【多頻段4G-5G手機(jī)天線設(shè)計（論文）9900字】

II多頻段4G/5G手機(jī)天線設(shè)計1緒論1.1研究背景及意義自從人類進(jìn)入現(xiàn)代化社會以來,移動通訊技術(shù)也在不斷地進(jìn)步與發(fā)展并繁榮,隨之應(yīng)運(yùn)而生的還有大量移動設(shè)備,而智能手機(jī)似乎已經(jīng)從眾多的移動設(shè)備中脫穎而出,成為了現(xiàn)代社會人們的日常生活中必不可少的工具。隨著移動通信技術(shù)的不斷進(jìn)步發(fā)展創(chuàng)新與完善,這樣的手機(jī)也就擁有越來越廣泛的無線應(yīng)用。為了滿足現(xiàn)階段人們對于手機(jī)外觀小巧輕便以方便攜帶的要求,超薄手機(jī)也就逐漸成為人們設(shè)計與研究的主要方向。但是如果我們要求自己的手機(jī)盡可能地小巧輕薄,也就意味著整個手機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也必須要盡可能地緊湊,因此這也對于手機(jī)天線的制造者提出了嚴(yán)格的技術(shù)要求:所以手機(jī)天線的制造在不會直接影響到整個手機(jī)系統(tǒng)性能的前提下,要盡可能的小,滿足手機(jī)小型輕薄的外觀需求,同時還要支持多個頻段,滿足手機(jī)智能化的要求。而國內(nèi)移動通信網(wǎng)絡(luò)行業(yè)近兩年不斷地發(fā)展近兩年也逐步使得第五代蜂窩式移動通信互聯(lián)網(wǎng)(5G)正式步入商業(yè)化發(fā)展階段,這對于5G來說,將會需要一種全新的發(fā)展改變。并且有別于前四代的一個地方就是,5G將滿足速率高、延時低的特點(diǎn),節(jié)約成本的同時還大大提高了系統(tǒng)容量和運(yùn)行速度。我們根據(jù)香農(nóng)定理可以得知，對于無線通信的信道容量來說，最重要的參數(shù)之一便是帶寬。但由于頻譜資源的稀缺，為了實現(xiàn)頻譜資源的良性利用，人們將在移動通信技術(shù)的發(fā)展之前為頻譜制定相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。但是目前來說4G仍然是數(shù)據(jù)通信的主流，對于終端設(shè)計而言，這部分用戶將來仍需要考慮，所以未來將會存在著多種頻段共存的局面。天線作為5G通信系統(tǒng)信息收發(fā)組件的重要一環(huán)，一直是當(dāng)前急需要解決的問題。對于未來的移動終端來說，除了具備覆蓋5G的毫米波和Sub-6GHz，還需要對其他低頻頻段的支持，這里我們需要考慮手機(jī)天線的多頻段設(shè)計?？紤]到手機(jī)向小和薄的發(fā)展趨勢且為了滿足5G將采取的MIMO多天線技術(shù)和提高信道容量，這里我們便需要手機(jī)天線小型化。通常情況下，天線的好壞直接的影響著手機(jī)接收信號的好壞與通信質(zhì)量的高低，因此需要具備寬帶、小型化和良好輻射性能的天線?？偠灾?G在世界各地的研究和開發(fā)中依舊是最有難度的熱點(diǎn)。1.2國內(nèi)外研究的發(fā)展和現(xiàn)狀自從移動設(shè)備誕生以來,通信的頻率正在逐步由原來的kHz頻段發(fā)展為GHz頻段,而且天線的大小和尺寸正在經(jīng)歷著由大到小,從外置天線改為內(nèi)置天線的巨大變化。除了數(shù)據(jù)通訊的功能之外,手機(jī)的wifi、藍(lán)牙、GPS、NFC等各種通信功能,都非常需要使用到不同的天線,甚至最近逐步走向熱門起來的無線充電,所使用的充電式天線圈本身就是一種。最早的一種移動端子電腦天線應(yīng)該是四分之一個波長的天線,它本身就是一根單獨(dú)的天線,也可以稱作套筒式的偶極天線。