【5G手機終端的天線設計及優(yōu)化分析12000字】

[9]。我們可以根據圖2.8(a)所示經典微帶天線輻射圖，一般地微帶輻射貼片天線我們可以利用傳輸模型對其性能進行分析，已知輻射貼片的長度L等于λ/2，它的寬度定義為W、介質板厚度為H。圖2.8（b）所示為微帶天線電場分布圖，我們對介質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。圖2.8微帶天線輻射原理圖對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。而對于微帶饋電來說，其大致又有兩種方式，根據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。當我們改變饋電線位置的時候，天線的輸入阻抗也會隨之變化。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換器以便實現(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板的背部，同軸饋線將激勵添加到輻射貼片中，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天線，人們針對微帶天線帶寬較窄的缺點已經做出了諸多優(yōu)化，在介質板方面我們可以采用比較厚的介質基板，還可以采用介電常數(shù)比較低的材料來增大它的帶寬，而在它的結構布局方面，我們可以添加阻抗匹配網絡來增加。對于微帶天線的設計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定義介質板的介電常數(shù)εrw=式中，c是光速。輻射貼片長度為λe2；介質導波波長為λ由于實際應用中存在邊緣縮短效應的影響，因此在實際中應用的輻射單元的長度為：λ式中，εe是介質板有效介電常數(shù)，△ε△L=0.412h式中，h為介質基板的高度。35G手機天線設計3.1天線設計背景現(xiàn)代我國5G手機天線的主流應用還是在低頻階段，即在室內使用的3.3G-3.4GHz頻段和使用情況由通信運營商決定的4.8G-5.0GHz頻段，而國際上對于5G高頻頻段的應用已經十分廣泛，因此對于5G高頻頻段的天線設計具有重要的現(xiàn)實意義。本章基于國際上主流高頻天線的使用頻率——28GHz，設計研究了一款主流中心頻率在28GHz的5G手機天線，其工作頻帶范圍為27-29GHz。這款天線是由八個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)在他已經被ANSYS公司所收購。HFSS是最早的應用于商業(yè)化的電磁仿真軟件，而且是行業(yè)內設計和分析三維電磁場的標桿。該軟件不僅為用戶呈現(xiàn)了一個簡單干凈的操作界面。而且擁有電性能處理分析器，可以進行自適應場的嚴密求解。該軟件在天線設計領域同樣性能優(yōu)秀，它可以計算回波損耗、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可以計算開邊界問題和電磁場數(shù)值解、遠近場的輻射問題、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計部分，是當下使用范圍最廣的設計軟件。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計所需要的所有仿真功能，它能夠正確仿真計算天線性能，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計3.3.1天線單元基本結構微帶偶極子天線作為本節(jié)所設計陣列天線的天線單元，圖3.1所示為天線單元的結構設計圖，偶極子單元的整體尺寸大小為5mm×3mm×0.8mm。整個天線的構成部分總共分為三塊，介質基板FR4的介電常數(shù)εr為4.4，損耗正切tanδ=0.02，在介質板的正上方是微帶饋線和偶極子的一個輻射臂，它的底部是接地板、微帶饋線和偶極子另一個輻射臂，偶極子天線臂的臂長為2.1mm，它的長度大致為諧振頻點28GHz工作波長λ的0.196倍，即0.196λ。針對于天線單元的設計，我們采用了結構較為簡單的微帶天線和偶極子天線的結合，最終確定其結構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）計算出了如表3.1?表3.1天線單元的結構參數(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刻，建立立體模型。由于天線總共分為三個模塊，我們先建立立體的介質基板（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。由于在實際應用中有空氣介質的影響，所以我們要在天線外部加一個空氣盒子，針對天線模型，筆者采用一鍵生成的快捷建立方式，右鍵點擊工程欄里邊Model，選擇CreateOpenRegion，這樣就依據建立的模型自動生成了介質為真空的空氣盒子。如圖3.2所示。圖3.3所示為天線設計尺寸。（a）立體圖（b）俯視圖圖3.2偶極子天線單元結構圖（單位：mm）圖3.3天線結構尺寸參數(shù)3.3.2天線單元設計仿真建立完模型之后，在HFSS軟件進行仿真分析，得到天線的S參數(shù)和方向圖。由圖3.4可以看出，該天線的工作頻點在27GHz，這與我們所期待的工作頻點28GHz偏差了1GHz。因此，該天線還需要進一步進行優(yōu)化設計。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。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計3.4.1天線陣基本結構本節(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所示是該天線的結構圖。該天線陣列總共由八個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，如果間距過大又會對天線陣的波束掃描特性有一定的影響，因此這個間距是非常難以把控的，經過大量數(shù)據的實驗與分析，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的時候，這款天線陣列的工作帶寬為26.9-30.3GHz，這個值是滿足我們所期望的工作帶寬27-29GHz的，而且在此段帶寬內天線單元的隔離度非常好，都比15（a）立體結構（b）正面（c）背面圖3.6一維偶極子線性相陣結構圖3.4.2天線陣設計仿真我們可以在一般手機天線應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現(xiàn)空間波束的掃描，經實驗分析該款天線適用于5.3-inch的智能手機，我們通過改變相鄰偶極子單元之間的饋電相位差來實現(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，滿足天線設計的需求。