PIFA天线的课设报告.docx

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PIFA天线的课设报告

沈阳航空航天大学

综合课程设计

平面倒F天线（PIFA）的设计

班级xxxxxxxx

学号xxxxxxxxxxxxx

学生姓名xxxxxx

指导教师xxxxxx

课程设计任务书

课程设计的内容及要求：

一、设计说明

设计一个GSM900单频PIFA天线（如图一所示）。

利用HFSS软件，设计PIFA天线工作于GSM900频段，对于GSM900工作频段来说，信号上行频率范围为880MHz~915MHz，下行频率范围为925MHz~960MHz。

图一PIFA天线基本结构

二、设计要求

1.掌握平面倒F天线的实现原理；

2.天线中心频率为920MHz，回波损耗小于10dB的带宽大于80MHz

3.根据设计要求推导出GSM900单频PIFA天线的所需各性能参数值；

4．写出利用HFSS软件建立平面倒F天线模型的过程。

三、实验要求

1．根据技术指标，利用HFSS软件进行仿真计算

2．利用HFSS的数据后处理功能分别查看平面倒F天线的以下分析结果：

平面倒F天线的高度，短路金属片的宽度和接地平面的大小对天线工作频率和带宽的影响。

四、推荐参考资料

1.HFSS天线设计李明洋、刘敏、杨放电子工业出版社，2011年

2.HFSS电磁仿真设计从入门到精通李明洋、刘敏人民邮电出版社，2013年

3.AnsoftHFSS入门教程与仿真实例冯奎胜、李娜、李劲电子工业出版社，2013年

4.Ansoft12在工程电磁场中的应用赵博、张洪亮、等中国水利水电出版社，2010年

五、按照要求撰写课程设计报告

成绩评定表

评语、建议或需要说明的问题：

指导教师签字：

日期：

成绩

一、概述

本次课程设计任务为：

利用HFSS软件，设计PIFA天线工作于GSM900频段，对于GSM900工作频段来说，信号上行频段范围为880MHZ~915MHz，下行频率范围为925MHz~960MHz，天线工作的中心频率为920MHz，回波损耗小于10dB的带宽大于80MHz。

利用HFSS设计PIFA天线结构模型，整个天线结构大致可以分为接地平面，辐射金属片，短路金属片，同轴馈线和泡沫支架5部分。

接地平面，辐射金属片和短路金属片的材质都为金属铜。

接地平面位于最下方，天线的高度也是决定PIFA天线带宽的一个重要因素，为了让PIFA有足够的带宽，天线的高度在这里取为10mm。

而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0.25mm，外径为0.59mm。

为了固定辐射金属片，让辐射金属片和接地平面保持平行，这里我们在辐射金属片和接地平面之间填充介电常数较低的Rohacell射频泡沫。

其相对介电常数εr=1.06。

二、基本结构

PIFA天线是由倒L天线的变形而来的，如图1结构就是倒L天线，它由作为垂直元的短单极子和附加在单极子末端的水平单元组成。

图1中1是垂直单元，2是水平单元，3是馈电点，4是接地板。

由于倒L天线有一个低阻抗值，它基本上是在单极子末端加了一段水平线的垂直短单极子天线，天线的输入阻抗几乎等于短单极子天线加上与地面接近的水平线的电抗。

为了增加辐射电阻，在垂直单元的末端附加另一段倒L型线段，这一变形非常重要，因为倒F天线，不需要在天线和负载之间附加任何电路的情况下，调整它的几何尺寸就能使其输入阻抗具有与负载阻抗相匹配的值，这就是倒L型天线变形成倒F天线（IFA）的原由。

图2所示就是最简单和典型的倒F天线模型。

图1倒L天线模型

图2倒F天线（IFA）模型

线性的IFA天线是一种小尺寸天线，当辐射单元仅采用顶部的一个金属导线时辐射效果并不理想（辐射电阻小），为增大辐射电阻和提高辐射效率而采用顶部加载技术，将顶部的辐射线用辐射平面代替，从而形成平面辐射单元。