這種天線已經(jīng)在目前使用的手機(jī)上很難見到，而是被大量的用在無線LAN接入點(diǎn)上。1901年馬可尼在加拿大南部紐芬蘭大學(xué)接受的一次橫渡大西洋從來自英國康泛爾半島一艘出口貨船發(fā)來的"s"兩個字母的通信,為使用無線電設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程視頻通訊時又開啟了新的通信時代。其當(dāng)時正在使用的所有微波發(fā)射用的天線都應(yīng)該是從48m高的黑色縱向式或橫向懸掛式的電纜線上通過傾斜垂直拉下50根黑色銅質(zhì)的導(dǎo)線而成所形成的一個圓形扇型天線結(jié)構(gòu),可以充分確定它們被外界認(rèn)為應(yīng)該是第一副真正實用的小型單極式發(fā)射天線，震蕩源是70Hz的火花發(fā)生器。隨后再一次利用4座圓形木塔直接搭建起由導(dǎo)線和電網(wǎng)組合而成的一個正方形、單錐式射電天線。圖1單錐天線二戰(zhàn)前夕,微波快速頻率調(diào)節(jié)微波管和磁控管的大量引入和迅速發(fā)明，導(dǎo)致了大量厘米微波頻譜雷達(dá)的大量問世，厘米級微波雷達(dá)得以廣泛應(yīng)用普及，無線電微波頻譜才得以能夠因此得到更加充分地吸收利用。這一新的時代廣泛地已經(jīng)采用了各種反射拋物面天線或者其他不同類型的各種反射拋物面天線，這些不同的反射天線都被廣泛認(rèn)為可以是正面大的天線或者可以簡稱為是口徑大的天線。此外，還有螺旋波導(dǎo)導(dǎo)管裂紋穿孔縫隙天線、介質(zhì)棒波導(dǎo)裂紋縫隙天線、螺旋波導(dǎo)裂紋縫隙天線。二戰(zhàn)期間的人們已經(jīng)初步建立發(fā)展起了各種口徑檢測天線與基本的光學(xué)理論，發(fā)明了口徑天線矩陣檢測控制技術(shù)，開發(fā)建立起了口徑天線矩陣的整體性能和綜合設(shè)計技術(shù)。1957年人造的衛(wèi)星地球一號衛(wèi)星正式發(fā)射上天,這不僅標(biāo)志著當(dāng)今世界人類已經(jīng)正式進(jìn)入了不斷研究和探索開發(fā)自己未知宇宙的新一個世紀(jì)黃金時代,也對其他的天線通信設(shè)備技術(shù)提出了許許多多不同方面的天線技術(shù)高標(biāo)準(zhǔn)要求。同時,電子天線計算機(jī)、微電子工程技術(shù)及其他現(xiàn)代電子材料的快速發(fā)展也為推動電子天線工程學(xué)科基礎(chǔ)理論和科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)研究的不斷發(fā)展進(jìn)步奠定了一個必備的技術(shù)條件。1972年制成了第一批實用微帶天線，并作為火箭和導(dǎo)彈的共形天線開始了應(yīng)用。圖2相控縫隙陣天線圖3GPS上的螺旋天線陣近年來還逐漸發(fā)展出現(xiàn)了各種分形幾何天線等各種比較小型化的射頻天線分析形式,另一重要的技術(shù)進(jìn)展時則上就是逐步發(fā)展了各種分形幾何天線的射頻信號采集處理分析功能,理論上的重大突破之處主要表現(xiàn)是:先后成功創(chuàng)立了時域矩量差分法(mom),時域有限差分法(fdtd)和分形幾何天線繞組輻射差分理論(gtd)等多種分析方法,并已經(jīng)逐步發(fā)展形成了一套商用分析軟件。在微波天線調(diào)試測量管理技術(shù)的實際應(yīng)用研究方面,發(fā)展了多種微波天線暗室和輻射接近場天線測量的應(yīng)用技術(shù),研制開發(fā)出了多種緊縮式微波天線質(zhì)量測試場和可以綜合利用多種放射性微波電源的天線測試管理技術(shù)。