三频内置手机天线的设计及仿真

学号： 常 州 大 学 毕业设计（论文）（2012届）题 目 学 生 学 院 专业班级 校内指导教师 专业技术职务 校外指导老师 专业技术职务 二一二年六月三频内置 天线的设计及仿真摘要：内置天线是现代 普遍的选择，能使 的外形设计更加轻薄化，多样化。也可以通过合理安排内置天线的位置，来抵消辐射对人体的影响。所以小型化、多频段、智能化、多极化是移动通信未来发展的必然的趋势。而微带天线所特有的体积小、重量轻、低剖面、可共形的特点，使得它成为了 内置天线最佳的选择。因此，学习研究微带天线的原理特性，对 内置天线进行设计，对其性能进行仿真和分析的研究势在必行。本文介绍了一种新型PIFA三频 天线，天线采取中心单馈点同轴馈电，在辐射片开两个U型槽的方法，用软件HFSS对天线进行设计和仿真，在GMS900MHz，DCS1800MHz和ISM2450MHz三个频段的增益分别达到了和dBi，相对带宽分别达到了7.8%，0.95%和%。该天线可满足多频 天线的要求，在三个频段上都能够正常工作，达到了新型无线通信天线系统对频段、带宽和增益的要求。关键词：平面倒F天线（PIFA）;三频天线GSM900MHz/DCS1800MHz/ISM2450MHz; U型槽 Design and simulation of inner couplers handset antenna in Triple-frequencyAbstract：Internal antenna is a popular choice for modern handset. It can make The appearance of the handset more light and thin making and more diversity . Also It can make the reasonable arrangements for the location of internal antenna, to counteract the impact of radiation on the human body. Therefore, the miniaturization, multi-band, intelligentization, and multi-polarization are the inevitable trend of the future development of mobile communications. And the microstrip antenna with the unique characteristics such as small size, light weight, low profile, conformal deformation, has been the best choice of the internal antenna in handset. Therefore, the study of the principle characteristics of microstrip antenna, is imperative for the internal antenna design of phone, and the research of its performance simulation and analysis.This paper presents a new PIFA tri-band mobile phone antenna, the antenna takes the center single feed as coaxial feed, makes two U-shaped slots in the radiation-chip, and makes the antenna design and simulation by using HFSS software. three frequency band gain respectively reached 0.32 dBi, 0.11 and 0.613 dBi dBi, relative bandwidth achieved respectively 7.8%, 0.95% and 3.9% in GMS900MHz, DCS1800MHz and ISM2450MHz. It shows that the antenna can meet the antenna requirements of multi-band mobile phone, and can work normally in three bands, to reach the requirements of the new wireless communication antenna system for the band, bandwidth and gain.Key words： PIFA; GSM900MHz/DCS1800MHz/ISM2450MHz;U-shaped slot目录摘要I目录III前 言IV1 绪论11.1 研究的背景及目的11.2 天线的性能参数21.2.1 辐射强度21.2.2 方向性系数31.2.3 效率31.2.4 增益3 输入阻抗31.2.6 天线的带宽41.2.7 边界条件41.2.8 激励方式51.2.9 Optimetrics优化设计52 天线的设计流程62.1 天线的设计思路62.2 设计流程72.3 设计过程中的部分问题83 PIFA天线建模93.1 PIFA天线的基本结构和由来93.2 天线的基本数据93.3 建立模型的前期准备11 PIFA天线设计建模144 PIFA天线的仿真和分析314.1 设计检查314.2 运行仿真运算314.3 数据分析314.4 天线结构参数对天线性能的影响分析32天线的输入阻抗374.6 查看天线的方向图384.7 辐射金属片表面电流的分布425 结论43参 考 文 献44致 谢45前 言自赫兹和马可尼发明出天线以来，天线在人类社会的生活中发挥着越来越重要的作用。