【5G手機(jī)終端的天線設(shè)計(jì)及優(yōu)化分析12000字】

[9]。我們可以根據(jù)圖2.8(a)所示經(jīng)典微帶天線輻射圖，一般地微帶輻射貼片天線我們可以利用傳輸模型對(duì)其性能進(jìn)行分析，已知輻射貼片的長度L等于λ/2，它的寬度定義為W、介質(zhì)板厚度為H。圖2.8（b）所示為微帶天線電場分布圖，我們對(duì)介質(zhì)板兩端的電場做一分解，可以得到垂直部分和水平部分兩個(gè)分量，其中垂直部分等幅反向，水平部分等幅同向。我們又可以把水平部分的分量等效為圖2.8（c）所示的輻射激勵(lì)。圖2.8微帶天線輻射原理圖對(duì)于微帶天線的饋電方式來說，在眾多的饋電方式中，同軸饋電和微帶饋電是其最常用的饋電方式。而對(duì)于微帶饋電來說，其大致又有兩種方式，根據(jù)其饋電線位置的不同分為中心饋電和偏心饋電如圖2.9所示。當(dāng)我們改變饋電線位置的時(shí)候，天線的輸入阻抗也會(huì)隨之變化。一般來講，大部分饋線和天線是不能完全匹配的，因此我們需要在它們中間加一段波阻轉(zhuǎn)換器以便實(shí)現(xiàn)二者的匹配。圖2.9微帶線饋電形式與微帶饋電相比同軸饋電是在介質(zhì)板的背部，同軸饋線將激勵(lì)添加到輻射貼片中，和微帶饋電相同的是，通過改變同軸饋電的位置也會(huì)影響天線的輸入阻抗。如圖2.10是同軸饋電示意圖。圖2.10同軸線饋電形式作為目前一款主流手機(jī)天線，人們針對(duì)微帶天線帶寬較窄的缺點(diǎn)已經(jīng)做出了諸多優(yōu)化，在介質(zhì)板方面我們可以采用比較厚的介質(zhì)基板，還可以采用介電常數(shù)比較低的材料來增大它的帶寬，而在它的結(jié)構(gòu)布局方面，我們可以添加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)來增加。對(duì)于微帶天線的設(shè)計(jì)來說輻射貼片的估算是尤為重要的，在確定天線基地的同時(shí)定義介質(zhì)板的介電常數(shù)εrw=式中，c是光速。輻射貼片長度為λe2；介質(zhì)導(dǎo)波波長為λ由于實(shí)際應(yīng)用中存在邊緣縮短效應(yīng)的影響，因此在實(shí)際中應(yīng)用的輻射單元的長度為：λ式中，εe是介質(zhì)板有效介電常數(shù)，△ε△L=0.412h式中，h為介質(zhì)基板的高度。35G手機(jī)天線設(shè)計(jì)3.1天線設(shè)計(jì)背景現(xiàn)代我國5G手機(jī)天線的主流應(yīng)用還是在低頻階段，即在室內(nèi)使用的3.3G-3.4GHz頻段和使用情況由通信運(yùn)營商決定的4.8G-5.0GHz頻段，而國際上對(duì)于5G高頻頻段的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，因此對(duì)于5G高頻頻段的天線設(shè)計(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本章基于國際上主流高頻天線的使用頻率——28GHz，設(shè)計(jì)研究了一款主流中心頻率在28GHz的5G手機(jī)天線，其工作頻帶范圍為27-29GHz。這款天線是由八個(gè)微帶偶極子天線單元組合而成，將他們擺成一維線性陣列。我們可以把天線陣列放在地板的上邊或者下邊，利用改變天線單元的輸入相位差來實(shí)現(xiàn)陣列天線的掃描功能。3.2HFSS軟件介紹說明HFSS（HighFrequencyStructureSimulator）作為Ansoft公司推出的三維電磁仿真軟件,截至現(xiàn)在他已經(jīng)被ANSYS公司所收購。HFSS是最早的應(yīng)用于商業(yè)化的電磁仿真軟件，而且是行業(yè)內(nèi)設(shè)計(jì)和分析三維電磁場的標(biāo)桿。該軟件不僅為用戶呈現(xiàn)了一個(gè)簡單干凈的操作界面。而且擁有電性能處理分析器，可以進(jìn)行自適應(yīng)場的嚴(yán)密求解。