元件和低頻驅(qū)動(dòng)器件。它們對(duì)天線的電性性能有很大的負(fù)面影響.

3.天線的饋源位置和間距

一般建議設(shè)計(jì)在左上方或右上方；間距在4～5mm之間。PIFA天線的兩種主要設(shè)計(jì)方式

（1）支架式

天線由塑膠支架和金屬片（輻射體）組成。金屬片與塑膠支架采用熱熔方式固定。塑膠常用ABS或PC材料，金屬常用鈹銅、磷銅、不銹鋼片。也可用FPC，但主板上要加兩個(gè)PIN，這兩項(xiàng)的成本稍高。圖2.1為一種支架式PIFA的結(jié)構(gòu)圖。

（2）貼附式

直接將金屬片（輻射體）貼附在手機(jī)背殼上。固定方式一般用熱熔結(jié)構(gòu)。也有用背膠方式的，由于結(jié)構(gòu)不很穩(wěn)定，很少采用。圖2.1PIFA天線2.1常見(jiàn)的PIFA天線舉例文獻(xiàn)[1]提出了如圖2.2的PIFA天線，這種天線可以覆蓋GSM900/1800MHz的雙頻，采用了兩個(gè)貼片分支。尺寸如圖所示，這種天線在低頻的帶寬24MHz，在高頻的帶寬為123MHz，計(jì)算曲線如圖2.3所示。圖2.2具有兩個(gè)貼片分支的PIFA天線圖2.3回波損耗圖文獻(xiàn)[1]提出了如圖2.4的PIFA天線，此類天線在貼片上沿邊緣進(jìn)行了開(kāi)槽，使其在低頻和高頻段帶寬都得到了展寬。尺寸如圖所示，這種天線在低頻的帶寬是77MHz，在高頻的帶寬為207MHz，這種雙頻天線的反射系數(shù)圖如圖2.5所示。圖2.4開(kāi)槽的PIFA天線圖2.5回波損耗圖文獻(xiàn)[1]還提出了如圖2.6的PIFA天線，這是一種使用折疊曲折貼片的雙頻PIFA天線，尺寸如圖2.5.所示，這種雙頻天線的反射系數(shù)圖如圖2.7所示。圖2.6曲折貼片PIFA天線圖2.7回波損耗圖2.2PIFA天線原理圖2.8（a）是一個(gè)工作于GSM900/1800MHz的雙頻PIFA天線，天線尺寸為30×15mm。NOKIA3100的手機(jī)天線實(shí)物圖(b)天線等效圖圖2.8PIFA天線的實(shí)物圖和原理圖PIFA天線等效圖如圖2.8（b）所示，由L2與C1構(gòu)成一個(gè)偏向電容性的諧振，之后與L1電感諧振，可以理解為饋點(diǎn)跟地看上去是短路的?；蛘哒f(shuō)，就是通過(guò)L1，L2，C1把傳輸線過(guò)來(lái)的能量升壓到C1上，之后利用C1這個(gè)場(chǎng)空間把電磁場(chǎng)能量釋放出去，所以對(duì)C1來(lái)說(shuō)，必需要求上面的銅皮跟地之間有一定的高度，一般不小于7mm，最少不低于5mm。為了提高天線頻帶，往往再引入C2，也就是圖2.7(a)上面的第2腳，也就是引入一個(gè)地，這樣讓電場(chǎng)有更廣泛的輻射。第三章平面倒F天線的仿真本章仿真了一尺寸為100mm×40mm的PIFA天線，天線具有兩個(gè)臂，臂長(zhǎng)分別為40mm和28.5mm，從天線的回波損耗圖得到天線的諧振頻率分別為0.9GHz和1.8GHz。天線在0.9GHz的-6dB帶寬為120MHz，在1.8GHz的帶寬為80MHz。表3.1給出天線仿真過(guò)程中的模型、尺寸、材料和邊界條件。表3.1天線仿真的模型和尺寸名稱模型頂點(diǎn)坐標(biāo)尺寸材料/邊界/源airbox長(zhǎng)方體(-65，-65，-125)170,230,256vacuumsubstrate長(zhǎng)方體(0,0,0)40,15,6ABSpatch矩形（0,0,6）（0,9,6）（0,11,6）（40,11,6）28.5,9,03,2,040,4,0-4,-7,0PECground矩形(0,0,0)40,100,0PECfeed矩形(0,6,0）0,2,6Lumpedportshort矩形（0,2,0）0,2,6PEC3.1建立新的工程模型1.運(yùn)行HFSS點(diǎn)擊菜單欄中的Project新建一個(gè)工程取名為PIFAWITHOUTSLOT，在Draw里選擇模型單位為mm點(diǎn)擊OK，點(diǎn)hfss>solutiontype,在對(duì)話框中選擇DrivenTerminal.點(diǎn)擊OK.（如圖3.2所示）圖3.2驅(qū)動(dòng)方式設(shè)置2.