天线是发射和接受电磁波的重要无线电设备1，是无线通信系统中非常重要的一环，天线的性能将直接影响到通信系统的性能。 、射频识别（RFID）、WLAN无线网卡、GPS导航和蓝牙等产品和技术都是要使用天线来发射和接受信号的。HFSS是美国Ansoft 公司新开发的一款基于电磁场有限元法的全波三维电磁仿真软件，可以为天线系统的设计提供全面的解决方案，能够精确仿真计算出天线的各种性能，包括天线增益、轴比、内部电磁场分布、半功率波瓣宽度、电压驻波比、天线阻抗，二维和三维远场/近场辐射方向图以及S参数等，是业界公认的三维电磁场设计和分析的工业标准。本论文重点是利用HFSS进行设计和仿真，并加以优化数据，提高性能。以满足现代通信系统三频同时工作的要求。1 绪论 研究的背景及目的从1897年M.G.马可尼完成了第一次无线电通讯到现在，移动通讯已经经历了包括模拟移动通信系统、蜂窝网和数字移动通信系统等几大发展阶段。第一阶段是从本世纪20年代至40年代，为天线早期发展阶段。首先在短波几个频段上开发出专用移动通信系统，其代表是美国底特律市警察使用的车载无线电系统。该系统工作频率为2MHz，到40年代提高到3040MHz可以认为这个阶段是现代移动通信的起步阶段，特点是工作频率较低。第二阶段从40年代中期至60年代初期。在此期间内，公用移动通信业务开始问世。1946年，根据美国联邦通信委员会(FCC)的计划，贝尔系统在圣路易斯城建立了世界上第一个公用汽车 网，称为“城市系统”。当时使用三个频道，间隔为120kHz，通信方式为单工，随后，西德(1950年)、法国(1956年)、英国(1959年)等国相继研制了公用移动 系统。美国贝尔实验室完成了人工交换系统的接续问题。这一阶段的特点是从专用移动网向公用移动网过渡，接续方式为人工，网的容量较小。第三阶段从60年代中期至70年代中期。在此期间，美国推出了改进型移动 系统(1MTS)，使用150MHz和450MHz频段，采用大区制、中小容量，实现了无线频道自动选择并能够自动接续到公用 网。德国也推出了具有相同技术水平的B网。可以说，这一阶段是移动通信系统改进与完善的阶段，其特点是采用大区制、中小容量，使用450MHz频段，实现了自动选频与自动接续。第四阶段从70年代中期至80年代中期。这是移动通信蓬勃发展时期。1978年底，美国贝尔试验室研制成功先进移动 系统(AMPS)，建成了蜂窝状移动通信网，大大提高了系统容量。1983年，首次在芝加哥投入商用。同年12月，在华盛顿也开始启用。日本于1979年推出800MHz汽车 系统(HAMTS)。西德于1984年完成C网，频段为450MHz。英国在1985年开发出全地址通信系统(TACS)，首先在伦敦投入使用，以后覆盖了全国，频段为900MHz。法国开发出450系统。加拿大推出450MHz移动 系统MTS。瑞典等北欧四国于1980年开发出NMT450移动通信网，并投入使用，频段为450MHz。这一阶段的特点是蜂窝状移动通信网成为实用系统，并在世界各地迅速发展。蜂窝网，即所谓小区制，由于实现了频率再用，大大提高了系统容量。可以说，蜂窝概念真正解决了公用移动通信系统要求容量大与频率资源有限的矛盾。第五阶段从80年代中期开始。这是数字移动通信系统发展和成熟时期。以AMPS和TACS为代表的第一代蜂窝移动通信网是模拟系统。模拟蜂窝网虽然取得了很大成功，但也暴露了一些问题。频谱利用率低，移动设备复杂，费用较贵，业务种类受限制以及通话易被窃听等，最主要的问题是其容量已不能满足日益增长的移动用户需求。解决这些问题的方法是开发新一代数字蜂窝移动通信系统。数字无线传输的频谱利用率高，可大大提高系统容量。另外，数字网能提供语音、数据多种业务服务，并与ISDN等兼容。我国自九十年代开始移动通信业一直保持高速发展。目前市场上占主导地位的主要是第二代GSM系统和第三代CDMA系统。在信息化高速发展的时代，用户对移动终端通信工具的性能，操作，外观也有了更高的要求2，而不仅仅满足于简单的无线对话。 天线是发射和接受电磁波的重要射频前端器件，根据天线的所处位置可分为内置天线和外置天线两大类。早期由于受制造工艺的影响只能采取外置天线，这种天线具有如下优点3：(1)频带范围宽，接受信号比较稳定。(2)制造简单、费用相对较低。同时也具有如下缺点：(1)天线暴露于机体外，易于损坏。(2)天线靠近人体时，由于人体电磁场的干扰导致性能变坏。(3)人体特定吸收比（SRS）偏高，且不易添加诸如反射层和保护层等来减小天线对人体的辐射伤害。(4)接收和发射必须使用不同的匹配电路。(5)集成度低，增益低。与此相比，内置天线就有一些非常诱人的优点：(1)可以做的非常小，不易损坏。(2)低（SRS），将其安放在 中远离人脑的一面，无需匹配电路或平衡转换器。(3)不存在天线与射频电路之间的物理限制。