此后,手機(jī)逐步向著小型化和個性化方向發(fā)展,為了能夠有效地配合到整體的設(shè)計,天線設(shè)備也更趨于緊湊。對于目前的手機(jī)及來說，印制天線被廣泛用在終端中，相比于其他安裝式天線更加小巧輕薄。從組成上看，印制天線內(nèi)部有介電材料和接地平面，在我們設(shè)計時就需要充分考慮能達(dá)到高效、低增益以及超低輻射率的模型。圖4印制天線2天線的基礎(chǔ)理論2.1天線的基本類型以及理論天線從被發(fā)明的那一天起到今天便和人們的生活息息相關(guān)，生活中處處可見天線的蹤影。例如，當(dāng)用收音機(jī)收聽廣播時需要天線、用手機(jī)進(jìn)行通信和網(wǎng)絡(luò)瀏覽時需要天線、汽車通過GPS接收路況信息的時候需要天線。手機(jī)天線系統(tǒng)是使用移動電話進(jìn)行無線通訊的重要組成部件，它將一個集成電路內(nèi)部的引導(dǎo)波與一個空間里的平面電磁波進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。因此，手機(jī)天線箱射頻特性直接決定了手機(jī)設(shè)備在無線網(wǎng)絡(luò)上的工作性能。在天線的安裝位置不斷變化的過程中，手機(jī)天線由于其環(huán)境的變化其本身的結(jié)構(gòu)以及天線的基本形式也在不斷變化。而近年來隨著新一代智能手機(jī)的日益普及、發(fā)展，手機(jī)天線的設(shè)計作為一種主流形態(tài)不斷朝著低剖面、小凈空以及中高度小型化等方向發(fā)展，特別是近幾年來逐漸廣泛流行的超薄智能手機(jī)以及全面顯示的智能手機(jī)則促使了新一代手機(jī)天線的設(shè)計再次往著進(jìn)一步小型化方向發(fā)展。目前常見的內(nèi)置移動手機(jī)天線主要有單極子天線、PIFA天線等。2.1.1單極子天線的基本理論單極子天線也被稱作Monopole天線，在手機(jī)的內(nèi)部工作期間可以大幅度減小天線的體積。單極子天線基本結(jié)構(gòu)如圖1，將偶極子天線的一個輻射枝節(jié)改成金屬地板得到單極子天線，然后將地板替換為手機(jī)地平面可以得到外置形式的單極子天線，繼而將單極子的另外一條臂其中一部分進(jìn)行彎折90°就得到了倒L天線，然后將彎折的輻射枝節(jié)替換成金屬面形成平面單極子天線。圖5單極子天線基本結(jié)構(gòu)圖2.1.2PIFA天線的基本理論P(yáng)IFA天線即平面倒F天線，其實是由Monopole天線多加一個接地的饋點(diǎn)實現(xiàn)的，其要求的環(huán)境和單極天線一樣。PIFA天線基本結(jié)構(gòu)如圖2。PIFA天線的組成主要包括四個部分：輻射單元、接地平面、短路金屬片和同軸饋線。其中，接地平面是天線的反射面，輻射單元與接地面平行，輻射單元和接地平面用短路金屬片相連，信號的傳輸利用同軸饋線。平面倒F天線可以看做是線性倒F天線衍變而來的。PIFA天線輻射主要是輻射單元面，因此天線的有效輻射面積對天線性能很重要，天線輻射效果在邊緣時效果更為突出，輻射邊緣的場越往外傾斜效果越好，所以要用盡量大的地平面反射，可見PIFA天線高度也非常重要。圖6PIFA天線基本結(jié)構(gòu)圖當(dāng)空氣位于PIFA天線的輻射金屬面正下方的時候，天線的工作頻率能夠近似為：（1）其中，X為所求諧振頻率，L為轄射貼片的長度，W為寬度，c是光速。該式所求頻率是基模所對應(yīng)的諧振頻率。PIFA天線的短路引腳通過將福射貼片與金屬地相連，使其有效的天線長度可以有效的減小一半，來達(dá)到縮減天線尺寸的目的。同時，短路引腳的長度，也就是PIFA天線的高度，對天線性能影響較大。高度最好不要超過大于8mm,當(dāng)高度不要小于6.5mm時,天線信號傳輸器的性能會直接發(fā)生高度急劇下降。