創(chuàng)建Groundplane。a．點(diǎn)擊Lines>Rectangle，創(chuàng)建矩形模型。b．在坐標(biāo)欄輸入起始點(diǎn)的坐標(biāo)：X：0，Y：0，Z：0點(diǎn)擊Enter。c．選擇xy平面，輸入尺寸大小為dx：40，dy：100，dz：0，起名為Groundplane，選擇顏色為紅色。（如圖3.3所示）圖3.3Groundplane模型3.建立介質(zhì)基片。a．在菜單欄中點(diǎn)擊按扭Box，創(chuàng)建長(zhǎng)方體模型。b．輸入X：0，Y:0，Z：0點(diǎn)擊Enter。c.輸入尺寸x：40，y：15，z：6，命名為Substrate，透明度設(shè)置為0.55選擇顏色為綠色。d.雙擊Substrate，在屬性對(duì)話框中編輯材料，點(diǎn)擊Edit，在出來(lái)的對(duì)話框中選擇addmaterial，命名為ABS，介電常數(shù)設(shè)置為2.6。（如圖3.4所示）圖3.4建立基片4.建立貼片a．點(diǎn)擊Lines>Rectangle，創(chuàng)建矩形模型。b．在坐標(biāo)欄輸入起始點(diǎn)的坐標(biāo)X：0，Y：0，Z：6點(diǎn)擊Enter。c．選擇xy平面，輸入dX：28.5，dY：9，dZ:0起名為patch1，選擇顏色為紅色。d．同樣選擇建立矩形貼片的步驟，分別為(1)a.點(diǎn)擊Rectangle圖標(biāo)，創(chuàng)建矩形模型。b．在坐標(biāo)欄輸入起始點(diǎn)的坐標(biāo)X：0，Y：9，Z：6點(diǎn)擊Enter。c．選擇xy平面，輸入dX：3，dY：2，dZ：0命名為patch2，選擇顏色為紅色。(2)a.點(diǎn)擊Rectangle圖標(biāo)，創(chuàng)建矩形模型。b．在坐標(biāo)欄輸入起始點(diǎn)的坐標(biāo)X：0，Y：11，Z：6點(diǎn)擊Enter。c．選擇xy平面，輸入dX：40，dY：4，dZ:0命名為patch3，選擇顏色為紅色。(3)a.點(diǎn)擊Rectangle圖標(biāo)，創(chuàng)建矩形模型。b．在坐標(biāo)欄輸入起始點(diǎn)的坐標(biāo)X：40，Y：11，Z：6點(diǎn)擊Enter。c．選擇xy平面，輸入dX：-4，dY：-7,dZ:0命名為patch4，選擇顏色為紅色。d.選中patch1，patch2，patch3，patch4，點(diǎn)擊Modeler>boolean>unite,將貼片集合在一起。（如圖3.5所示）圖3.5建立貼片5.建立短路片a．點(diǎn)擊Lines>Rectangle，創(chuàng)建矩形模型。b．在坐標(biāo)欄輸入起始點(diǎn)的坐標(biāo)X：0，Y：2，Z：點(diǎn)擊Enter。c．選擇yz平面，輸入dX：0，dY：2,dZ：6起名為short，選擇顏色為紅色。d.設(shè)置變量。雙擊short下的creatrectangler，將position欄改為0mm,$short_y,0mm，在彈出的對(duì)話框中設(shè)置單位mm，長(zhǎng)度設(shè)置為2mm。將YSize欄改為$short_ly,同樣在彈出的對(duì)話框中設(shè)置單位mm，長(zhǎng)度設(shè)置為2mm。點(diǎn)擊確定。e.選中patch，short,Modeler>boolean>unite，將貼片集合在一起。（如圖3.6所示）圖3.6建立短路片6.建立饋源feeding。這是發(fā)射設(shè)備向天線饋電的部分，可以是電流型的也可以是電壓型的，這里我們采用集總電壓源饋電。a．點(diǎn)擊Rectangle圖標(biāo)，創(chuàng)建矩形模型。b．在坐標(biāo)欄輸入起始點(diǎn)的坐標(biāo)X：0，Y：6，Z：0點(diǎn)擊Enter。c．選擇yz平面，輸入dx：0，dy：2，dz：6，起名為feeding，選擇顏色為紫色。d.設(shè)置變量。雙擊feedingt下的creatrectangler，將position欄改為0mm,$feedy,0mm，在彈出的對(duì)話框中設(shè)置單位mm，長(zhǎng)度設(shè)置為2mm。