(4)对水平和垂直极化波都很敏感。(5)发送和接受频带之间可以实现很大的隔离度。(6)平均有效增益（MPEG）较高。(7)可以安装多个，很方便组阵，从而实现 天线的智能化。在内置天线模型中线性倒F天线是一种小尺寸天线，为了增大辐射电阻提高辐射效率一般是采用顶部加载技术把线形振子水平部分用平面代替形成了平面倒F型天线，即PIFA4。参考文献5通过在贴片上开了个L形隙缝从而实现了双频工作，在WCDMA和ISM频段的相对带宽分别达到了14.1%，4.92%,而且增益达到了和。 天线的性能参数要进入天线设计领域，首先必须了解一些表征天线的基本性能参数，如辐射强度、增益、方向性系数、效率、输入阻抗和方向图等6。 辐射强度每单位立体角内由天线辐射出的功率被称为辐射强度U，单位为W/Sr( 瓦/立方弧度)。辐射强度可以由下式定义： （1-1） 方向性系数天线的方向性系数D是指在远区场的某一球面上天线的辐射强度与平均辐射强度之比，即： （1-2）平均辐射强度U0实际上是辐射功率除以球面积，即： （1-3）通常所说的方向性系数指的都是在最大辐射方向上的方向性系数，即： （1-4） 效率因为天线系统中存在导体损耗、介质损耗等，所以实际辐射到空间内电磁波的功率要比发射机输送到天线的功率小。天线的效率就是表征天线将输入高频能量转换成无线电波能量的有效程度，定义为天线辐射功率和输入功率的比值。假设分别用和来表示天线的输入功率和辐射功率，则天线效率为： （1-5） 增益天线增益是指表征将输入给它的功率按照特定方向辐射的能力，定义为在相同的输入功率、相同的距离条件下，天线在最大辐射方向上的功率密度跟无方向性的天线在该方向上的辐射功率密度比值7。天线增益G可以由下面公式计算出： （1-6）对比公式（1-5）和公式（1-6），可以得到： （1-7） 输入阻抗天线主要都是通过馈线与发射机相连，天线和馈线的连接处被称为天线的输入端，天线的输入端呈现的阻抗值被定义为天线的输入阻抗。天线作为发射机负载，它把从发射机上得到的功率辐射到空间中。这就有个天线和馈线阻抗匹配的小问题，阻抗匹配的程度会影响到功率传输的效率。在射频微波频段，馈线通常是使用50标准阻抗。所以在设计天线的时候，需要把天线的输入阻抗设计在50，这样在工作频带内才能保证驻波比尽可能小。天线的输入阻抗与天线结构、工作频率和周围的环境有关，仅在极少数情况下才可能用理论计算出。工程中一般是采用近似计算或者实验方法来测量。 天线的带宽不同的天线都有其对应的中心工作频率，当偏离中心工作频率时，天线的电性能将会下降。而电性能下降到容许值的频率范围，就称为天线的带宽。相对带宽： 频率作为一种资源是有限的，于是划分出若干个信道，所以信道的带宽必须限制，带宽太窄传递的信息有限，但是太宽又浪费了频率资源。信道与信道之间必须有一定频率的范围间隔，所以就有了相对带宽。它只能是百分之几，如果超过了，就会影响相邻信道的信息传输。也就是说一个信道从低频到高频只有中间一小段是可用的。 根据美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission FCC）的规定相对带宽定义为信号带宽与中心频率之比，使用公式表示为 （1-8）其中 和 分别表示上限频率和下限频率窄带（Narrow Band）的相对带宽小于 1%，宽带（Broad Band）的相对带宽在 1%到25%，超宽带（Ultra-Wideband即UWB）的相对带宽大于25%。 边界条件边界条件是用于确定场，只有正确地设置边界条件才能让HFSS仿真计算出准确的结果。而且灵活使用边界条件还能够很好地降低模型复杂度。HFSS软件中定义了多种边界条件类型，分别是理想磁边界条件（Perfect H）、有限导体边界条件（Finite Conductivity）、理想导体边界条件（Perfet E）、辐射边界条件（Radiation）、阻抗边界条件（Impedance）、对称边界条件（Symmetry）、主从边界条件（Master and Slave）、集总RLC边界条件（Lumped RLC）、无限地平面（Infinite Ground Plane）、分层阻抗边界条件（Layered Impedance）和理想匹配层（PML）。天线设计中，最常用的边界条件主要是有限导体边界条件（Finite Conductivity）、理想导体边界条件（Perfect E）、理想匹配层（PML）和辐射边界条件（Radiation）。a. 理想导体边界条件在HFSS软件中，任何跟背景相关联的物体表面和材质是理想电导体（Pec）的物体表面都会被默认设置成理想导体边界。这种边界条件的电场矢量（E-Field）是垂直于物体表面的。b. 有限导体边界条件为了降低模型的复杂度，经常通过给物体表面分配理想导体边界条件的方式来实现理想导体壁。但是实际天线结构的导体部分通常都是使用良导体，如金属铜。使用有限导体边界，可以实现把一个平面的边界条件设置为金属铝、金属铜等良导体。c. 辐射边界条件辐射边界条件也称为吸收边界条件（Absorbing Boundary Conditoin，ABC），用于模拟开放的自由空间。系统在辐射边界处吸收了电磁波，本质上可以把边界看成是延伸到空间无限远处。天线是一个辐射结构，理论上其边界应该在无穷远处。而在有限元求解中，把边界条件设置在无穷远处会严重影响求解效率，这样不切合实际。为了兼顾准确度和求解效率，HFSS引入了辐射边界条件或者理想匹配层，软件会自动分析计算天线的远区场。 