应用于WLANWiMAX的双频带印刷天线设计论文

1、摘要在现在无线通信产业的飞速发展下，无线通信行业正遍布我国的各个领域，并且竞争也越来越激烈，而作为移动通信系统信终端的天线要求也就越来越高。伴随着无线局域网中各项标准的出台，因此，研制可同时适用于多个频带的天线成为天线的设计的要求。本文提出了一种应用WLAN/WiMAX通信系统的新型双频带印刷天线。通过在微带板蚀刻对称的叉子形辐射贴片和寄生贴片，仿真设计了一款双频带印刷天线结构，借助于仿真软件对天线进行优化设计，使天线能覆盖2.4/5.2/5.8GHzWLAN和5.5GHz频带，并对其进行了测试。结果表明，测试结果和仿真的结果一样，并且在带拥有良好的全向辐射特性。论文共分为五个部分。首先,论文

2、简单介绍了无线局域网的基本概念,在了解了无线局域网的的基本知识后讨论了印刷天线发展情况,最后简单叙述了本次用的三维仿真软件。其次,详细地回顾了天线的基本理论,包括天线的基本电参数,天线单元的馈电方法等等。接着，介绍了WLAN/WiMAX双频带印刷天线的特点和设计特点以与设计要求。然后介绍了应用于WLAN/WiMAX双频带印刷天线仿真的流程的具体步骤。最后,论文总结了全部工作,并对未来相关研究工作做了适当展望。关键词WLAN/WiMAX HFSS 双频对称叉子型ABSTRACTIn the current rapid development of wireless communication i

3、ndustry，wireless communications industry is all over the country in various fields,and more intense competition,as a mobile communication terminal in a communication system, it requires more and more antennas.With the introduction of wireless LAN standards,therefore,development of an antenna can be

4、simultaneously applied to the plurality of band antenna design requirements become.This paper proposes a WLAN / WiMAX applications of new communications system dual-band printed antenna.Microstrip plate etching by fork-shaped symmetrical radiation patch and parasitic patch, simulation designed a dua

5、l-band printed antenna structure,by means of simulation software to optimize the design of the antenna, the antenna can cover 2.4/5.2/5.8GHzWLAN and 5.5GHz frequency bands, and tested it.The results showed that the test results and simulation results of the same, and have a good omnidirectional radi

6、ation characteristics in the band.The thesis is divided into five parts.First, the paper introduces the basic concepts of wireless LANs, in the understanding of the basics of wireless LAN antenna discussed the development of printing, and finally a brief description of the three-dimensional simulati

7、on software used for this.Secondly, a detailed review of the basic theory of the antenna, the basic electrical parameters of the antenna elements comprising the antenna feed and the like.Then, introduced the WLAN / WiMAX features and design features and design requirements dual-band printed antenna.

8、Then introduces the specific steps used in WLAN / WiMAX dual-band printed antenna simulation process.Finally, the paper summarizes all the work, and the future research work done properly discussed.Key wordsWLAN/WiMAX HFSS dual-frequency Symmetric fork type 目录前言6第一章绪论7第一节无线局域网7第二节印刷单极子天线8第三节双频与多频天线8

9、第四节天线设计的仿真软件9第五节本章小结9第二章天线的基本理论10第一节天线的电参数10一、辐射功率和辐射电阻10二、输入阻抗与驻波比10三、效率11四、方向图和主瓣宽度11五、前后比12六、方向系数12七、增益系数（Gain）12八、极化12九、频带宽度13第二节微带天线的基本理论14一、微带天线定义14二、微带天线的优缺点与展宽频带的方法14三、天线单元的馈电方法16第三节印刷单极子天线17一、印刷单极子天线与微带天线的联系和区别17二、印刷单极子天线原理18第四节本章小结21第三章应用于WLAN/WiMAX双频带印刷天线的特点与HFSS软件介绍22第一节 WLAN/MiMAX双频带印刷天