該軟件在天線設(shè)計(jì)領(lǐng)域同樣性能優(yōu)秀，它可以計(jì)算回波損耗、方向性、駐波比、增益，還可以繪制軸比、圓極化場分量、球形場分量。圖3.1HFSS軟件操作界面圖HFSS可以計(jì)算開邊界問題和電磁場數(shù)值解、遠(yuǎn)近場的輻射問題、端口特征阻抗和傳輸常數(shù)以及S參數(shù)。HFSS軟件包含了所有天線的高頻設(shè)計(jì)部分，是當(dāng)下使用范圍最廣的設(shè)計(jì)軟件。如圖3.1是HFSS軟件操作界面圖。HFSS軟件能夠全面提供天線設(shè)計(jì)所需要的所有仿真功能，它能夠正確仿真計(jì)算天線性能，包括增益、電壓駐波比、S參數(shù)等。3.3微帶偶極子天線單元設(shè)計(jì)3.3.1天線單元基本結(jié)構(gòu)微帶偶極子天線作為本節(jié)所設(shè)計(jì)陣列天線的天線單元，圖3.1所示為天線單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，偶極子單元的整體尺寸大小為5mm×3mm×0.8mm。整個(gè)天線的構(gòu)成部分總共分為三塊，介質(zhì)基板FR4的介電常數(shù)εr為4.4，損耗正切tanδ=0.02，在介質(zhì)板的正上方是微帶饋線和偶極子的一個(gè)輻射臂，它的底部是接地板、微帶饋線和偶極子另一個(gè)輻射臂，偶極子天線臂的臂長為2.1mm，它的長度大致為諧振頻點(diǎn)28GHz工作波長λ的0.196倍，即0.196λ。針對(duì)于天線單元的設(shè)計(jì)，我們采用了結(jié)構(gòu)較為簡單的微帶天線和偶極子天線的結(jié)合，最終確定其結(jié)構(gòu)為三層疊加的微帶偶極子天線。利用麥克斯韋方程組式（3.1）計(jì)算出了如表3.1?表3.1天線單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)（單位：mm）參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值H0.8Wa0.3Hg1.2L12.1La2.1L5W3打開HFSS軟件，選擇建立DrivenModal模型，確定該模型的使用單位為：mm。在材料庫中添加本文所介紹的FR4材料（εr=4.4，tanδ=0.02），然后將自定義變量和值輸入Design現(xiàn)在就到了最重要的時(shí)刻，建立立體模型。由于天線總共分為三個(gè)模塊，我們先建立立體的介質(zhì)基板（5×3×0.8），然后在其頂部添加輻射帶和偶極子臂，利用鏡像加位移法在底部添加另一個(gè)輻射帶和偶極子臂，在底部創(chuàng)建接地板并利用整合法將其與底部的偶極子臂合并。這樣我們就建立起了如圖3.1所示的天線單元模型。由于在實(shí)際應(yīng)用中有空氣介質(zhì)的影響，所以我們要在天線外部加一個(gè)空氣盒子，針對(duì)天線模型，筆者采用一鍵生成的快捷建立方式，右鍵點(diǎn)擊工程欄里邊Model，選擇CreateOpenRegion，這樣就依據(jù)建立的模型自動(dòng)生成了介質(zhì)為真空的空氣盒子。如圖3.2所示。圖3.3所示為天線設(shè)計(jì)尺寸。（a）立體圖（b）俯視圖圖3.2偶極子天線單元結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）圖3.3天線結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)3.3.2天線單元設(shè)計(jì)仿真建立完模型之后，在HFSS軟件進(jìn)行仿真分析，得到天線的S參數(shù)和方向圖。由圖3.4可以看出，該天線的工作頻點(diǎn)在27GHz，這與我們所期待的工作頻點(diǎn)28GHz偏差了1GHz。因此，該天線還需要進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。而天線的駐波比在28GHz是大于3的。