該種創(chuàng)新技術(shù)的一些特殊性,導(dǎo)致它很難以被廣泛應(yīng)用于后來的超薄屏幕智能手機(jī)。所以為了增大PIFA天線的帶寬，一般采用開槽、多分枝技術(shù)以及添加寄生單元等等。2.2天線設(shè)計的基本參數(shù)為了能夠更加直觀地表示天線的性能，定義了一些基本參數(shù)。以下將對一些手機(jī)天線中常用的基本參數(shù)展開介紹。2.2.1輸入阻抗天線作為傳輸線到空間的轉(zhuǎn)換裝置可以等效為一個雙端口網(wǎng)絡(luò)，輸入阻抗就是輸入端的電壓與電流之比，表示式為：（2）式2中，Vin表示天線輸入端的外加電壓；Iin表示天線輸入電流；Rin表示天線的輸入阻抗實部，稱為輸入電阻；Xin表示天線的輸入阻抗虛部，稱為輸入電抗。從式2中我們可以得出,天線的各個輸入電路的阻抗都可以通過復(fù)數(shù)表示,其中包括電阻值以及輸出電抗。天線可以把高頻信號較好地通過輻射到自由空間中,這就必然需要對天線與饋電器之間的相位進(jìn)行調(diào)節(jié)。一般的阻抗匹配能力所能做到的很多程度上都會直接影響到天線把功率送去傳輸時的信息。在實踐性的工程設(shè)計中,手機(jī)天線上的饋電纜通常都會采用50Ω的標(biāo)準(zhǔn)阻抗。并且在實際的天線設(shè)計中，一般都會運(yùn)用近似計算或者實驗相關(guān)的方法來對其進(jìn)行檢查和測試。2.2.2帶寬天線的帶寬，是指天線的電性能下降到容許值所對應(yīng)的頻率范圍。對于手機(jī)天線而言，其性能的影響受到阻抗匹配的影響最大，因而在設(shè)計時一般考慮其阻抗帶寬，即用輸入端的阻抗匹配程度來定義天線的帶寬，可以采用電壓駐波比VSWR或者說用反射系數(shù)S11來描述。由于不同的領(lǐng)域的應(yīng)用對帶寬的要求不那么相同，通常要求手機(jī)天線在所需頻帶內(nèi)的VSWR<3或者S11<-6dB。在實際的應(yīng)用中我們常常用絕對帶寬、相對帶寬和比值帶寬的方式來表示。1.絕對帶寬。即頻帶范圍的上限fmax與下限fmin的絕對差值，即:（3）2.相對帶寬。對于窄帶天線，帶寬常表示為:（4）3.比值帶寬。對于寬帶天線，帶寬常表示為:（5）2.2.3增益增益是指在輸入功率都相等的前提下,實際天線與理想輻射單元在空間同一個點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號的功率密度之比。它可以用來定量地描述一個天線將其輸入功率集中輻射的程度。增益明顯的與天線方向圖有密切的關(guān)系,方向圖主瓣越窄,副瓣越小,增益越高。天線的増益通常換算為分貝來表示，即對實際值取lg再乘以10。值得一提的是，dBi和dBd都是增益的單位，但它們的參考基準(zhǔn)是不同的。dBi以理想點(diǎn)源天線為基準(zhǔn)，而dBd以偶極子天線為基準(zhǔn)。兩個單位的換算關(guān)系為：（6)對于手機(jī)天線而言，其増益是有極限的。其増益的極限理論由Harrington提出，可由式7進(jìn)行估算：(7)這說明手機(jī)天線的増益也是和天線的尺寸有關(guān)的。追求天線的小型化，會引起天線帶寬與增益的下降，送就要求我們在設(shè)計天線時需要綜合考慮尺寸與帶寬、增益之間的矛盾。2.2.4方向圖函數(shù)及方向圖天線方向圖是指天線的輻射特性與空間坐標(biāo)之間的函數(shù)圖形，因此，分析天線的輻射方向示意圖便能夠幫助分析和找出天線的各種輻射函數(shù)特征。大多情況下，天線方向圖是在遠(yuǎn)場區(qū)確定的，故又有人稱之為遠(yuǎn)場方向圖。而輻射特性包括輻射場強(qiáng)、輻射功率、相位和極化。