10、线特点22第二节 WLAN/WiMAX天线的设计22第三节 HFSS简单介绍23第四节本章小结25第四章WLAN/WiMAX双频带印刷天线具体流程和仿真结果26第一节综述WLAN/WiMAX双频印刷天线的设计26第二节 WLANWIMiMAX双频带印刷天线的模型构建与仿真26一、天线的模型构建26二、结果分析37第二节本章小节39第五章总结和展望39一、总结39二、展望39致40参考文献41附录42一、英文原文：42二、英文翻译：53前言中国的天线产业从无到有，从购买成熟方案到自主设计，在短短的几十年的时间里，发展迅速并运用在各个领域，可以说目前中国天线研究设计行业已经发展到了非常兴盛的状态。

11、当然，天线作为收发信息设备的必不可少的组成部分，经过几十年的发展已经取得一定的进步，并在很宽的频带上得到广泛应用。随着科技的进步，天线的性能不断提高，从而为信息的传输提供了更好的有效性和可靠性保证，天线发展演化出来了不同的发展方向，一类是大规模阵列天线，主要用于空间技术上，大型的雷达基站等方面；另一类则是微带天线，微带天线又可以细分好多种，而应用于WLAN/WiMAX双频带印刷天线只是其中之一。当今，随着无线通信技术的迅速发展，为扩大系统容量或者实现双模、多模通信，实际通信系统往往需要实现多频段工作。多年来，微带天线因其尺寸小、重量轻、成本低和加工设计简单等优点而备受国天线生产厂商的重视。但是

12、，近年来的研究热点大多放在小型化多频微带天线的研究设计。因为其高的系统集成度正是我们目前实现天线小型化的优势所在。应用于WLAN/WiMAX双频带印刷天线是一种具有水平和垂直两种极化特性的天线。它具有小型化、结构紧凑、便于置、制作简单、低成本、全向辐射、可同时工作在多个频带等特性，因而目前被广泛应用于移动通信系统，尤其是移动终端。第一章绪论本章首先阐述了无线局域网；然后介绍了印刷单极子天线和双频天线；接着简要介绍用于天线仿真的软件；最后给出了本文所做的研究工作以与论文的组成与结构。第一节无线局域网无线局域网络英文全名：Wireless Local Area Networks；简写为：WLAN。

13、简写中文翻译名称：微览。它是是相当便利的数据传输系统，它利用射频（Radio Frequency； RF）的技术，取代旧式碍手碍脚的双绞铜线（Coaxial）所构成的局域网络，使得无线局域网络能利用简单的存取架构让用户透过它，达到“信息随身化、便利走天下”的理想境界。无线局域网拥有良好的灵活性和移动性，并且安装便捷易于进行网络规划和调整，易于扩展，故障定位容易的优点。因此，在餐饮与零食、医疗和企业应用越来越广泛，渐渐的替代专线。无线局域网需要支持高速、突发的数据业务，并且在室使用还需要解决多径衰落以与各子网间串扰等问题。因此，无线局域网络（WLAN）就必须实现以下技术要求：1可靠性：无线局域网

14、的系统分组丢失率应该低于10-5，误码率应该低于10-8。2兼容性：对于室使用的无线局域网，应尽可能使其跟现有的有线局域网在网络操作系统和网络软件上相互兼容。3数据速率：为了满足局域网业务量的需要，无线局域网的数据传输速率应该在54Mbps以上。4通信：由于数据通过无线介质在空中传播，无线局域网必须在不同层次采取有效的措施以提高通信和数据安全性能。5移动性：支持全移动网络或半移动网络。6节能管理：当无数据收发时使站点机处于休眠状态，当有数据收发时再激活，从而达到节省电力消耗的目的。7小型化、低价格：这是无线局域网得以普与的关键。8电磁环境：无线局域网应考虑电磁对人体和周边环境的影响问题。WiM

15、AX(World wide Interoperability for Micrwave Access),即全球微波互联接入。WiMAX的另一个名字是802.16。WiMAX是一项新兴的宽带无线接入技术能提供面向互联网的高速连接，数据传输距离最远可达50km。WiMAX还具有QoS保障、传输速率高、业务丰富多样等优点。WiMAX的技术起点较高，采用代表未来通信技术发展方向的OFDM OFDMA、AAS、MIMO等先进技术，随着技术标准的发展，WiMAX逐步实现宽带业务的移动化，而3G则实现移动业务的宽带化，两种网络的融合程度会越来越高。第二节印刷单极子天线印刷天线简单的说，就是可以印刷出来的天线