另一方面，当接地线和馈线仅仅为一条细线时，其等效的射频分布电感较大，而引线上的分布电容较小，这意味着天线具有较高的Q值和较窄的频带。

根据电小天线Q值和带宽的关系，增大带宽的途径就是降低Q值，因此将接地线和馈线用具有一定宽度的金属片取代可以增加分布电容和减小分布电感，从而增大天线带宽。

这样就形成了PIFA天线，其基本结构包括四个部分：

接地平面、辐射体、短路金属片（接地）和同轴馈线，其典型的结构如图3所示。

其中接地平面可以作为反射面，辐射体是与接地平面平行的金属片，短路金属片用来连接辐射体和接地平面，同轴馈线用于信号传输。

图3PIFA天线基本结构

三、定性结论

根据以上PIFA近似模型，已有不少文献中对PIFA天线进行近似分析，并得到很多有指导意义的结论。

假设分析采用典型的PIFA天线基本结构，其辐射体为一矩形铜片，铜片的长度（L），宽度（W）和天线的中心谐振频率f0。

1.PIFA天线的谐振频率公式满足以下近似关系：

其中c是真空中的光速,这公式也表明，矩形辐射体PIFA天线长边和宽边之和近似等于1/4。

2.辐射体和接地面之间的高度H对天线的工作带宽产生严重影响，带宽随着H的增加而增加。

PIFA天线中对带宽起决定作用的结构参数就是H。

一般天线中H不允许低于7mm，最好大于8mm，严禁低于6mm。

3.接地片的宽度也对带宽产生影响。

增加接地片的宽度将增加带宽，降低接地片的宽度将降低带宽。

4.改变馈电点的位置可以改变输入阻抗，因此可以通过改变馈点的位置实现频率调谐。

但是这种方法往往比较难以实现。

5.PIFA天线仅在半空间辐射，因此具有很高的前后比（6-8dB），比外置天线有较好的SAR值。

6.PIFA天线接地面的大小会影响天线的带宽。

最优接地面尺寸受PIFA天线辐射体尺寸的影响。

在手机设计中，GSM频段最优接地面的大小大致为40×120mm，DCS频段最优接地面大小大致为40×80mm，如接地面尺寸稍微偏离最优尺寸，则会使带宽略有下降。

四、设计与仿真

1．HFSS软件介绍和仿真流程软件介绍和仿真流程

HFSS是美国Ansoft公司开发的全波三维电磁仿真软件。

该软件采用有限元法，计算结果准确可靠，是业界公认的三维电磁场设计和分析的工业标准。

HFSS采用标准的Windows图形用户界面，简洁直观；自动化的设计流程，易学易用；稳定成熟的自适应网格剖分技术，结果准确。

使用HFSS，用户只需要创建或导入设计模型，指定模型材料属性，正确分配模型的边界条件和激励，准确定义求解设置，软件便可以计算并输入用户需要的设计结果。

下图4为HFSS用户使用操作界面图。

图4HFSS用户使用操作界面图

作为一款功能强大的三维电磁设计软件，HFSS可以为天线设计提供全面的解决方案。

使用HFSS可以仿真分析和优化设计各类，精确计算天线的各种性能，包括二维、三维远场和近场辐射方向图、天线的方向性系数、增益、轴比、半功率波瓣宽度、输入阻抗、电压驻波比、S参数以及电流分布特性等。

使用HFSS软件进行天线设计的设计流程如图5所示，下面简单介绍使用这个软件仿真天线的主要步骤：

图5HFSS天线设计流程

（1）设计求解类型。

HFSS中共有三种求解类型，分别是模式驱动求解（DrivenModal）、终端驱动求解（DrivenTerminal）和本征模求解（Eigenmode）。

使用HFSS天线设计时，通常选择模式驱动（DrivenModal）求解类型或者终端驱动（DrivenTerminal）求解类型。

其中，模式驱动求解类型是根据导波模式的入射和反射功率来计算S参数矩阵的解，终端驱动求解类型是根据传输线终端的电压和电流来计算S参数矩阵的解。

（2）创建天线的结构模型。

HFSS软件提供了一个简单易用的建模环境，从而可以准确、方便地创建出各种天线的结构模型，包括准确地设置天线模式的结构尺寸和正确地分配模型的材质。

另外，HFSS也可以直接导入由AutoCAD、Pro/E等第三方软件创建的结构模型。

另外，为了方便后续的参数扫描分析和优化设计，以及为了能够方便地更改设计模型的结构尺寸，在建模时可以定义一系列的变量来表示模型的物理尺寸。

（3）设置边界条件。

边界条件确定场，正确地设置边界条件是正确使用HFSS、仿真计算出准确结果的前提。

而且，灵活地使用边界条件还可以很好地降低模型的复杂度。

HFSS中定义了多种边界条件类型，分别为理想导体边界条件（PerfectE）、理想磁边界条件（PerfectH）、有限导体边界条件（FiniteConductivity）、辐射边界条件（Radiation）、对称边界条件（Symmetry）、阻抗边界条件（Impedance）、集总RLC边界条件（LumpedRLC）、无限地平面（InfiniteGroundPlane）、主从边界条件（MasterandSlave）、理想匹配层（PML）和分层阻抗边界条件（LayeredImpedance）。

天线设计中，最常用到的边界条件是理想导体边界条件（PerfectE）、有限导体边界条件（FiniteConductivity）、辐射边界条件（Radiation）和理想匹配层（PML）。