將YSize欄改為$feeddy，同樣在彈出的對(duì)話框中設(shè)置單位mm，長(zhǎng)度設(shè)置為2mm。點(diǎn)擊確定（如圖3.7所示）圖3.7建立饋源7.建立airbox。一般，HFSS要求輻射邊界條件放置在距輻射體十分之一波長(zhǎng)到四分之一波長(zhǎng)的地方，在主要的輻射方向上，必須在四分之一波長(zhǎng)以外。本文中微帶上下導(dǎo)體薄片各離輻射邊界四分之一波長(zhǎng)，左右離輻射邊界八分之一波長(zhǎng)，天線波長(zhǎng)大約為500mm，計(jì)算尺寸，進(jìn)行仿真。a．在菜單欄中點(diǎn)擊按扭Box，創(chuàng)建長(zhǎng)方體模型。b．輸入X：-65，Y：-65，Z：125點(diǎn)擊Enter。c．輸入尺寸x：170，y：230，z：256，命名為airbox，選擇顏色為黑色。d.整個(gè)微帶天線畫(huà)完，點(diǎn)擊保存，退出。（如圖3.8所示）圖3.8整體圖形3.2設(shè)置設(shè)置材料、源和邊界條件1.設(shè)置邊界條件選中unite，右擊選擇assignBoundary選項(xiàng)，設(shè)為perfectE邊界條件,命名為perfect1。選中g(shù)roundplane，右擊選擇assignBoundary選項(xiàng)，設(shè)為perfectE邊界條件,命名為perfect2。設(shè)置輻射邊界為airbox設(shè)置radiation條件，仍選擇Boundary選項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置。3.設(shè)置輻射右擊radition，選擇insertfarfieldfield>infinitesphere,在彈出的對(duì)話框中進(jìn)行如下設(shè)置。（如圖3.9所示）圖3.9設(shè)置輻射4.設(shè)置端口激勵(lì)（1）選中feeding，在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS>Excitation>Assign>LumpedPort。（2）出現(xiàn)的對(duì)話框中選中useconductorname，選中g(shù)round作為參考面，命名為port1。（如圖3.10所示）。圖3.10設(shè)置端口激勵(lì)5.保存工程將工程命名為PIFAWITHOUTSLOT，并選擇路徑保存。3.3求解設(shè)置1.為該問(wèn)題設(shè)置求解頻率以及掃描范圍。（1）設(shè)置求解頻率。a．在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS>AnalysisSetup>AddSolutionSetup。b．在求解設(shè)置窗口中做以下設(shè)置：SolutionFrequency：1.5GHzMaximumNumberofPasses：10MaximumDeltaSperPass：0.02點(diǎn)擊確認(rèn)。（2）設(shè)置掃描。a．在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS>AnalysisSetup>AddSweep。b．選擇Setup1,點(diǎn)擊OK確認(rèn)。c．在掃頻窗口中做以下設(shè)置：SweepType：FastFreqencySetupType：LinearCountStart：0.5GHzStop：2.5GHzCount：401d．將SaveField復(fù)選框選中，點(diǎn)擊OK確認(rèn)。運(yùn)行在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS>Analyze。3.5后處理計(jì)算1.反射系數(shù)圖a．在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS>Results>CreateModalSolutionDataReport>RectangularPlot。b．