因此，天線方向圖又分為場強(qiáng)方向圖、功率方向圖、相位方向圖和極化方向圖。本文主要涉及場強(qiáng)和功率方向圖。天線的輻射特性可采用二維和三維方向圖來描述。天線方向圖的繪制可通過兩個途徑:一種就是由理論上的分析法所得到的天線在遙感地帶遠(yuǎn)區(qū)的輻射場,從而計算得到了方向圖的函數(shù),由此進(jìn)行計算和繪制得出了方向圖；一種就是通過試驗來測得天線方向圖的數(shù)據(jù),然后畫出天線的方向圖。大多數(shù)線極化天線在遙感遠(yuǎn)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的輻射電磁場通常可以用如下的形式(8)(9)式中，為電場強(qiáng)度的分量，單位為V/m；為磁場強(qiáng)度的分量，單位為A/m；為與激勵有關(guān)但與坐標(biāo)無關(guān)的系數(shù)；r為以天線上某參考點(diǎn)為原點(diǎn)到遠(yuǎn)區(qū)某點(diǎn)的距離；為天線的方向圖函數(shù)；為自由空間波阻抗；為相位常數(shù)。

在天線分析中常采用如下歸一化方向圖函數(shù)表示

(10)式中，為天線最大輻射方向，為方向圖函數(shù)的最大值。用歸一化的函數(shù)方向?qū)D來為函數(shù)所定義繪制的函數(shù)方向?qū)D可以叫做歸一化的函數(shù)方向?qū)D。由式8和9可以看出，天線遠(yuǎn)區(qū)輻射電場和磁場的方向圖函數(shù)是相同的，因此，由方向圖函數(shù)和歸一化方向圖函數(shù)表示的方向圖統(tǒng)稱為天線的輻射場方向圖。圖7極坐標(biāo)下天線主平面方向圖2.3天線的分類天線的形式很多,為了便于討論，可根據(jù)不同情況分類。

1.按工作性質(zhì)分類可分為發(fā)射天線、接收天線和收發(fā)共用天線。

2.按用途分類有通信天線、廣播天線、電視天線、雷達(dá)天線、測向天線等。

3.按天線特性分類

a.從方向性分:有強(qiáng)方向性天線、弱方向性天線、定向天線、全向天線、針狀波束天線、扇形波束天線等。

b.從極化特性分:有線極化天線、圓極化天線和橢圓極化天線。

c.從頻帶特性分:有窄頻帶天線、寬頻帶天線和超寬頻帶天線。

4.按天線上電流分布分類有行波天線、駐波天線。

5.按使用波段分類有長波、超長波天線、中波天線、短波天線、超短波天線和微波天線。

另外，還有八木天線，對數(shù)周期天線、陣列天線。陣列天線又有直線陣天線、平面陣天線、附在某些載體表面的共形陣列天線等。2.4天線的小型化和多頻化技術(shù)超薄智能手機(jī)和全屏智能手機(jī)的出現(xiàn)意味著手機(jī)要變得越來越薄，在手機(jī)的機(jī)身內(nèi)需要更多的傳感器和功能模塊，所以在設(shè)計天線時，手機(jī)中為天線預(yù)留的位置要比之前的更小了，手機(jī)內(nèi)置天線的小型化開始引起了越來越多的關(guān)注。但是手機(jī)天線尺寸減小了就會使手機(jī)各方面的性能減弱，所以近幾年手機(jī)天線的研究重點(diǎn)就變成了在保證手機(jī)天線性能的情況下既減小了手機(jī)天線的尺寸又能使得其可以覆蓋多頻段且增加了帶寬。2.4.1天線的小型化技術(shù)天線小型化技術(shù)主要包括了貼片表面開槽技術(shù)、使用特殊材質(zhì)的基底以及加載技術(shù)等。貼片表面開槽技術(shù)又稱為曲流技術(shù)，采用的方法是在金屬地板、金屬輻射面上進(jìn)行開槽，利用該項技術(shù)能夠調(diào)整輻射體表面電流的分布，通過延長貼片表面的電流路徑來減小天線的尺寸。常見的開槽方式有L型、U型等方式。