在HFSS中，与背景相接触的表面以及材质都被默认设置为理想导体边界（PerfectE）；为了模拟无限大的自由空间，在使用HFSS进行天线设计时，必须把与背景相接触的表面设置为辐射边界条件或理想匹配层（PML）边界条件，这样HFSS才会计算天线的远区辐射场。

（4）设置激励方式。

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（WavePort）、集总端口激励（LumpedPort）、Floquet端口激励（FloquetSource）、入射波激励（IncidentWave）、电压源激励（VoltageSource）、电流源激励（CurrentSource）和磁偏置激励（MagneticBias）。

天线必须通过传输线或者波导传输信号，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者集总端口激励。

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。

（5）设置求解参数。

HFSS软件采用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。

如果需要进行扫频分析，还需要设置扫频类型和扫频范围。

（6）运行求解分析。

上述操作完成后，即创建好天线模型，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。

整个仿真计算由HFSS软件自动完成，不需要用户干预。

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。

（7）查看求解结果。

求解分析完成后，在数据后处理部分可以查看HFSS分析出的天线的各项性能参数，如回波损耗S11、电压驻波比VSWR、输入阻抗、天线方向图、轴比和电流分布等。

如果仿真计算的天线性能满足设计要求，那么就完成了天线的仿真设计工作，接下来可以着手天线的制作和调试工作。

如果仿真计算的天线性能未能达到设计要求，那么还需要使用HFSS的参数扫描分析功能或者优化设计功能，进行参数扫描分析和优化设计。

（8）Optimetrics优化设计。

如果前面的分析结果未达到设计要求，那么还需要使用Optimetrics模块的参数扫描分析功能和优化设计功能未优化天线的结构尺寸，已找到满足要求的天线设计。

2.GSM900单频PIFA天线的设计和分析

本次课程设计所设计的PIFA天线工作于GSM900频段，对于GSM900工作频段来说，信号上行频段范围为880MHZ~915MHz，下行频率范围为925MHz~960MHz，天线工作的中心频率为920MHz，回波损耗小于10dB的带宽大于80MHz。

使用HFSS设计的PIFA天线结构模型如图6所示，整个天线结构大致可以分为接地平面，辐射金属片，短路金属片，同轴馈线和泡沫支架5部分。

接地平面，辐射金属片和短路金属片的材质都为金属铜。

接地平面位于最下方，天线的高度也是决定PIFA天线带宽的一个重要因素，为了让PIFA有足够的带宽，天线的高度在这里取为10mm。

而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0.25mm，外径为0.59mm。

为了固定辐射金属片，让辐射金属片和接地平面保持平行，这里我们在辐射金属片和接地平面之间填充介电常数较低的Rohacell射频泡沫。

其相对介电常数εr=1.06。

图6（a）PIFA天线的HFSS设计模型立体图

图6（b）PIFA天线的HFSS设计模型俯视图

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PIFA的HFSS设计模型时，我们需要定义一系列的变量来表示天线的结构。

图6上标出了部分变量所表示的含义。

表1所示为在设计中所定义的变量名称，变量所代表的结构参数以及变量的初始值。

表1变量数据表

变量定义

变量名

变量初始值

天线高度

H

10mm

辐射金属片长度

L1

55mm

辐射金属片宽度

W1

32mm

接地平面顶点x坐标

Xg

10mm

接地平面顶点y坐标

Yg

5mm

接地平面长度

Lg

120mm

接地平面宽度

Wg

60mm

同轴馈线的x轴圆心坐标

Xf

W1/2

同轴馈线的y轴圆心坐标

Yf

5mm

短路金属片到辐射金属片上边缘的距离

Xs

0

短路金属片的宽度

SW

6mm

同轴馈线内芯半径

r1

0.25mm

同轴馈线外径

r2

0.59mm

五、HFSS仿真结果与分析

根据天线指标的要求，应用三维电磁仿真软件HFSS，对此单频PIFA天线在上面表1列出的参数下进行仿真，得到此PIFA天线的谐振频率，输入阻抗，方向图，辐射金属片表面的电流分布