在彈出的對(duì)話框中設(shè)置trace標(biāo)簽：Category：SParameterQuantity：S(port,port)Function：dB點(diǎn)擊newreport然后點(diǎn)擊close按鈕。反射系數(shù)圖如圖3.11所示圖3.11反射系數(shù)圖2.阻抗系數(shù)圖a．在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS>Results>CreateModalSolutionDataReport>RectangularPlot。b．在彈出的對(duì)話框中設(shè)置trace標(biāo)簽：Category：ZParameterQuantity：Z（patch_T1，patch_T1）Function：按住ctrl，選擇im和rm，點(diǎn)擊newreport然后點(diǎn)擊close按鈕。阻抗系數(shù)圖（如圖3.12所示）圖3.12阻抗系數(shù)圖3.3D增益方向圖a．在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS>Results>CreateFarFieldsReport>3DPolarPlot．在彈出的對(duì)話框中做如下設(shè)置:b．在彈出的對(duì)話框中設(shè)置trace標(biāo)簽：Category：gainQuantity：DirTotalFunction：dB點(diǎn)擊newreport然后點(diǎn)擊close按鈕，如圖3.13所示圖3.133D增益方向圖4.ground上的電流振幅和矢量的分布圖（0.9GHz）A.選中g(shù)roundplane，右擊plotfields>J>mag_JsurfB.在彈出的對(duì)話框中選擇solution為sweep，頻率為0.9Ghz，點(diǎn)擊done。C.選中該groundplane，右擊plotfields>J>vector_Jsurf，在彈出的對(duì)話框中選擇solution為sweep，頻率為0.9Ghz，點(diǎn)擊done，如圖3.14所示圖3.140.9Ghz地上電流分布圖5.patch上的電流振幅和矢量的分布圖（0.9GHz）A.選中patch，右擊plotfields>J>mag_JsurfB.在彈出的對(duì)話框中選擇solution為sweep，頻率為0.9Ghz，點(diǎn)擊done。C.選中該patch，右擊plotfields>J>vector_Jsurf，在彈出的對(duì)話框中選擇solution為sweep，頻率為0.9Ghz，點(diǎn)擊done，如圖3.15所示圖3.150.9Ghz貼片上電流分布6.ground上的電流振幅和矢量的分布圖（1.8GHz）A.選中g(shù)roundplane，右擊plotfields>J>mag_JsurfB.在彈出的對(duì)話框中選擇solution為sweep，頻率為1.8Ghz，點(diǎn)擊done。C.選中該groundplane，右擊plotfields>J>vector_Jsurf，在彈出的對(duì)話框中選擇solution為sweep，頻率為1.8Ghz，點(diǎn)擊done，如圖3.16所示圖3.16ground上的電流振幅和矢量的分布圖（1.8GHz）7.patch上的電流振幅和矢量的分布圖（1.8GHz）A.選中patch，右擊plotfields>J>mag_JsurfB.在彈出的對(duì)話框中選擇solution為sweep，頻率為1.8Ghz，點(diǎn)擊done。C.選中該patch，右擊plotfields>J>vector_Jsurf，在彈出的對(duì)話框中選擇solution為sweep，頻率為1.8Ghz，點(diǎn)擊done，如圖3.17所示圖3.17patch上的電流振幅和矢量的分布圖（1.8GHz）8.諧振頻率0.9GHz下的方向圖a．在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS>Results>CreateFarFieldsReport>RaditionPlot．在彈出的對(duì)話框中做如下設(shè)置:b．