在輻射貼片上開槽并不只是為了通過延長貼片表面的電流路徑來減小天線的尺寸，而且經(jīng)過開槽后的金屬貼片相當(dāng)于將變窄后的金屬貼片進(jìn)行了多次彎折，從而使天線形成電容耦合，使金屬輻射貼片能夠形成好幾個諧振頻率，從而使得該天線的性能較之前變好，以達(dá)到多頻段工作的目的。使用特殊材質(zhì)的基底可通過采用高介電常數(shù)材料、鐵氧體材料和左手材料做成的基底來有效地控制減小使用天線基底尺寸。3.加載技術(shù)天線的加載技術(shù)可以大致分為貼片加載以及集總元件加載兩個部分。微帶貼片天線通常工作于二分之一個波長模式，在兩個開路端中間存在零電位線。如果把零電位線上再次添加一個短路貼片,這樣就會使得天線轉(zhuǎn)換成諧振在四分之一的波長上,這樣一來整個天線的體積就減小了一半。一般PIFA天線的短路加載技術(shù)有三種：加載短路金屬面、加載短路金屬片以及加載短路金屬探針。2.4.2天線的多頻化技術(shù)目前，手機(jī)天線的多頻段技術(shù)主要分為：單天線多模技術(shù)、可重構(gòu)天線和MIMO天線。其中單天線多模技術(shù)被廣泛認(rèn)為是當(dāng)今世界上最早的一種技術(shù)。具體的方法有：表面開槽技術(shù)、耦合技術(shù)、多分枝結(jié)構(gòu)等等。1.表面開槽技術(shù)這種表面打孔開槽技術(shù)不但可以應(yīng)用來縮小天線的尺寸,還能夠被廣泛應(yīng)用于多頻段。事實上,手機(jī)天線的小型化、多頻段與寬帶化的許多實現(xiàn)途徑都是通用的。它是通過將一根天線的貼片表面打開槽,引起了其表面中的電流運(yùn)動路徑發(fā)生變化。可對該槽的形態(tài)和大小等因素進(jìn)行調(diào)節(jié),以便于獲得更多不同的輸出電流路徑,引入一種全新的工作模式，由此實現(xiàn)多頻段。表面開槽技術(shù)又叫作縫隙加載技術(shù)。2.耦合技術(shù)耦合是指貼片之間不存在直接接觸因素卻進(jìn)行能量傳輸?shù)南嗷プ饔?。耦合技術(shù)比較常見,在智能移動天線設(shè)計領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用,它也是實現(xiàn)小型化、多頻段與高速寬頻帶的主要手段之一。常用的耦合技術(shù)包括：縫隙耦合、貼片耦合和耦合饋電?？p隙耦合：指在表面開槽縫隙，會在槽或縫隙中引起感應(yīng)電流，因此改變表面電流路徑，實現(xiàn)小型化或多頻段。貼片耦合：在天線輻射貼片旁邊額外適當(dāng)?shù)慕o它添加一個寄生單元，直接饋電的貼片會在寄生單元上引起感應(yīng)電流，進(jìn)而形成新的諧振，從而達(dá)到直接實現(xiàn)多信號頻段的通信目標(biāo)。耦合饋電：是指不直接對輻射貼片進(jìn)行饋電，而是在輻射貼片與接地面之間増加一個金屬片，利用金屬片與霜射貼片的耦合作用來饋電。3.多分枝結(jié)構(gòu)多分枝結(jié)構(gòu)是指采用多個枝節(jié)以獲得多條電流路徑，從而產(chǎn)生多個諧振。每個枝節(jié)的長度決定了其激發(fā)諧振的頻率。3.多頻段4G/5G手機(jī)天線的設(shè)計3.1設(shè)計要求使用HFSS仿真軟件設(shè)計一個小型手機(jī)天線，通過不斷優(yōu)化后手機(jī)天線可基本滿足以下的工作指標(biāo)：1、工作頻率：4G（1880-1920MHz）+5G（3.3GHz-3.6GHz）（雙頻）;2、駐波比：工作頻帶內(nèi)小于2；3、增益：全范圍內(nèi)>-1dBi；3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)以上要求，我選擇設(shè)計一款PIFA天線，并在其輻射單元上加開U型槽方案來實現(xiàn)PIFA天線在4G（1880-1920MHz）和5G（3.3GHz-3.6GHz）兩個頻段上工作。