激励方式在HFSS中，激励是一种定义在三维物体表面或者二维平面物体上的激励源，这种激励源可以是电磁场、电压源、电流源或者电荷源。HFSS中定义了多种激励方式，主要有波端口激励（Wave Port）、集总端口激励（Lumped Port）、Floquet端口激励（Floquet Port）、入射波激励（Incident Wave）、电压源激励（Voltage Source）、电流源激励（Current Source）和磁偏置激励（Magnetic Bias）。天线必须通过传输线或者波导传输型号，天线与传输线或者波导的连接处可以看做是端口平面。天线设计中，端口平面的激励方式多设置为波端口激励或是集总端口激励。其中如果端口平面与背景相接触，激励方式需要设置为波端口激励；如果端口平面在模型内部，激励方式则需要设置为集总端口激励,所以本模型选择了波端口激励。 Optimetrics优化设计Optimetrics是集成在HFSS中的设计优化模块，该模块通过自动分析设计参数的变化对求解结果的影响，实现参数扫描分析（Parametric）、优化设计（Optimization）、调谐分析（Tuning）、灵敏度分析（Sensitivity）和统计分析（Statistical）等功能。通过参数扫描分析来分析天线的各项性能随着指定变量的变化而变化的关系，估计出将要被优化的变量的合理变化区间，然后进行优化分析。优化设计是HFSS根据特定的优化算法在所有可能的设计变化中寻找出一个满足设计要求的值。2 天线的设计流程2.1 天线的设计思路a) 设置求解类型，在天线设计中需要先选择模式求解类型。b) 创建天线的结构模型。根据天线的初始尺寸和结构，在HFSS模型窗口中创建出天线的参数化设计模型。c) 设置边界条件。在HFSS中，导体结构一般会设定为理想导体边界条件（PerfectE）或者有限导体边界条件。所以在使用HFSS设计天线时，还必须对辐射体的外侧正确设置辐射边界条件，这样HFSS才能够计算天线的远区场。d) 设置激励方式。天线必须通过波导或者传输线来传输信号，天线与波导、传输线的连接处称为馈电面或激励端口。天线设计中馈电面的激励方式主要有两种，分别是集总端口激励（Lumped Port）和波端口激励（Wave Port）。e) 设置求解参数，其中包括设定求解频率和扫频参数。求解频率通常设定成天线的中心工作频率。f) 运行求解分析。创建好天线模型，正确设置了边界条件、激励方式和求解参数，即可执行求解分析操作命令来运行仿真计算。分析完成后，如果结果不收敛，则需要重新设置求解参数；如果结果收敛，则说明计算结果达到了设定的精度要求于是分析停止。g) 查看求解结果。当求解分析完成后，在数据后处理部分可以查看之前HFSS分析出的天线各项性能参数，如回波损耗S11、输入阻抗、天线方向图和电流分布等。如果仿真出来的天线性能结果未能达到设计要求，那么就需要使用HFSS的参数扫描分析功能或者优化设计功能来进行参数扫描分析和优化设计8。h) Optimetrics优化设计。当前面的结果不能达到设计要求时，那么就需要使用Optimetrics模块的参数扫描分析功能和优化设计功能来优化天线的结构尺寸，以找到满足设计要求的天线。2.2 设计流程图2-1 天线设计流程图2.3 设计过程中的部分问题（1）同轴馈线的外芯要设计成理想边界条件外芯的内侧要设成有限导体边界条件，材质为金属铜。否则仿真会只出现一个中心频率，对后面的优化造成极大的影响。（2）接地板要单独创建，而不能把射频泡沫的底面作为接地板。且要设置成有限边界条件，材质为金属铜。否则仿真结果是一条下降趋势的斜线。说明回波损耗S11 接近于0dB，意味着所有的入射能量都被反射回来，电流无方向性随意流动，天线没有任何作用。图2-2 回波损耗S11（3）短路壁和同轴馈线在嵌入射频泡沫的地方需要挖去相应的体积，否则软件左下角信息管理窗口会弹出错误提示信息无法仿真：Objects“Shelf”and“inner” intersect. Objects“inner”and“outer” intersect.（4）波端口处需要套个理想边界条件的保护外壳，否则软件测试会显示没有定义波端口，无法计算。软件左下角信息管理窗口会弹出错误提示信息：Port refinement，porcess hf3d error:Port P1 is assigned to an internal face.Only allowed with lumped prots. （5）优化数据增加变量的时候需要对从贴片上删去的U型槽部分也要添加变量，否则会没有结果，仿真莫名结束，且没有错误提示。3 PIFA天线建模 PIFA天线的基本结构和由来PIFA天线即平面倒F型天线，因整个天线的形状像个倒写的F而得名9.目前,市面上可以看到的 内置天线,其中有60%-80%都是用这种天线设计的,阅读大量的期刊和书籍，本文也采用了PIFA天线进行尝试建模和仿真。PIFA天线的主要结构包括五个部分:接地平面、辐射单元、短路壁、同轴馈线和射频泡沫10。接地平面是反射面，辐射单元是与接地平面平行的金属片用于发射电磁波，短路壁是连接辐射单元和接地平面形成电流回路，同轴馈线用于信号传输。PIFA天线为了实现多频段工作，一般是在天线辐射金属片上采用多开槽的技术来实现11,12。通过改变原先的电流路径，形成三个相对独立的电流回路，从而实现PIFA三频工作。