在彈出的對(duì)話框中設(shè)置trace標(biāo)簽：Category：DirectivityQuantity：DirTotalFunction：dB頻率選擇0.9GHz，點(diǎn)擊newreport然后點(diǎn)擊close按鈕，如圖3.18所示圖3.180.9Ghz方向圖9.諧振頻率1.8GHz下的方向圖a．在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS>Results>CreateFarFieldsReport>RaditionPlot．在彈出的對(duì)話框中做如下設(shè)置：b．在彈出的對(duì)話框中設(shè)置trace標(biāo)簽：Category：DirectivityQuantity：DirTotalFunction：dB頻率選擇1.8GHz，點(diǎn)擊newreport然后點(diǎn)擊close按鈕，如圖3.19所示圖3.191.8Ghz方向圖第四章PIFA縫隙天線的仿真分析本章在第三章的PIFA天線基礎(chǔ)上進(jìn)行了4個(gè)開(kāi)槽，每個(gè)槽的長(zhǎng)度和寬度分別為7.5mm×1mm、23.5mm×3mm、3mm×3mm和19mm×2mm，然后通過(guò)AnsoftHFSS12.0軟件進(jìn)行了仿真分析。從天線的回波損耗圖得到天線的諧振頻率分別為0.9GHz和1.8GHz。天線在0.9GHz的-6dB帶寬為120MHz，在1.8GHz的帶寬為130MHz。表4.1給出天線仿真過(guò)程中的模型、尺寸、材料和邊界條件。表4.1天線仿真的模型和尺寸名稱模型頂點(diǎn)坐標(biāo)尺寸材料/邊界/源airbox長(zhǎng)方體(-65，-65，-125)170,230,256vacumsubstrate長(zhǎng)方體(0,0,0)40,15,6ABSpatch矩形（0,0,6）（0,9,6）（0,11,6）（40,11,6）28.5,9,03,2,040,4,0-4,-7,0PECground矩形(0,0,0)40,100,0PECfeed矩形(0,6,0）0,2,6Lumpedportshort矩形（0,2,0）0,2,6PECcut矩形（0,5,0）(0,13,0)(23.5,0,0)(15,3,,0)1,7.5,023.5,3,03,3,019,2,0vacum4.1建立工程模型1.建立新的工程運(yùn)行HFSS，點(diǎn)擊菜單欄中的Project新建一個(gè)工程取名為PIFAWITHOUTSLOT，在Draw里選擇模型單位為mm點(diǎn)擊OK，點(diǎn)hfss>solutiontype，在對(duì)話框中選擇DrivenTerminal。點(diǎn)擊OK.（如圖4.2所示）圖4.2驅(qū)動(dòng)方式設(shè)置2.創(chuàng)建Groundplane。a．點(diǎn)擊Lines>Rectangle，創(chuàng)建矩形模型。b．在坐標(biāo)欄輸入起始點(diǎn)的坐標(biāo)：X：0，Y：0，Z：0點(diǎn)擊Enter。c．選擇xy平面，輸入尺寸大小為dx：40，dy：100，dz:0，起名為Groundplane，選擇顏色為紅色。（如圖4.3所示）圖4.3Groundplane模型3.建立縫隙在groundplane上創(chuàng)建縫隙。a．點(diǎn)擊Lines>Rectangle，創(chuàng)建矩形模型。b．在坐標(biāo)欄輸入起始點(diǎn)的坐標(biāo)X：0，Y：5，Z：0點(diǎn)擊Enter。c．選擇xy平面，輸入dX：1，dY：7.5,dZ：0，起名為cut1，選擇顏色為綠色。d．由于groundlane還有其他縫隙，同樣選擇建立矩形貼片cut1的步驟，分別為(1)a.點(diǎn)擊Rectangle圖標(biāo)，創(chuàng)建矩形模型。b．在坐標(biāo)欄輸入起始點(diǎn)的坐標(biāo)X：0，Y：13，Z：0點(diǎn)擊Enter。c．選擇xy平面，輸入dX：23.5，dY：3,dZ：0，起名為cut2，選擇顏色為綠色。(2)a.點(diǎn)擊Rectangle圖標(biāo)，創(chuàng)建矩形模型。b．在坐標(biāo)欄輸入起始點(diǎn)的坐標(biāo)X：23.5，Y：0，Z：0點(diǎn)擊Enter。c．