這說明駐波比正常，只需要優(yōu)化工作頻點(diǎn)。圖3.4天線單元的回波損耗圖3.5天線單元的駐波比3.4寬角域波束掃描偶極子天線陣設(shè)計(jì)3.4.1天線陣基本結(jié)構(gòu)本節(jié)所講述的微帶偶極子天線線陣是由上節(jié)所講述的天線單元按照一定的排列間距組合而成的一維偶極子線性相控陣列，如圖3.6所示是該天線的結(jié)構(gòu)圖。該天線陣列總共由八個(gè)微帶偶極子天線單元組成，它的尺寸為43.5mm×3mm。正如我們都知道的是，想要減小偶極子單元之間的相互耦合，我們就要采用增大它們之間的間距，這里比較困難的是，如果間距過大又會(huì)對(duì)天線陣的波束掃描特性有一定的影響，因此這個(gè)間距是非常難以把控的，經(jīng)過大量數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)與分析，最終選定了5.5mm作為偶極子天線單元之間的間距。它的長度為天線在28GHz諧振波長的一半，即0.5λ。我們把該天線的S參數(shù)作仿真分析，如圖3.7是偶極子陣列天線的S參數(shù)分析圖。在圖中可以看出在S11<-10dB的時(shí)候，這款天線陣列的工作帶寬為26.9-30.3GHz，這個(gè)值是滿足我們所期望的工作帶寬27-29GHz的，而且在此段帶寬內(nèi)天線單元的隔離度非常好，都比15（a）立體結(jié)構(gòu)（b）正面（c）背面圖3.6一維偶極子線性相陣結(jié)構(gòu)圖3.4.2天線陣設(shè)計(jì)仿真我們可以在一般手機(jī)天線應(yīng)用中將該一維線性相控陣天線放置在地板的頂部或者底部，這樣就方便于我們來實(shí)現(xiàn)空間波束的掃描，經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析該款天線適用于5.3-inch的智能手機(jī)，我們通過改變相鄰偶極子單元之間的饋電相位差來實(shí)現(xiàn)天線陣波束的掃描。如圖3.7是該天線的S參數(shù)曲線圖，可見其諧振頻率在28.5GHz，與筆者理想的諧振點(diǎn)還存在偏差，因此需要作優(yōu)化分析。如圖3.8是該款天線的駐波比分析圖。由圖可知其在27-29GHz的頻帶上的數(shù)值均小于3，滿足天線設(shè)計(jì)的需求。圖3.7天線陣S參數(shù)仿真圖圖3.8駐波比分析圖

45G手機(jī)天線優(yōu)化4.1微帶偶極子天線單元優(yōu)化4.1.1天線單元優(yōu)化過程在天線設(shè)計(jì)的初級(jí)階段，確定其尺寸時(shí)有很多參數(shù)直接影響了天線性能，分別是輻射臂的長度La和輻射臂的寬度Wa，還有接地板的高度Hg。通過采用HFSS軟件的Optimetrics優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，最終得到了確保天線性能的最佳參數(shù)數(shù)值，保證了在天線的諧振頻段27-29GHz的工作范圍。下圖為修正天線參數(shù)時(shí)得到的S參數(shù)的變化曲線圖。我們可以從圖4.1中看出，天線S參數(shù)的中心頻率隨著La的增大逐漸減小，當(dāng)La從2.0mm增大到2.2mm時(shí)，其中心諧振頻率從28.8GHz減小到了27.3GHz，達(dá)到我們所需要的諧振頻率28GHz時(shí)對(duì)應(yīng)La的大小為2.1mm，其主要原因是因?yàn)楫?dāng)偶極子天線的輻射臂的長度增加時(shí)，加大了天線的諧振波長，而天線的諧振頻率卻是隨著波長的增大而減小，因此其諧振頻率逐漸降低。那么如圖4.2所示，則是S參數(shù)與偶極子臂寬度Wa的變化關(guān)系，從圖中可以看到，當(dāng)偶極子天線輻射臂的寬度Wa為0.2mm時(shí)天線的諧振頻率是28.4GHz，當(dāng)Wa等于0.3mm時(shí)天線的諧振頻率的大小為28GHz，而當(dāng)Wa的大小變?yōu)?.4mm時(shí)，天線的諧振頻率下降到27.7GHz，我們知道，增加輻射臂的寬度可以加大輻射臂的有效長度，從而降低天線諧振頻率。