天線的尺寸為：23mm*18mm*10mm。本天線的設(shè)計思路是先設(shè)計出工作于4G頻段上的PIFA天線，然后在其基礎(chǔ)上對輻射金屬片加開一個U型槽來獲得在5G頻段上的一個諧振頻率，以達(dá)到雙頻天線的設(shè)計。前面一節(jié)有講到，接地平面是天線的反射面，輻射單元與接地面平行，輻射單元和接地平面用短路金屬片相連，信號的傳輸利用同軸饋線，而天線模型中短路金屬片寬度W就影響著諧振頻率，短路金屬片寬度越大諧振頻率越高。換言之，如果諧振頻率一樣，那么短路金屬片越窄，輻射金屬片也越小。另外，天線諧振頻率還受輻射金屬片寬度W1、長度L1，輻射金屬片高度H的影響。在PIFA天線中輻射金屬片的高度H對帶寬有實質(zhì)性影響，高度H增高天線帶寬也會增大。為了帶寬和性能考慮天線高度應(yīng)大于7mm，不能低于6mm，我們這個天線設(shè)定的高度H為10.0mm。此外，短路金屬片寬度W對帶寬也有一定影響。本天線采用的基板材料為普通FR4板，基板厚度0.8mm，介電常數(shù)4.4，中心頻率取1900MHz和3.45GHz。天線尺寸計算公式為：(11）（12）（13）（14）式中L1為輻射金屬片長度，W1為輻射金屬片的寬度，為相對介電常數(shù)，為介質(zhì)介電常數(shù)，為縫隙等效長度，為天線中心頻率。通過介電常數(shù)和中心頻率就可初步算出天線的大體尺寸。使用HFSS仿真軟件設(shè)計的天線結(jié)構(gòu)模型如圖8、圖9所示圖8天線立體結(jié)構(gòu)圖圖9天線俯視圖整個天線主要有五部分組成：接地平面，輻射金屬片，短路金屬片，同軸饋線和介質(zhì)支架。其中，接地平面、輻射金屬片、短路金屬片都是采用的金屬銅，3.3仿真和測試1.新建設(shè)計工程運(yùn)行HFSS并新建工程，將工程名保存為PIFA.hfss。然后為工程設(shè)置求解類型為驅(qū)動求解，為當(dāng)前的設(shè)計設(shè)置建模時所使用得當(dāng)默認(rèn)長度單位mm。2.定義和添加設(shè)計所需要的變量表1變量定義變量意義變量名變量初始值天線高度H10mm輻射金屬片長度L123mm輻射金屬片寬度W118mm接地平面頂點(diǎn)x坐標(biāo)Xg10mm接地平面頂點(diǎn)y坐標(biāo)Yg5mm接地平面長度Lg120mm接地平面寬度Wg60mm同軸饋線的x軸圓心坐標(biāo)XfW1/2同軸饋線的y軸圓心坐標(biāo)Yf5mm短路金屬片到輻射金屬片上邊緣的距離Xs0短路金屬片的寬度SW6mm同軸饋線內(nèi)芯半徑r10.25mm同軸饋線外徑r20.59mm3.添加新的介質(zhì)材料然后將其命名為foam。在設(shè)計中，輻射金屬片的支架使用的是具有較低介電常數(shù)的Rohacell射頻泡沫，它的相對介電常數(shù)為，損耗正切。4.PIFA天線建模設(shè)計在設(shè)計中將系統(tǒng)的坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置為輻射金屬片的頂點(diǎn)，接地平面、輻射金屬片和短路金屬片都設(shè)置為不考慮厚度的金屬銅，再按照先后順序分別創(chuàng)建輻射金屬片、接地平面、短路金屬片、射頻泡沫支架以及同軸饋線。創(chuàng)建好之后設(shè)置好邊界條件。5.設(shè)置激勵端口本設(shè)計的PIFA天線是通過同軸線饋電的，因此使用波端口激勵方式。6.創(chuàng)建和設(shè)置輻射邊界設(shè)置一個長方體模型的表面為輻射表面7.仿真求解設(shè)置8.掃頻設(shè)置9.