選擇xy平面，輸入dX：3，dY：3，dZ：0，起名為cut3，選擇顏色為綠色。(3)a.點(diǎn)擊Rectangle圖標(biāo)，創(chuàng)建矩形模型。b．在坐標(biāo)欄輸入起始點(diǎn)的坐標(biāo)X：15，Y：3，Z：0點(diǎn)擊Enter。c．選擇xy平面，輸入dX：19，dY：2，dZ：0，起名為cut4，選擇顏色為綠色。（如圖4.4所示）圖4.4建立縫隙e..剪切選中g(shù)roundplane，cut1，cut2，cut3，cut4點(diǎn)擊>modeler>boolean>subtract,把cut1，cut2，cut3，cut4放入Toolparts，groundplane放入blankparts.（如圖4.5所示）圖4.5剪切執(zhí)行后的圖像（如圖4.6所示）圖4.6地面4.建立介質(zhì)基片。a．在菜單欄中點(diǎn)擊按扭Box，創(chuàng)建長(zhǎng)方體模型。b．輸入X：0，Y:-0，Z：0點(diǎn)擊Enter。c．輸入尺寸x：40，y：15，z：6，命名為Substrate,透明度設(shè)置為0.55，選擇顏色為藍(lán)色。d.雙擊Substrate，在屬性對(duì)話框中編輯材料，點(diǎn)擊edit，在出來(lái)的對(duì)話框中選擇addmaterial，命名為ABS,介電常數(shù)設(shè)置為2.6。（如圖4.7所示）圖4.7建立介質(zhì)基片5.建立貼片a．點(diǎn)擊Lines>Rectangle，創(chuàng)建矩形模型。b．在坐標(biāo)欄輸入起始點(diǎn)的坐標(biāo)X：0，Y：0，Z：6點(diǎn)擊Enter。c．選擇xy平面，輸入dX：28.5，dY：9，dZ：0，起名為patch1，選擇顏色為紅色。d．同樣選擇建立矩形貼片的步驟，分別為(1)a.點(diǎn)擊Rectangle圖標(biāo)，創(chuàng)建矩形模型。b．在坐標(biāo)欄輸入起始點(diǎn)的坐標(biāo)X：0，Y：9，Z：6點(diǎn)擊Enter。c．選擇xy平面，輸入dX：3，dY：2，dZ：0，起名為patch2，選擇顏色為紅色。(2)a.點(diǎn)擊Rectangle圖標(biāo)，創(chuàng)建矩形模型。b．在坐標(biāo)欄輸入起始點(diǎn)的坐標(biāo)X：0，Y：11，Z：6點(diǎn)擊Enter。c．選擇xy平面，輸入dX：40，dY：4，dZ：0，起名為patch3，選擇顏色為紅色。(3)a.點(diǎn)擊Rectangle圖標(biāo)，創(chuàng)建矩形模型。b．在坐標(biāo)欄輸入起始點(diǎn)的坐標(biāo)X：40，Y：11，Z：6點(diǎn)擊Enter。c．選擇xy平面，輸入dX：-4，dY：-7，dZ:0起名為patch4，選擇顏色為紅色。d.選中patch1，patch2，patch3，patch4，點(diǎn)擊Modeler>boolean>unite,將貼片集合在一起。（如圖4.8所示）圖4.8建立貼片6.建立短路片a．點(diǎn)擊Lines>Rectangle，創(chuàng)建矩形模型。b．在坐標(biāo)欄輸入起始點(diǎn)的坐標(biāo)X：0，Y：2，Z：點(diǎn)擊Enter。c．選擇yz平面，輸入dX：0，dY：2，dZ：6起名為short，選擇顏色為紅色。d.設(shè)置變量。雙擊short下的creatrectangler，將position欄改為0mm,$short_y,0mm，在彈出的對(duì)話框中設(shè)置單位mm，長(zhǎng)度設(shè)置為2mm。將YSize欄改為$short_ly，同樣在彈出的對(duì)話框中設(shè)置單位mm，長(zhǎng)度設(shè)置為2mm。點(diǎn)擊確定。（如圖4.9所示）圖4.9建立短路片7.建立饋源feeding。這是發(fā)射設(shè)備向天線饋電的部分，可以是電流型的也可以是電壓型的，這里我們采用集總電壓源饋電。a．點(diǎn)擊Lines>Rectangle，創(chuàng)建矩形模型。b．在坐標(biāo)欄輸入起始點(diǎn)的坐標(biāo)X：0，Y：6，Z：0點(diǎn)擊Enter。c．