16、。分为抽象解释和形象解释。抽象解释。印刷天线，设置于基板上，其包括信号馈入部与辐射体。信号馈入部用于馈入电磁波信号。辐射体用于收发电磁波信号，包括第一辐射部、第二辐射部与导引段。第一辐射部电性连接于信号馈入部，其包括弧形辐射段。第二辐射部电性连接于信号馈入部与第一辐射部。导引段呈弧形，与第二辐射部分别位于第一辐射部的两侧，且导引段与第一辐射部的弧形辐射段之间形成第一间隙。印刷天线体积小，且辐射性能强。形象解释。天线是收音机必备装置，接收所有微弱电磁信号之用，是暴露在最外面独立的金属件。从外形分，台式收音机是拖线天线，便携式的是拉杆天线，从接收频率分，调幅收音机是磁性天线，调频的是拉杆天线，频率

17、越高天线越短，老式砖头手机频率不高，用拉杆天线，现在手机频率非常高，其置天线很短，可以制成印刷天线，即和集成电路版印刷在一起的天线，一般呈“回”字形。印刷天线的优点是体积小，重量轻，造价低，最重要的是具有全向辐射性能，并能与线路板有机结合，且具有很好的设计潜质。特别是它可方便地与馈电网络和器件集成成块，与微电子技术紧密结合，功能强大，已显示出新一代天线形式的巨大活力。第三节双频与多频天线无线通信技术发展速度飞快，每个领域包括蜂窝、全球定位系统(GPS)、合成孔径雷达(SAR)、卫星通信等都需要重量轻、剖面低、制造简单、易共形的宽频带或双频段天线。所谓双频天线是指具有两个谐振频率的天线，天线实现

18、双频或多频有多种方法。一种是双频微带贴片天线，其双频与多频的实现方法，一般来说，大体分成三类:(1)多贴片，(2)槽加载，(3)集总元件加载。多贴片和集总加载都会使天线的结构变得复杂，而槽加载作为一种简单的加载方式，可以在单层微带天线上实现双频，制作生产相对简单，且容易与微波电路集成。常见的槽有 U 型槽，L 型槽等。一种是印刷单极子天线，这种天线通过两个不同的分支实现多频，本文设计的应用WLAN系统的双频天线就是采用这种结构制作而成的。第四节天线设计的仿真软件用于计算仿真高频电磁场的软件有很多，用于本次设计的软件主要是HFSS。关于HFSS的运用在后面将会提与，在这就不再阐述。第五节本章小结

19、本章阐明无线局域网的定义，然后分别介绍了印刷单极子天线和双频天线的一些基本特点，最后提与了本次仿真所用软件。论文共分为四个章节，论文各章节的名称和具体容如下：第一章：绪论。简单介绍天线。第二章:天线的基本理论。包括天线的基本电参数,天线单元的馈电方法等等。为以下章节的方案的设计做了技术铺垫。第三章：应用于WLAN/WiMAX双频带印刷天线的设计与特点。介绍所设计天线的特点以与如何实现本次的设计的天线。第四章：WLAN/WiMAX双频带印刷天线具体流程和仿真结果。第五章：总结和展望；对整个论文进行了总结，并提出作者认为下一步手机天线设计有待解决的问题和发展前景。第二章天线的基本理论第一节天线的电

20、参数天线参数是反映天线性能的物理量。就发射天线来说，它是一个能量转换器。为了确定一个天线会将多大的功率辐射出去，就要有反映这种能力的参数，这就是由辐射功率导出的辐射电阻。天线作为传输线的负载，需要和传输线匹配，为此必须确定它的输入阻抗。为了便于比较不同天线的定向辐射能力，需要引入方向系数。在计入天线损耗时要采用效率这一参数。计入效率的定向性能可用增益表示。天线的宽频带工作能力可以用各参数与波长的关系曲线来表示。下面分别说明：一、辐射功率和辐射电阻天线的辐射功率是离开波源而不再返回的能量。从这一意义来说，可以把它比做电路上电阻的功率损耗。因为电阻的功率损耗也是一种无法收回的能量。因此，天线的发射