地面高度Hg的變化對(duì)天線S參數(shù)的影響如圖4.3所示，我們可以看到當(dāng)Hg從1.1mm增加到13.mm時(shí)，天線的諧振頻率基本沒有變化，當(dāng)Hg為1.1mm時(shí)諧振頻率為27.8GHz，Hg等于1.2mm時(shí)諧振頻率為28GHz，而當(dāng)Hg增大到1.3mm時(shí)，天線的諧振頻率變成了27.9GHz，但是諧振的深度卻隨著它的變化越來越深。圖4.2天線S參數(shù)隨Wa變化曲線圖4.3天線S參數(shù)隨Hg變化曲線4.1.2天線單元優(yōu)化結(jié)果通過上一節(jié)的優(yōu)化分析最終得到如下所示的天線參數(shù)。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，天線的S參數(shù)諧振頻率為28GHz，在26.8GHz-29.4GHz的工作頻帶之間S11<-10dB，其在工作頻率的駐波比也小于3，這與天線設(shè)計(jì)需求相符。因此優(yōu)化后的天線達(dá)到了設(shè)計(jì)的初期要求。優(yōu)化完成。圖4.6圖4.4優(yōu)化后天線的S參數(shù)圖4.5優(yōu)化后天線單元的駐波比圖4.6優(yōu)化后天線的三維方向增益圖4.2寬角域波束掃描偶極子天線陣優(yōu)化4.2.1天線陣優(yōu)化過程由于陣列天線單元之間無隔絕材質(zhì)，因此天線單元之間存在不可忽略的輻射影響，因此對(duì)該陣列天線的優(yōu)化十分重要。微帶饋電帶對(duì)天線的性能影響也非常巨大，如圖4.7所示，該圖仿真了L1從1.75mm-1.9mm時(shí)天線的諧振頻率由28.3GHz降低到了27.5GHz?？梢姰?dāng)L1為1.82mm時(shí)工作頻點(diǎn)最接近28GHz，如圖4.8是天線S參數(shù)隨著Hg變化的曲線，如圖4.9所示，當(dāng)Wa從0.2mm增大到0.4mm時(shí)，天線的諧振頻率從28.3GHz下降到了27.8GHz，由于步長為0.01mm，因此可見Wa對(duì)天線陣S參數(shù)影響不大。同樣圖4.10所示是La變化所對(duì)應(yīng)的S參數(shù)曲線，La從2mm增大到3mm時(shí)天線的諧振頻率由29.3GHz下降到了27.4GHz。圖4.7天線S參數(shù)隨L1變化曲線圖4.8天線S參數(shù)隨Hg變化曲線圖4.9天線S參數(shù)隨Wa變化曲線圖4.10天線S參數(shù)隨La變化曲線4.2.2天線陣優(yōu)化結(jié)果我們通過以上的Optimetrics優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊對(duì)天線參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化以后最終確定了微帶偶極子天線陣的尺寸如表4.1所示，然后根據(jù)設(shè)計(jì)要求，仿真分析得到如圖4.11所示S參數(shù)曲線圖。我們可以從圖中看出當(dāng)S11<-10dB的時(shí)候，該天線的工作帶寬為26.9-29.8GHz，其結(jié)果充分滿足本款天線帶寬的設(shè)計(jì)要求。圖4.12表4.1優(yōu)化后天線陣結(jié)構(gòu)參數(shù)（單位：mm）參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值H0.8Wa0.3Hg1.3L11.75La2.14L243.5圖4.11優(yōu)化后天線陣S參數(shù)曲線圖4.12優(yōu)化后天線陣駐波比