選擇yz平面，輸入dx：0，dy：2，dz：6，起名為feeding，選擇顏色為紫色。（如圖4.10所示）圖4.10建立饋源8.建立airbox。一般，HFSS要求輻射邊界條件放置在距輻射體十分之一波長(zhǎng)到四分之一波長(zhǎng)的地方，在主要的輻射方向上，必須在四分之一波長(zhǎng)以外。本文中微帶上下導(dǎo)體薄片各離輻射邊界四分之一波長(zhǎng)，左右離輻射邊界八分之一波長(zhǎng)，天線波長(zhǎng)大約為500mm，計(jì)算尺寸，進(jìn)行仿真。a．在菜單欄中點(diǎn)擊按扭Box，創(chuàng)建長(zhǎng)方體模型。b．輸入x：-65，y：-65，z：-125點(diǎn)擊Enter。c．輸入尺寸x：170，y：230，z：256，命名為airbox，選擇顏色為黑色。整個(gè)微帶天線畫(huà)完，點(diǎn)擊保存，退出。（如圖4.11所示）圖4.11建立airbox4.2設(shè)置設(shè)置材料、源和邊界條件1.設(shè)置邊界條件點(diǎn)edit->select->byname，選中Groundplane的面，右擊選擇assignBoundary選項(xiàng)，設(shè)為perfectE邊界條件。2.設(shè)置輻射邊界為airbox設(shè)置radiation條件，仍選擇Boundary選項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置。3.設(shè)置輻射右擊radition，選擇insertfarfieldfield>infinitesphere,在彈出的對(duì)話框中進(jìn)行如下設(shè)置。（如圖4.12所示）圖4.12設(shè)置輻射4.設(shè)置端口激勵(lì)（1）選中feeding，在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS>Excitation>Assign>LumpedPort。（2）在LumpedPort窗口的General標(biāo)簽中，將該端口命名為port1,點(diǎn)擊Next。（3）在Modes標(biāo)簽中的IntegrationLine中點(diǎn)擊None，選擇NewLine，放大圖像，點(diǎn)擊中心點(diǎn)尋找按鈕，將起點(diǎn)設(shè)為feeding在y軸上的中點(diǎn)，終點(diǎn)設(shè)為對(duì)應(yīng)平行變得終點(diǎn)，完成。5.保存設(shè)置將工程命名為SLOTWITHOUTPIFA，并選擇路徑保存。4.3求解設(shè)置1.為該問(wèn)題設(shè)置求解頻率以及掃描范圍。（1）設(shè)置求解頻率。a．在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS>AnalysisSetup>AddSolutionSetup。b．在求解設(shè)置窗口中做以下設(shè)置：SolutionFrequency：1.5GHzMaximumNumberofPasses：10MaximumDeltaSperPass：0.02點(diǎn)擊確認(rèn)。（2）設(shè)置掃描。a．在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS>AnalysisSetup>AddSweep。b．選擇Setup1，點(diǎn)擊OK確認(rèn)。c．在掃頻窗口中做以下設(shè)置：SweepType：FastFreqencySetupType：LinearCountStart：0.5GHzStop：2.5GHzCount：401d．將SaveField復(fù)選框選中，點(diǎn)擊OK確認(rèn)。2.運(yùn)行在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS>Analyze。4.4后處理計(jì)算1.反射系數(shù)圖a．在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS>Results>CreateModalSolutionDataReport>RectangularPlot。b．