21、能力可用辐射电阻来表示。二、输入阻抗与驻波比一个天线在工作时，除脱离波源而辐射的电磁场外还有依附于天线而振荡的电磁波。前者可以等效为电阻，后者可以等效为电抗。因此，从电路的观点看，天线可以等效为一个阻抗。从天线与传输线匹配的观点来看，需要具体地确定天线的阻抗大小，以便于采取措施使天线和传输线匹配良好。所以对于每一种天线，确定它的阻抗大小是很重要的工作。要使天线辐射效率高，就必须使天线与馈线良好地匹配，也就是天线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗，才能使天线获得最大功率。设天线输入端的反射系数为（或散射参数为S11），则天线的电压驻波比为（2.1）回波损耗为（2.2）输入阻抗为（2.3）其中Z0为馈

22、线的特性阻抗。一般将 VSWR 2的带宽称为输入阻抗带宽。三、效率天线的效率A用以度量天线转换能量的有效性，它也是天线的重要指标之一。它的定义是：天线辐射功率和输入功率的比值，即 (2.4)天线的效率A的取值围通常在 0%100%之间。天线输入功率一部分转化为辐射功率，另一部分转化为损耗功率。一般来说，对于加载天线或电小天线，天线的效率比较低。四、方向图和主瓣宽度所谓天线方向图，是指在离天线一定距离处，辐射场的相对场强（归一化模值）随方向变化的曲线图，通常采用通过天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向图来表示。通常天线的方向性用两个特定的互相垂直的平面上的方向图来表示，即 E面和 H 面。

23、所谓 E 面，就是电场矢量所在的平面。对于沿 z 轴放置的电基本振子而言，子午平面是 E 面。所谓 H 面，就是磁场矢量所在的平面。对于沿 z 轴放置的电基本振子而言，赤道平面是 H 面。根据方向图可以确定主瓣宽度。所谓主瓣宽度，即是辐射功率密度降至最大辐射方向一半时的两个发射方向之间的夹角。五、前后比前后比是指最大辐射方向电平与其相反方向电平之比，通常以分贝为单位。六、方向系数上述方向图参数虽能在一定程度上反映天线的定向辐射状态，但由于这些参数未能反映辐射在全空间的总效果，因此都不能单独体现天线集束能量的能力。因此，需要另一个电参数来表示天线集束能量的能力，这就是方向系数。它的定义为：在离天

24、线某一距离处，天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度SMAX与一样辐射功率的理想无方向性天线在同一距离处的辐射功率流密度S0之比，记为D，即（2.5）需要说明的是，一般方向系数用分贝来表示，这需要一个参考源，常用的参考源是各向同性辐射源，分贝表示为 dBi，通常情况下，若不加说明，dB 指的就是 dBi。七、增益系数（Gain）增益系数是综合衡量天线能量转换和方向特性的参数，它是方向系数与天线效率的乘积，记为G ，即（2.6）天线的增益系数描述了天线与理想的无方向性天线相比在最大辐射方向上将输入功率放大的倍数。八、极化极化特性是指天线在最大辐射方向上电场矢量的方向随时间变化的规律。具体地说，就是

25、在空间某一固定位置上，电场矢量的末端随时间按变化所描绘的图形。如此按照电场的极化形式可分为线极化、圆极化和椭圆极化。在垂直于传播方向的某一固定平面上观察电磁波的电场矢量，如果它的端点始终在一个直线上振动，则是线极化；如果它的端点随着时间变化在该平面上画出的轨迹是圆，则是圆极化，如果某一时刻沿着传播方向把各处的电场矢量画出来，则圆极化波中的电场矢量端点的轨迹为螺旋线，矢量端点旋转方向与波传播方向成右手螺旋关系的叫右旋圆极化，成左手螺旋关系的叫左旋圆极化；同样的，如果电场矢量的端点随着时间变化所画出的轨迹是椭圆，则是椭圆极化。需要指出的是，当圆极化波入射到一个对称目标上时，反射波是反旋向的。在同一

26、系统中，收、发天线的极化必须一样，若接收天线的极化与入射平面波的极化一致，则称极化匹配。九、频带宽度天线频带宽度是指天线的主要指标如增益、主瓣宽度、副瓣电平、输入阻抗、极化特性等均满足设计要求时的频带围。通常用到的带宽概念又分为绝对带宽和相对带宽，绝对带宽是：（2.7）其中f1,fh分别指天线满足其电气技术指标的下限和上限频率。相对带宽是指天线的绝对带宽f 与工作频带的中心频率f0之比，即：(2.8)其中f0为中心频率：，是上下限频率的算术中值。我们通常说的窄带天线是指相对带宽小于 1%的天线；宽带天线是指相对带宽在 1%到 25%之间的天线；而超宽带天线是指相对带宽高大于 25%的天线。工程