1.天线的谐振频率

通过仿真运行，得到谐振频率的分析结果如图7所示。

从结果报告中可以看出，天线的谐振频率约为0.92GHZ，10dB带宽约为101MHZ（876MHZ-977MHZ）,即相对带宽约为11%。

满足GSM900频段（800MHZ-960MHZ）的工作要求。

图7回波损耗S11的扫频分析结果

2.天线的输入阻抗

从结果报告中可以看出，在0.92GHZ中心频率时，天线阻抗为（43-j10）Ω

图8输入阻抗结果报告

3.Smith圆图显示的天线归一化输入阻抗结果报告图

图9Smith圆图显示的归一化驶入阻抗结果报告图

4.天线的方向图

分别查看设计的PIFA天线的xz和yz截面的总增益方向图。

从图3.7的仿真结果中可以看出，设计的PIFA天线在辐射金属片的正上方增益最大，最大增益约为3.45dB。

而在辐射金属片的背面，天线增益远小于辐射金属片正面方向的增益，这里辐射金属片正上方的增益约为3.45dB，而正下方的增益只有0.45dB。

因此，采用PIFA天线可以有效地降低SAR值。

对于SAR值有效为严格要求的手机来说，适合采用PIFA。

图10PIFA天线的增益方向图

5.辐射金属片表面电流分布

图11电流分布结果

虽然当前设计的双频手机天线的初始结构已经达到了性能要求，但多数时候天线设计是不可能一步到位的，这就需要我们根据所学的天线理论知识，调整天线的结构参数，然后再交由HFSS仿真分析出能够达到设计要求的结构参数值。

工作频率和带宽是天线的两个重要参数，在本文中，我们主要分析该天线的高度H和延伸长度t对天线工作频率和带宽的影响。

6.高度H对该PIFA天线工作频率和带宽的影响

为了研究天线高度H对天线性能的影响，我们添加PIFA天线的高度变量H为扫描变量，其他参数如表1所给出的不变，使用HFSS参数扫描分析功能仿真分析给出当变量H在8mm-12mm范围内变化时，天线谐振频率和带宽的变化。

图12显示的是不同高度H对应S11的扫频曲线的仿真结果。

图12不同H对应的S11扫频曲线

对于PIFA天线，根据上述参数扫描分析结果，可以得出的结论是，在其他参数保持不变的情况下，PIFA天线随着天线高度的增加，工作频率逐渐降低，带宽逐渐增大。

7.短路金属片的宽度对PIFA天线工作频率和带宽的影响

添加PIFA天线短路金属片的宽度变量SW为扫描变量，使用参数扫描分析功能仿真分析给出当变量SW在4mm--8mm范围内变化时，天线谐振频率和带宽的变化，如下图所示

图13不同金属接地片宽度（SW）值对应的S11曲线

从参数扫描分析结果中可以看出，接地金属片的宽度也会影响PIFA天线的工作频率和宽度。

SW越小，即接地金属片越窄，PIFA天线的工作频率越低，带宽越窄。

8.接地平面大小对PIFA天线工作频率和带宽的影响

添加PIFA天线接地平面的宽度变量Wg为扫描变量，使用参数扫描分析功能仿真分析给出变量Wg在50mm--60mm范围内变化时，天线谐振频率和带宽的变化，如下图所示

图14不同接地平面宽度（Wg）值对应的S11曲线图

从参数扫描分析结果中可以看出，接地平面宽度的改变对PIFA天线谐振频率几乎没有影响，但是会较为明显的影响到PIFA天线的带宽。

当接地平面从50mm变化到60mm时，天线的带宽逐渐变小。

六、结论

AnsoftHFSS以其优良的仿真精度和可靠性，快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，稳定成熟的自适应网格剖分技术成为高频结构设计的首选工具和行业标准。

本文使用AnsoftHFSS软件对设计的PIFA天线进行了仿真分析，主要完成了以下工作：

1.通过讨论PIFA天线的性能指标和研究状况，为仿真分析的指标提供了依据。

2、对现在PIFA天线的特性和结构进行了分析。

3、应用AnsoftHFSS软件对一种单频的PIFA天线模型进行了仿真分析和相关参数工作频率的影响。

七、体会

本次课程训练，锻炼了我的实践动手能力，对平面倒F天线的原理和应用更加得心应手。

首先的感谢老师以及同学们的热心帮助，使我对平面倒F天线在生活中的实际应用有了更加深刻的了解，此次是利用HFSS软件进行仿真计算，利用HFSS的数据后处理功能分别查看平面倒F天线的以下分析结果：

平面倒F天线的高度，短路金属片的宽度和接地平面的大小对天线工作频率和带宽的影响，

使我对HFSS软件更加熟悉。

同时，通过这次课设，也激发了我对其他类型天线的研究的兴趣。

参考文献

[1]HFSS天线设计李明洋、刘敏、杨放电子工业出版社，2011年

[2]HFSS电磁仿真设计从入门到精通李明洋、刘敏人民邮电出版社，2013年

[3]AnsoftHFSS入门教程与仿真实例冯奎胜、李娜、李劲电子工业出版社，2013年

[4]Ansoft12在工程电磁场中的应用赵博、张洪亮、等中国水利水电出版社，2010年