查看仿真結(jié)果圖10回波損耗S11的掃頻分析結(jié)果從圖10中可以看出，天線的諧振頻率約為1.9GHz，10dB帶寬約為257MHz（1.828GHz～2.085GHz），即相對帶寬約為13.5%。滿足4G（1880～1920MHz）頻段的工作要求。圖11輸入阻抗結(jié)果報告從圖11可以看出，在中心頻率1.9GHz時，天線的輸入阻抗為（65+j18）Ω。圖12Smith圓圖顯示的歸一化輸入阻抗結(jié)果報告10.在4G單頻天線的輻射金屬片上加開一個U形槽形成相對獨(dú)立兩個電流回路，以實現(xiàn)PIFA天線在兩個頻段下的工作。在U型槽下，長度為L1、寬度W1的矩形金屬片為輻射元一，諧振出低頻諧振頻率f1；輻射元二為長度為L2_slot、寬度為L1_slot的矩形金屬片,諧振出高頻諧振頻率f2。低頻諧振頻率f1和高頻諧振頻率f2可以分別用公式15、16估算：（15）（16）實現(xiàn)在5G頻段的工作，理論上來講U形槽長度和寬度之和應(yīng)約為1/4個工作波長，但是實際設(shè)計中諧振頻率會隨著天線高度、短路金屬片寬度、U形槽位置變化而受到影響，因而沒有一組準(zhǔn)確的理論值，通過不斷的調(diào)試最終確定U形槽開槽寬度為，U型槽長度，寬度的天線性能比較理想，故取這一組數(shù)據(jù)。在原來的PIFA模型的基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行，在輻射金屬貼片上開出所需的U形槽。首先要在原天線模型的基礎(chǔ)上添加新的設(shè)計變量。然后在輻射貼片上創(chuàng)建三個矩形面組成U形槽的形狀，然后執(zhí)行合并操作，將三個矩形面合并成一個整體，然后再與輻射金屬貼片執(zhí)行相減操作完成U形槽。開槽后的天線模型如圖、圖所示。圖立體圖圖俯視圖然后對求解設(shè)置進(jìn)行修改。右鍵單擊工程樹下的Analysis，選中AnalysisAll命令，開始執(zhí)行一個仿真計算。以下是仿真結(jié)果分析：4.總結(jié)與展望本文首先介紹了手機(jī)天線研究的學(xué)術(shù)背景和重要意義，介紹了手機(jī)天線的發(fā)展歷史與研究現(xiàn)狀。第二章里主要介紹了手機(jī)天線研究需要理解的參數(shù)和性能指標(biāo)，以及設(shè)計手機(jī)天線的幾種手段。在第三章設(shè)計并構(gòu)建了能工作于4G和5G雙頻的PIFA手機(jī)天線，并將設(shè)計好的模型進(jìn)行了仿真和結(jié)果分析。這一個手機(jī)天線是采用開槽方式來控制和增加各個回路的電流運(yùn)行路徑,在輻射貼片上繪制出一U形的開槽,從而使其達(dá)到了雙頻的特點(diǎn)，并通過不斷的調(diào)整開槽的尺寸和位置，使之能達(dá)到規(guī)定的工作頻率，最終能夠滿足在移動終端使用。這種無線天線由于其體積相對較小,便于實現(xiàn)集成與加工,而且其成本低廉,可以廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代移動通訊的終端。但本次研究由于時間和技術(shù)受限，仍然有許多不足之處，希望在未來能有更大的進(jìn)步，可以找到其他的設(shè)計思路，設(shè)計出更多符合現(xiàn)階段需求的天線結(jié)構(gòu)，并找出最優(yōu)設(shè)計，取得更好的結(jié)果。參考文獻(xiàn)王曉成.5G小型化寬帶手機(jī)天線的研究與設(shè)計[D].2020.秦淼.手機(jī)天線設(shè)計與優(yōu)化的研究[D].2009.高雅.小型化多頻段手機(jī)天線的研究與設(shè)計[D].2016.劉會美.手機(jī)天線的小型化與多頻段設(shè)計[D].2018.楊明.小型化多頻段寬帶4G/5G手機(jī)天線和基