27、研制中要求天线在规定的频率围，它的主要电性能如电压驻波比、增益、主瓣宽度、副瓣电平、极化特性等必须满足技术指标。通常情况下天线的有些指标是相互矛盾的。比如，对于一定尺寸的天线，它的带宽和增益就是一对相互矛盾的指标，要拓宽天线的带宽就需要牺牲一定的增益；而要提高天线的增益，天线的带宽就会变窄。换句话说，对于同一天线来说，既要宽频带，又要增益高，就只有牺牲天线的尺寸。总之，天线的性能是一项综合性的技术指标。为了系统使用的需要，有时要顾与到多项指标，需要采取折中的办法。第二节微带天线的基本理论一、微带天线定义微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线。它利用微带线或同轴线进行馈电

28、，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。通常介质基片的厚度与波长相比是很小的，因此它实现了一维小型化，属于小天线的一种。结构最简单的微带天线是由贴在带有金属地板的介质基片上的辐射贴片所构成的。贴片导体通常是铜和金，它可以是任意形状，常见的有矩形、圆形和三角形等等。二、微带天线的优缺点与展宽频带的方法和常规的微波天线相比，微带天线具有一些优点如体积小、重量轻、剖面薄、易与载体表面共性制造成本低，易大量生产易实现多功能，易集成天线的散射截面较小容易制成双频率工作的天线馈线和匹配网络可以和天线结构同时制作。微带天线由于其特有的优点而被广泛使用，但是微带天线本

29、身固有的缺点限制了它在某些领域的应用，其最显著的缺点就是窄频带和低效率。70 年代以来，人们就不断探索拓展天线带宽和提高增益的方式。近些年来有一些新的方法被人们所研究，克服了微带天线频带窄的缺点，满足了各个领域对天线的要求。下面介绍几种近年来倍受关注的展宽微带天线频带的方法。1.间隙耦合方式间隙耦合方式的特点是直接馈电的贴片只有一块，而其他一块或多块辐射单元是通过耦合方式来馈电的。如图 2.1 所示的三种天线，都是其中一块贴片直接馈电，另一块贴片则是通过直接馈电贴片耦合馈电的。不同形状的天线适用于不同的场合，使用间隙耦合的方式比使用厚介质板增加天线带宽的方式更加有效。2.缝隙耦合馈电采用缝隙耦

30、合馈电方式，往往能大大拓展带宽，一般采用微带馈线缝隙耦合方式，或 CPW（共面波导）缝隙耦合馈电方式。图 2.2 所示即为微带馈线缝隙耦合方式，这种方式通常会由两层或多层基板构成，在图中所示结构之外还有一块基板用来放置辐射贴片。缝隙耦合可大大拓展微带天线的带宽，但是由于缝隙本身往往会产生谐振，会导致后向辐射较大，因此，可在馈线的底部多增加一层反射面，或一个谐振腔，用于减小后向辐射，增加天线的前后比。3.特殊形状的贴片改变微带贴片的形状，有可能激发多频率谐振，当这些谐振频率非常接近时就组成了一个频带，即拓宽了频带。如文献所示的 E 型贴片微带天线，该天线会在 3个频率产生谐振，且彼此靠近，故可以

31、达到拓展带宽的目的。一般来说，所有的谐振天线的带宽都会比较窄，这是由它们的谐振特性所决定的。拓展带宽的诸多方法中，从本质上来说可以分为三类：通过降低谐振器的品质因素Q来增加带宽；使用附加的匹配网络；以与使用多谐振器的方式。下面主要介绍一下第一类方法。降低谐振天线品质因素的方法也很多，比如，对于微带天线来说，最简单的方法就是降低介质板的介电常数。Q值与介电常数有关，介电常数的降低也会引起Q值的降低，从而可以增加带宽。对于一个给定的频率，介电常数的降低必然导致天线尺寸的增加，对于需要设计紧凑的小型天线的设计者来说，这是不愿出现的；而且这也会使天线的耦合存在困难，在使用缝隙耦合馈电时，较大尺寸的天线