在彈出的對(duì)話框中做如下設(shè)置:ReportType：FarFieldsDisplayType：3DPolarPlot點(diǎn)擊OK確認(rèn)。c．在彈出的對(duì)話框中設(shè)置trace標(biāo)簽：Category：SParameterQuantity：S(port,port)Function：dB點(diǎn)擊newreport然后點(diǎn)擊close按鈕。反射系數(shù)如圖4.13所示圖4.13反射系數(shù)圖2.阻抗系數(shù)圖a．在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS>Results>CreateModalSolutionDataReport>RectangularPlot。b．在彈出的對(duì)話框中設(shè)置trace標(biāo)簽：Category：ZParameterQuantity：Z（patch_T1，patch_T1）Function：按住ctrl，選擇im和rm，點(diǎn)擊newreport然后點(diǎn)擊close按鈕。阻抗系數(shù)圖（如圖4.14所示）圖4.14阻抗系數(shù)圖3.3D增益方向圖a．在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS>Results>CreateFarFieldsReport>3DPolarPlot．在彈出的對(duì)話框中做如下設(shè)置:b．在彈出的對(duì)話框中設(shè)置trace標(biāo)簽：Category：DirectivityQuantity：DirTotalFunction：dB點(diǎn)擊newreport然后點(diǎn)擊close按鈕。（如圖4.15所示）圖4.153D增益方向圖4.ground上的電流振幅和矢量的分布圖（0.9GHz）a.選中g(shù)roundplane，右擊plotfields>J>mag_Jsurfb.在彈出的對(duì)話框中選擇solution為sweep，頻率為0.9Ghz，點(diǎn)擊done。c.選中該groundplane，右擊plotfields>J>vector_Jsurf，在彈出的對(duì)話框中選擇solution為sweep，頻率為0.9Ghz，點(diǎn)擊done。（如圖4.16所示）圖4.16.ground上的電流振幅和矢量的分布圖（0.9GHz）5.patch上的電流振幅和矢量的分布圖（0.9GHz）a.選中patch，右擊plotfields>J>mag_Jsurfb.在彈出的對(duì)話框中選擇solution為sweep，頻率為0.9Ghz，點(diǎn)擊done。c.選中該patch，右擊plotfields>J>vector_Jsurf，在彈出的對(duì)話框中選擇solution為sweep，頻率為0.9Ghz，點(diǎn)擊done。（如圖4.17所示）圖4.17patch上的電流振幅和矢量的分布圖（0.9GHz）6.ground上的電流振幅和矢量的分布圖（1.8GHz）a.選中g(shù)roundplane，右擊plotfields>J>mag_Jsurfb.在彈出的對(duì)話框中選擇solution為sweep，頻率為1.8Ghz，點(diǎn)擊done。c.選中該groundplane，右擊plotfields>J>vector_Jsurf，在彈出的對(duì)話框中選擇solution為sweep，頻率為1.8Ghz，點(diǎn)擊done。（如圖4.18所示）圖4.18ground上的電流振幅和矢量的分布圖（1.8GHz）7.patch上的電流振幅和矢量的分布圖（1.8GHz）a.選中patch，右擊plotfields>J>mag_Jsurfb.在彈出的對(duì)話框中選擇solution為sweep，頻率為1.8Ghz，點(diǎn)擊done。c.選中該patch，右擊plotfields>J>vector_Jsurf，在彈出的對(duì)話框中選擇solution為sweep，頻率為1.8Ghz，點(diǎn)擊done。（如圖4.19所示）圖4.19patch上的電流振幅和矢量的分布圖（1.8GHz）8.諧振頻率下的方向圖（0.9GHz）a．在菜單欄中點(diǎn)擊HFS