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)化過程在天線設計的初級階段，確定其尺寸時有很多參數(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)化設計模塊，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La從2.0mm增大到2.2mm時，其中心諧振頻率從28.8GHz減小到了27.3GHz，達到我們所需要的諧振頻率28GHz時對應La的大小為2.1mm，其主要原因是因為當偶極子天線的輻射臂的長度增加時，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的變化關系，從圖中可以看到，當偶極子天線輻射臂的寬度Wa為0.2mm時天線的諧振頻率是28.4GHz，當Wa等于0.3mm時天線的諧振頻率的大小為28GHz，而當Wa的大小變?yōu)?.4mm時，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的變化對天線S參數(shù)的影響如圖4.3所示，我們可以看到當Hg從1.1mm增加到13.mm時，天線的諧振頻率基本沒有變化，當Hg為1.1mm時諧振頻率為27.8GHz，Hg等于1.2mm時諧振頻率為28GHz，而當Hg增大到1.3mm時，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)化設計，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，這與天線設計需求相符。因此優(yōu)化后的天線達到了設計的初期要求。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，因此天線單元之間存在不可忽略的輻射影響，因此對該陣列天線的優(yōu)化十分重要。微帶饋電帶對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時天線的諧振頻率由28.3GHz降低到了27.5GHz?？梢姰擫1為1.82mm時工作頻點最接近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Wa從0.2mm增大到0.4mm時，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對天線陣S參數(shù)影響不大。同樣圖4.10所示是La變化所對應的S參數(shù)曲線，La從2mm增大到3mm時天線的諧振頻率由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)化結果我們通過以上的Optimetrics優(yōu)化設計模塊對天線參數(shù)進行優(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，然后根據設計要求，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S11<-10dB的時候，該天線的工作帶寬為26.9-29.8GHz，其結果充分滿足本款天線帶寬的設計要求。圖4.12表4.1優(yōu)化后天線陣結構參數(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總結與展望5.1本文工作總結本文通過分析現(xiàn)有的移動通信系統(tǒng)的天線技術，回顧與總結了移動通信系統(tǒng)的發(fā)展史與進化史，對此前的2G系統(tǒng)到現(xiàn)在的5G系統(tǒng)都做了相關特點的介紹與說明。并根據國內外的研究現(xiàn)狀以及現(xiàn)代移動通信技術的發(fā)展和天線的進化歷程，闡明了本篇論文的設計目的與設計任務。在5G技術飛速發(fā)展的當下具有多頻段、小型化、寬帶化等特點的天線在移動終端應用普遍。因此本文基于有限元三維電磁仿真軟件設計出了一款5G移動終端天線，并利用數(shù)值計算仿真分析其方向圖、增益等電磁輻射性能，而且對設計天線進行了優(yōu)化，最終使得所設計的天線滿足5G移動終端的應用需求。本文首先介紹了天線的相關性能參數(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一步闡述分析了參數(shù)對天線性能的影響。分別對現(xiàn)代手機的常用天線模型做了詳細的介紹，其中包括單極子天線和微帶天線等。根據其不同的形狀、構成、設計原理以及適用范圍作了詳盡的說明。在這些基礎知識以及現(xiàn)代移動通信技術發(fā)展的促進下，本文設計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，其結合了微帶天線和偶極子天線的優(yōu)勢，采用了三層輻射貼片的形式，將8個天線單元按照一定的間距進行一維線性排列，并優(yōu)化了其部分參數(shù)，最終達到了它實現(xiàn)寬角域波束掃描的功能。實現(xiàn)了能夠應用于5G手機的高頻移動終端天線的設計。5.2對未來工作展望當代在移動通信系統(tǒng)技術方面的發(fā)展腳步已日漸加快，雖然本文所設計的5G高頻手機天線可以滿足現(xiàn)代大部分手機的設計需求，但是由于知識與理論的進步，其在面向未來手機的應用前景還十分令人擔憂，有些細節(jié)設計也不是非常完美，在今后的學習與工作要做到以下改進：1.本文設計只針對了5G高頻手機天線的應用，對于5G低頻天線的應用設計沒有深入研究，在今后也應該致力于5G低頻天線的研究。2.本文設計只是關注了5G手機的天線設計，對于普遍使用的4G也沒有結合進來，因此在之后的設計中應該嘗試把4G頻段和GPS等其他天線整合到設計中。3.由于時間以及現(xiàn)有條件限制，本文所設計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，在以后的設計學習中應該更加注重實踐與理論的結合。

參考文獻ZhouyuePi,FarooqKhan.Anintroductiontomillimeter-wavemobilebroadbandsystems.IEEECommunicationsMagazine,2011,49(6):101-107ZhouJS,WangYF,ChangL,etal.Compactcoupled-fedprintedantennaforeight-bandWWAN/WLAN/WiMAXinternalmobilephone[J].ProceedingsofthethirdAsia-PacificConferenceonAntennasandPropagation,2014:363-366.王小川,呂文中,梁飛等.彎折線天線原理,結構