32、就需要使用相对较宽的缝隙，这会导致后向漏射的增加；如果使用的是探针耦合馈电方式，探针的长度将会增长，从而产生杂波，干扰方向图。加载也可以降低Q值。比如，在贴片天线上加一些过孔或者挖一些缝隙就可以影响天线的谐振频率和Q值大小，这样做的好处是不会导致天线尺寸的增加。然而，不管使用什么方式来拓展阻抗带宽，都有可能会使方向图变差，因此在设计天线时，应当兼顾方向图。三、天线单元的馈电方法天线单元的馈电方法主要分为侧馈、底馈和共面波导馈电三种方式，如图 2.3 所示。但是因为天线输入阻抗通常不等于传输线阻抗，所以需要进行匹配。匹配需要恰当选择馈电的位置，同时馈电的位置也会影响辐射特性。1. 侧馈侧馈也被称

33、为微带线馈电，分为中心微带馈电和偏心微带馈电。馈电点的位置将决定激励出哪种模式。如果天线的几何图形只维持主模，则微带馈电可偏向一边以得到良好匹配。如果场沿矩形贴片的宽度变化，则当馈线沿宽度移动时，输入阻抗随之改变，进而使馈线和天线之间的耦合发生改变，使天线谐振频率产生一个小的漂移，而辐射方向图仍保持不变，可以稍加改变贴片尺寸或天线尺寸，补偿谐振频率的漂移。侧馈的优点是微带馈线单元可方便地和天线贴片单元一起光刻，制作简便。缺点是通常需要阻抗匹配电路，这样就会造成贴片面积变大；微带馈线与辐射单元处于同一个平面，微带馈线本身也会辐射，从而干扰方向图，减少增益。2. 底馈这种馈电方式又称为同轴线馈电，

34、是一种用得较多的馈电方式。这种方式的优点是馈电点可以选在贴片的任意位置，有利于天线匹配，也同时避免了附加匹配电路，在一定程度上能够减少天线的尺寸；同轴电缆位于接地板面，与辐射贴片不在同一面，从而能够减少对方向图的干扰。当然同轴馈电也有相应的缺点：结构不便于集成，制作较为麻烦，焊接重复性较差，且在贴片单元和探针之间会由于焊接的不均匀性产生反射。3.共面波导馈电这种馈电方式是辐射贴片和接地板在介质板的同一侧，中间是辐射单元，两边是地板，辐射单元与地板间留有间隙。第三节印刷单极子天线一、印刷单极子天线与微带天线的联系和区别印刷单极子天线一般由覆在介质基片同侧或两侧的单极贴片和导体地板构成,通过位于地

35、板中央的微带线或共面波导进行馈电。这种印刷单极天线与平板单极天线不同,它不需要与之垂直的导体地板,因此可以很方便地与其它电路集成。由于印刷天线剖面薄，体积小，重量轻，造价低，最重要的是具有全向辐射性能，并且能与线路板有机结合，且具有很好的共形设计潜质。特别是它可方便地与馈电网络和器件集成成块，与微电子技术紧密结合，功能强，已显示出作为新一代天线形式的巨大活力。印刷天线与微带天线之间既有区别又有联系，如图 2.4 所示，黑色部分为地，阴影部分为馈线和辐射贴片。印刷天线和微带天线都是目前最常使用的两种类型的天线。它们的结构基本一致，都是有一个辐射贴片和一个接地板构成，区别在于微带天线的接地板的尺寸

36、与介质板大小一致，也就是接地板也在辐射贴片下方，因此微带天线通常都是定向天线。而印刷天线的的辐射贴片下方是没有地板的，地板仅位于馈线的下方，所以印刷天线都是全向天线，这也是它的最大优点。二、印刷单极子天线原理一般平面单极子天线结构模型是由金属辐射体、馈电网络、接地板和厚度较小的质衬底组成，金属辐射体可以是圆形、椭圆形、矩形、三角形等形状。在图 2.5 结构模型中，金属辐射体的长度 L、W 和接地板与金属贴片的间距 G 决定了天线的最低点谐振频率f1。而 W、L、G 与f1的关系式可由圆柱体近似法给出。（2.9）下面通过数值计算的方法来验证。我们在数值仿真软件中建立起一个类似图 2.5的结构模型