PIFA近似谐振频率公式为13,14： （3-1）该公式只具有初步估算的意义，在实际设计的时候天线谐振频率会受到高度，辐射片大小，槽的长短等多个参数的影响，需要经过多次调试优化才能得到理想的性能。 天线的基本数据接地平面位于模型的最下方，其长度和宽度分别为120mm和60mm。辐射片的长度和宽度取决于1/4工作波长。三种频率中取频率最小的GHz，波长最长为82mm。则取长50mm宽32mm.通过前面介绍，我们知道天线高度是决定PIFA天线带宽的一个重要因素，为了让PIFA天线有足够的带宽，天线的高度在这里取为10mm。改变短路壁的粗细时，会改变天线的阻抗15，所以短路金属片的宽度在这里取为6mm。天线使用同轴线馈电，同轴线的内径为，外径长为内径的倍。U型槽的长度和宽度的和由上述公式可以得知为82mm。为了固定辐射金属片，让辐射金属片和接地平面保持平行，在辐射金属片和接地平面直接填充介电常数较低的Rohacell射频泡沫。其相对介电常数，损耗正切。为了便于更改模型的大小以及后续的参数化分析，即分析PIFA天线结构参数的变化对天线性能的影响，在创建PIFA天线的HFSS设计模型时，需要定义一系列的变量来表示天线的结构。其中，辐射金属片位于XY平面，其一个顶点位于坐标原点，长度和宽度分别用变量L1和W1表示。天线高度用变量H表示。接地平面位于辐射金属片的正下方，其顶点坐标用变量表示为（-Xg，-Yg，-H），其长度和宽度分别用变量Lg和Wg表示。射频泡沫支架的厚度为H，其长度和宽度与接地平面保持一致。短路金属片位于辐射金属片的左侧，其和辐射片左上角顶点距离用变量Xs表示。短路金属片的宽度用变量SW表示，其长度即为天线的高度。同轴馈线在X轴方位位于短路金属片的中央，其和辐射金属片上侧边缘、左侧边缘的距离分别用Xf和Yf表示，也就是在XY平面同轴馈线的圆心坐标为（Xf，Yf），且Xf=W1/2。另外分别用变量r1和r2表示同轴馈线的内径和外径。表1 变量定义变量意义变量名变量初始值天线高度辐射金属片长度接地面顶点X坐标接地面顶点Y坐标辐射金属片宽度接地平面长度接地平面宽度同轴馈线X轴圆心坐标同轴馈线Y轴圆心坐标短路金属片到辐射金属片上边缘的距离短路金属片的宽度同轴馈线内芯半径同轴馈线外径同轴馈线外径高度U型槽内部的宽度U型槽一在X轴上臂长U型槽一在Y轴上臂长U型槽一在X轴的坐标U型槽一在Y轴的坐标U型槽二在X轴上臂长U型槽二在Y轴上臂长U型槽二在X轴的坐标U型槽二在Y轴的坐标HL1XgYgW1LgWgXfYfXsSWr1r2H1WslotL1slotL2slotXslotYslotL1slot2L2slot2Xslot2Yslot210mm50mm10mm5mm32mm120mm60mmW1/25mm0mm6mm5mm2mm27mm(W1-L1solt)/243mm20mm(W1-L1solt2)/230mm 建立模型的前期准备（1）运行HFSS并设置求解类型HFSS中共有三种求解类型，分别是模式驱动求解（Driven Modal）、终端驱动求解（Driven Terminal）和本征模求解（Eigenmode）。在天线设计中，通常选择模式驱动或者终端驱动求解类型。首先设置当前设计为模式驱动求解类型。从主菜单栏中选择【HFSS】【Solution Type】命令，打开如图3-1所示的Solution Type对话框，选中Driven Modal单选按钮，然后单击OK，完成设置。图3-1 设置求解类型（2）设置当前设计在创建模型时所使用的默认长度为mm。从主菜单栏中选择【Modeler】【Units】命令，打开如下图3-2所示的Set Model Units对话框。在Select Units 下拉列表中选择mm, 然后单击OK按钮，完成设置。图3-2 设置长度单位（3）添加和定义设计变量在HFSS中定义和添加如表1所示的设计变量。从主菜单栏中选择【HFSS】【Design Properties】命令，打开设计属性对话框。单击对话框中的ADD按钮，打开Add Property 对话框。在Name文本框中输入第一个变量名称H，在Value文本框中输入该变量的初始值10mm，然后单击OK按钮，添加变量H到设计属性对话框中。变量定义和添加的过程如下图3-3，3-4，3-5所示。图3-3 打开变量创建栏图3-4 变量显示表图3-5 新添变量使用相同的操作方法，分别定义表1内的所有变量。定义完成后，确认设计属性对话框如图3-6所示。图3-6 完成所有设计变量定义后的设计属性对话框（4）添加新的介质材料在设计中，辐射金属片的支架使用的是介电常数较低的Rohacell射频泡沫，其相对介电常数，损耗正切。因为HFSS默认材料库中没有这样的介质材料，所以首先需要在设计材料库中添加该介质材料，然后将其命名为foam。从主菜单栏中选择【Tools】【Edit Configured Libraries】【Materials】命令，打开如图3-7所示的Edit Libraries对话框。再单击该对话框中的add Material按钮，打开View/Edit Material对话框。在Material Name文本框中输入材质名称foam，在Relative Permittivity 文本框中输入材质的相对介电常数值，在Dielectric Loss Tangent 文本框中输入材质的损耗正切，其他选项保持默认设置不变，如图3-8所示，然后单击OK按钮，完成向材料库中添加了新的介质材料foam。最后，单击Edit Libraries对话框中的确定按钮，完成向材料库中添加介质材料的操作。