5總結(jié)與展望5.1本文工作總結(jié)本文通過分析現(xiàn)有的移動(dòng)通信系統(tǒng)的天線技術(shù)，回顧與總結(jié)了移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展史與進(jìn)化史，對(duì)此前的2G系統(tǒng)到現(xiàn)在的5G系統(tǒng)都做了相關(guān)特點(diǎn)的介紹與說明。并根據(jù)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀以及現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展和天線的進(jìn)化歷程，闡明了本篇論文的設(shè)計(jì)目的與設(shè)計(jì)任務(wù)。在5G技術(shù)飛速發(fā)展的當(dāng)下具有多頻段、小型化、寬帶化等特點(diǎn)的天線在移動(dòng)終端應(yīng)用普遍。因此本文基于有限元三維電磁仿真軟件設(shè)計(jì)出了一款5G移動(dòng)終端天線，并利用數(shù)值計(jì)算仿真分析其方向圖、增益等電磁輻射性能，而且對(duì)設(shè)計(jì)天線進(jìn)行了優(yōu)化，最終使得所設(shè)計(jì)的天線滿足5G移動(dòng)終端的應(yīng)用需求。本文首先介紹了天線的相關(guān)性能參數(shù)，講述了天線的方向圖和輻射增益的原理及其特性，接著從方向性系數(shù)、效率、增益和極化等方面進(jìn)一步闡述分析了參數(shù)對(duì)天線性能的影響。分別對(duì)現(xiàn)代手機(jī)的常用天線模型做了詳細(xì)的介紹，其中包括單極子天線和微帶天線等。根據(jù)其不同的形狀、構(gòu)成、設(shè)計(jì)原理以及適用范圍作了詳盡的說明。在這些基礎(chǔ)知識(shí)以及現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展的促進(jìn)下，本文設(shè)計(jì)了一款基于微帶偶極子天線單元的八單元一維線性相控陣5G高頻天線：以微帶偶極子天線單元為基礎(chǔ)，其結(jié)合了微帶天線和偶極子天線的優(yōu)勢(shì)，采用了三層輻射貼片的形式，將8個(gè)天線單元按照一定的間距進(jìn)行一維線性排列，并優(yōu)化了其部分參數(shù)，最終達(dá)到了它實(shí)現(xiàn)寬角域波束掃描的功能。實(shí)現(xiàn)了能夠應(yīng)用于5G手機(jī)的高頻移動(dòng)終端天線的設(shè)計(jì)。5.2對(duì)未來工作展望當(dāng)代在移動(dòng)通信系統(tǒng)技術(shù)方面的發(fā)展腳步已日漸加快，雖然本文所設(shè)計(jì)的5G高頻手機(jī)天線可以滿足現(xiàn)代大部分手機(jī)的設(shè)計(jì)需求，但是由于知識(shí)與理論的進(jìn)步，其在面向未來手機(jī)的應(yīng)用前景還十分令人擔(dān)憂，有些細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)也不是非常完美，在今后的學(xué)習(xí)與工作要做到以下改進(jìn)：1.本文設(shè)計(jì)只針對(duì)了5G高頻手機(jī)天線的應(yīng)用，對(duì)于5G低頻天線的應(yīng)用設(shè)計(jì)沒有深入研究，在今后也應(yīng)該致力于5G低頻天線的研究。2.本文設(shè)計(jì)只是關(guān)注了5G手機(jī)的天線設(shè)計(jì)，對(duì)于普遍使用的4G也沒有結(jié)合進(jìn)來，因此在之后的設(shè)計(jì)中應(yīng)該嘗試把4G頻段和GPS等其他天線整合到設(shè)計(jì)中。3.由于時(shí)間以及現(xiàn)有條件限制，本文所設(shè)計(jì)的天線沒有附加金屬邊框和沒有考慮天線具體的使用環(huán)境的影響，在以后的設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)中應(yīng)該更加注重實(shí)踐與理論的結(jié)合。

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