图3-7 材料选择界面图3-8 添加新的介质材料 PIFA天线设计建模（1）创建辐射金属片在xoy平面上创建一个矩形面，其左上角顶点位于坐标原点，长和宽分别用变量L1和W1表示。矩形面模型建好后，设置其边界条件为有限导体边界。从主菜单栏中选择【Draw】【Rectangle】命令进入创建矩形面的状态，然后再三维模型窗口的XY面上创建一个任意大小的矩形面。则新建的矩形面会添加到操作历史树的Sheets节点下，其默认名称为Rectangle1.双击操作历史树Sheets节点下的Rectangle1选项，打开新建矩形面属性对话框的Attribute选项卡，如图3-9所示。在Name文本框中输入Patch，即可把矩形面的名称修改为Patch。单击Color选项对应的Edit按钮，设置矩形面的颜色为铜黄色。然后单击确定按钮退出。图3-9 辐射片 Attribute选项卡展开操作历史树Sheets下的Patch节点，双击该节点下的CreateRectangle选项，打开新建矩形面属性对话框的Command选项卡，在该选项卡中设置矩形面的顶点坐标和大小。在Position文本框中输入其顶点位置坐标为（0，0，0），在Xsize和Ysize文本框中分别输入矩形面的宽度和长度为Wl和L1，如图3-10所示，然后单击确定按钮退出。图3-10 辐射片command选项卡最后设置辐射金属片的边界条件为有限导体边界。在三维模型窗口中选中刚创建的辐射金属片模型Patch，然后单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择【Assign boundary】【Finite Conductivity】命令，打开有限导体边界设置对话框。整个操作的过程如图3-11所示，首先将该对话框中的Name选项由默认的FiniteCond1修改为FiniteCond_Patch，然后选中该对话框中的Use Material 复选框，并单击Use Material 复选框右侧的Vacuum按钮，打开Select Definition对话框。在Search by Name 文本框中输入copper，则在其下方的材质列表中会有蓝条显示表示选中了copper，此时单击对话框中的确定按钮，确认选中copper（金属铜）。最后，单击有限导体边界设置对话框中的OK按钮完成设置。此时，即可把辐射金属片Patch的边界条件设置为有限导体边界，且有限导体属性为金属铜。设置完成后，有限导体的边界名称FiniteCond_Patch会自动添加到工程树的Boundaries节点下。图3-11 设置有限导体边界图3-12 把辐射片材料设置成金属铜（2）创建接地平面创建一个平行于辐射金属片的矩形面，其顶点坐标为（-Xg，-Yg，-H），长和宽分别用变量Lg和Wg表示。矩形面模型建好后，设置其边界条件为有限导体边界。首先在XY面继续创建一个随意矩形面，双击该矩形面会出现属性对话框，在Name文本框中输入Gnd，即可把矩形面的名称修改为Gnd。单击Color选项对应的Edit按钮，设置矩形面的颜色为淡黄色。然后点击确定按钮退出。图3-13 接地板Attribute选项卡 展开操作历史树Sheets下的Gnd节点，双击该节点下的CreateRectangle选项，打开新建矩形面属性对话框的Command选项卡，在该选项卡下设置矩形面的顶点坐标和大小。在Positio文本框中输入其顶点位置坐标为（-Xg，-Yg，-H），在Xsize和Ysize文本框中分别输入矩形面的宽度和长度为Wg和Lg如图3-14所示。图3-14 接地板command选项卡接着继续设置接地平面的边界条件为有限导体边界。在三维模型窗口中选中接地平面模型，然后单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择【Assign boundary】【Finite Conductivity】命令，打开有限导体边界设置对话框。整个的过程和辐射片的设置过程相似。Name选项改为FiniteCond_GND,选择材质copper。图3-15 设置接地板有限条件边界完成后，按快捷键Ctrl+D全屏显示创建的所有物体模型如图3-16所示。图3-16 三维模型（3）创建短路壁在辐射金属片Patch左上角的位置创建一个位于XZ平面的矩形面，作为接地金属片，把辐射金属片和接地平面连接起来，并将其命名为Short，其顶点坐标为（Xs，0,0），长和宽分别用变量H和SW表示。当改变短路壁的粗细时，会改变天线的阻抗先选择ZX平面，然后创建一个矩形面，双击打开属性对话框，把矩形面名称改为Short，颜色设置成铜黄色。然后展开操作历史树Sheets下的Short节点，双击该节点下的CreateRectangle选项，打开新建矩形面属性对话框的Command选项卡，在该选项卡中设置矩形面的顶点坐标和大小。在Position文本框中输入其顶点坐标和大小。在Position文本框中输入其顶点位置坐标为（Xs，0,0），在Xsize和Zsize文本框中分别输入矩形面的宽度和长度为SW和-H。图3-17 短路壁command选项卡（4）创建泡沫支架创建一个长方体模型用以表示泡沫支架。使辐射片和接地板有一定的距离。该模型位于接地平面的正上方，大小与接地平面相同。模型的材质使用前面定义的foam，命名为Shelf。在创建接地金属片时，设定工作平面为XY平面。然后从主菜单栏中选择【Draw】【Box】命令，在三维模型窗口中创建一个任意大小的长方体。新建的长方体会添加到操作历史树的Solids节点下，其默认的名称为Box1。双击操作历史树Solids节点下的Box1选项，打开新建长方体属性对话框的Attribute选项卡。在该选项卡中将长方体的名称修改为Shelf，设置Material选项对应的材质为foam，设置其透明度为，如图3-18。图3-18 射频泡沫Attribute选项卡再双击操作历史树Shelf节点下的CreateBox选项，打开新建长方体属性对话框的Command选项卡，在Position文本框中输入顶点位置坐标为（-Xg，-Yg，-H），在Xsize、Ysize和Zsize文本框中分别输入矩形面的长，宽，高为Wg、Lg、和H，如图3-19 所示,此时就创建好了名为Shelf的射频泡沫支架模型。图3-19 射频泡沫Command 选项卡（5）创建同轴馈线创建PIFA天线的同轴馈线，用于传输信号能量。同轴线的圆心坐标为（Xf，Yf，0），内径用变量r1表示，外径用变量r2表示。同轴线的内芯穿过接地平面和辐射贴片相接，同轴线的外圈和接地平面相接，内芯总长度为（H+H1），外圈只位于接地平面下方，其长度为H1。创建同轴馈线的内芯创建一个圆柱体，将其作为同轴馈线的内芯，圆柱体的半径为r1，长度为（H+H1）。圆柱体的顶部与辐射金属片相接，其顶部坐标为（Xf，Yf，0），圆柱体的材质为金属铜（copper），并将该圆柱体模型命名为inner。图3-20 同轴馈线内芯attribute选项卡再双击操作历史树inner节点下的CreateCylinder选项，打开新建圆柱体属性对话框的Command选项卡，在该选项卡中设置圆柱体的底面圆心坐标，半径和长度。在CenterPosition文本框中输入底面圆心坐标为（Xf，Yf，0），在Radius文本框中输入半径值r1，在Height文本框中输入长度值-（H+H1），如图3-21所示。图3-21 内芯command选项卡创建同轴馈线的外芯模型创建一个圆柱体，将其作为同轴馈线的外圈。圆柱体的半径为r2，高度为H1，圆柱体的顶部与接地平面相接，其顶部圆心坐标为（Xf，Yf，-H），圆柱体的材质为默认的真空（vacuum）。然后将该圆柱体模型命名为outer，并设该圆柱体的侧表面边界为理想导体边界（pec）。先在三维模型中单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择Select Faces选项，切换到选择物体表面操作状态。然后旋转和移动物体模型，使圆柱体outer不被其他物体模型遮挡，选中圆柱体outer的侧表面，再单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择【Assign Boundary】【Perfect E】命令，打开理想导体设置对话框，如图3-23所示。保留理想导体设置对话框中的默认设置不变，直接单击ok按钮完成设置。此时即可设置圆柱体outer侧表面的边界条件为有限理想导体边界条件。设置完成后，理想导体边界名称PerfE1也会自动添加到工程树的Boundaries节点下。图3-22 菜单选项图3-23 设置理想导体边界操作（6）建立U型槽创建矩形面1在辐射片上创建一个与X轴平行的矩形面，其顶点位置坐标为（Xslot，Yslot，0），长度以及宽度分别为L1_slot和W_slot，并将其命名为U_Xslot。展开操作历史树中Sheets下的U_Xslot节点，再双击该节点下的CreateRectangle选项，打开command选项卡，在Position文本框中输入其顶点位置坐标为（Xslot，Yslot，0）在Xsize和Ysize文本框中分别输入矩形面的长度和宽度为L1_slot和W_slot。图3-24 command选项卡创建矩形面2在辐射贴片上创建一个与Y轴平行的矩形面。其顶点位置坐标为（Xslot，Yslot，0），长度和宽度分别为L2_slot和W_slot，并将其命名为U_Yslot。图3-25 command选项卡创建矩形面3单击操作历史树下的Sheets节点下的U_Yslot选项，选中该矩形面。从主菜单栏中选择【Edit】【Duplicate】【Along Line】命令，此时会弹出Duplicate along line 对话框，确认对话框中的Total number选项显示数值为2，然后确定。该矩形面默认名称为U_Yslot_1。接着展开该command选项卡，将Vector选项对应的值修改为（L1_slot-W_slot，0,0）此时即可设置矩形面U_Yslot_1是由矩形面U_Yslot沿X轴平移（L1_slot-W_slot）的距离而生成的。图3-26 Duplicate along line对话框图3-27 属性对话框合并3个矩形面按住Ctrl键的同时选中Sheets节点下的U_Xslot、U_Yslot和U_Yslot_1选项，即可同时选中这3个矩形面，然后从主菜单栏中选择【Modeler】【Boolean】【Unite】命令，执行合并操作。此时矩形面U_Xslot、U_Yslot和U_Yslot_1会合并成一个整体，名称为U_Xslot。图3-28 U型槽一开U型槽同时选中Patch和U_Xslot这2个平面，从主菜单栏中选择【Modeler】【Boolean】【Substrate】命令打开相减操作对话框如图3-29所示。在Subtract对话框中确认Blank Parts列表框中显示的是Patch选项，在Tool Parts列表框中显示的是U_Xslot选项，表示挖去模型Patch和模型U_Xslot重叠部分。单击Ok按钮即可完成相减操作。图3-29 相减操作创建U型槽二根据的步骤创建U型槽二，其顶点为（Xslot2 ,Yslot2 ,0mm）。长度L1solt2和宽度L2solt2分别为20mm，然后同样与Patch辐射片进行开槽。最后ctrl+D显示整体模型，如图3-30。图3-30 开U型槽后的Patch辐射片模型之间相互嵌入在设计同轴馈线的时候是通过接地板和射频泡沫的，所以必须要在接地板、射频泡沫和同轴馈线及短路壁的重叠部分挖去。打开历史树，按住Ctrl然后先后选中Solids节点下的Shelf、outer和inner3个模型，然后从主菜单栏中选择【Modeler】【Boolean】【Substrate】命令，打开相减操作对话框，如图3-31所示。Tool Parts列表框表示将要被保留的部分，Blank Parts列表框表示将要被删除的部分。在Subtract对话框中选中Tool Parts列表框中的outer选项，然后单击左移按钮，将outer从Tool Parts列表框中西东到Blank Parts列表框中。同时为了保留模型inner本身，还需要选中该对话框中的Clone tool objects before operation复选框。设置完成后单击OK按钮即可完成相减操作。图3-31 相减操作设置激励端口保护盒子本文使用的激励方式时波端口激励，所以需要在同轴馈线波端口平面无信号进出的一侧添加一段理想导体，这样HFSS就可以指导激励信号的方向了。从主菜单栏中选择【Draw】【Cylinder】命令，在三维模型窗口中创建一个任意大小的圆柱体。双击该圆柱体，在跳出的Attribute选项卡中将圆柱体名称修改为CapLoad，设置Material选项对应材质为pec。再双击历史树CapLoad节点下的CreateCylinder选项，打开新建圆柱体属性对话框的Command选项卡，在Center Position文本框中输入其底面圆心坐标为（Xf，Yf，-（H+H1），在Radius文本框中输入半径值r2，在Height文本框中输入长度值-2mm，最后点击OK按钮完成CapLoad的创建。图3-32 command选项卡创建和设置辐射边界使用HFSS分析天线问题时，必须设置辐射边界条件，且辐射表面和天线的距离需要不小于1/4个波长。对于三种频率选择GHz的波长为工作波长。其自由空间的1/4个工作波长约为。从主菜单栏中选择【Draw】【Box】命令，然后再三维模型窗口中建立任意大小的长方体。新建的长方体会添加到历史树的Solids节点下，其默认名称为Box1.双击该长方体弹出属性对话框Attribute选项卡，修改名称为AirBox，设置透明度为。再双击操作历史树AirBox节点下的CreateBox选项，打开新建长方体属性对话框的Command选项卡，在该选项卡中设置长方体的顶点坐标和大小。在Position文本框中输入其顶点位置坐标为（-Xg-100mm，-Yg-100mm，-H-100mm），在Xsizs、Ysize和Zsize文本框中分别输入矩形面的宽度、长度和高度为Wg+200mm、Lg+200mm和H+200mm，如图3-33所示。图3-34 辐射边界command选项卡设置长方体模型AirBox创建好了之后，右键单击操作历史树下的AirBox选项，在弹出的快捷菜单中选择【Assign Boundary】【Radiation】命令，打开辐射边界条件对话框，如图3-35所示。保留辐射边界条件设置对话框中的默认设置不变，直接单击对话框中的OK按钮，即可把AirBox所有表面都设置为辐射边界条件。图3-35：辐射边界条件设置对话框波端口激励在设置波端口激励时，需要设置S参数归一化阻抗值和端口平移距离等信息。在设置波端口激励方式时，需要设定端口的积分线（Integration Line）。设定积分线的目的有两个，一是确定电场的方向，积分线的箭头指向即为电场的正方向；二是设定端口电压的积分路径，用于计算端口电压等参数。在模式驱动求解类型下，在波端口设置对话框的Modes界面中选择Integration Line列对应的None，再从下拉列表中选择New Line 选项，即可设置波端口的积分线，如图3-36所示。设定好的波段口积分线如图3-37所示。图3-36 积分线设置命令图3-37 端口激励端口积分线在设置好端口积分线后还需要设置端口的S参数归一化阻抗值，归一化阻抗即端口的负载阻抗。在微波射频频段，端口负载阻抗一般都是50。在波端口设置对话框的Post Processing选项卡中，选中Renormalize All Modes 单选按钮，即可在Full Port Impedanc 文本框中输入归一化阻抗的值，通常是50，如图3-38所示。也可以选择DO Not Renormalize 单选按钮，那么导波系统中每个模式在波端口处都是完全匹配的，此时计算分析的是广义S参数。图3-38 波端口设置对话框的post Processing选项卡(11) 设置求解参数HFSS软件采用的是自适应网格剖分技术，根据用户设置的误差标准，自动生成精确、有效的网格来分析物体模型的电磁特性。HFSS基本的求解参数包括求解频率、自适应网格剖分的最大迭代次数和收敛误差。a) 求解设置在主菜单栏中选择【HFSS】【Analysis Setup】【Add S