37、，如图 2.6。对长度 L 分别取 32mm、34mm 和 36mm 进行计算，结果如图 2.7 所示。我们可以看到随着辐射贴片长度 L 的增加，天线的谐振频率f1。向低频偏移，这是因为随着长度 L 的增加导致电流路径的增加，从而降低了天线的谐振频率。对间距 G 分别取 9mm、10mm 和 11mm 进行计算，结果如图 2.8 所示。我们同样可以看到随着接地板与辐射贴片的间距的增加，天线的谐振频率f1也向低频偏移，这与式（2-7）也是一致的。综上，对于一般的平面单极子天线，天线的最低点谐振频率f1与辐射体的长度 L、宽度 W 和接地板与辐射体的间距 G 有着密切的联系，其中长度 L 和接地板

38、与辐射体的间距 G 起主要作用。第四节本章小结在这一章主要介绍了关于天线的一些基本电参数，以与微带天线的基本理论，最后介绍了印刷单极在天线。通过这一章的介绍让我们对天线有了大概的了解，为我们接下来设计双频带天线打下基础。第三章应用于WLAN/WiMAX双频带印刷天线的特点与HFSS软件介绍第一节 WLAN/MiMAX双频带印刷天线特点应用于，利用改进的叉子形的辐射贴片和寄生辐射贴片，使得天线形成两个谐振频带，即2.4GHz和5GHz。在后面的实际测量结果表明，天线满足2.4/5.2/5.8GHzWLAN和5.5GHzWiMAX频带的阻抗带宽，并且具有良好的全向辐射特性和可观的增益。因此，该天线

39、在无线多频带通信系统中有广泛的应用前景。第二节 WLAN/WiMAX天线的设计1、WLAN/WiMAX天线的结构设计规则为设计一款性能良好的天线，为满足现代无线通信的要求，设计者往往需要按一定的设计规则去对天线进行研究设计，以尽量缩小天线的设计周期。2、预留空间天线的设计，务求尽可能大的利用设计空间。对于性能良好的天线来说，尺寸自然偏大。但是天线设置过程中，一般要求预留空间中的长，宽，高值在以下围：长(35-45毫米)、宽(15-25毫米)、高(6-8毫米)。其中天线谐振频率的带宽和天线的高度H密切相关9。其中，最低频率是由天线辐射单元的参数W和L决定。所以，一般而言天线面积按如下尺寸去调整设

40、计：双频(GSMDCS)：600x68mm当以上要求得到满足时，工作于GSM频段的天线一般可能达到-10dBi，而工作于DCS/PCS频段时可达0ldBi。对于天线高度而言，当然是越高的天线其性能越好。此外，对PIFA天线的性能影响非常大的还有手机PCB的长度，目前直板机PCB的长度尚处于75-105mm之间这个水平。为达到双频，要求PCB长度不要小于80mm，若当PCB版的长度小于80mm时，增益显著恶化，这是天线设计所需注意的，所以如果要实现多频工作，那么就应当适当地加长PCB版的长度。置天线在设计的时候应使其与周围较大金属物体之间的距离保持在6mm以上，并要求其与LCD、液晶屏、按键等的

41、弯曲电缆、连接振荡器或扬声器的导线等有良好的接地。如果有摄像头，应该把安装位置挖空，并尽量做好摄像头FPC的屏蔽工作，否则会影响摄像头接收信号的灵敏度。最后，PCB上微带以与引线等应严禁与天线的弹片处于一种平行的状态。3、天线结构布局馈电点处的焊盘尺寸要求不小于2x3mm，馈电点靠近（手机PCB板）的边缘处，使用共面波导结构可使馈点与传输线相连，于弹片接触而言，折叠点和PCB焊点的长度应保持在45毫米围。千万不要屏蔽焊点，更不能在天线正下方放置匹配焊盘，不要把喷涂导电漆等导电物质喷洒到天线附近的结构件（面）上，并尽可能的减少EMC遮护板。辐射单元的边缘设置并没有特殊的要求，它既可以超出接地片的

42、边缘，也可以尽可能的离接地片的边缘很近。电镀工艺和金属装饰物应避免设计在手机天线附近区域手，因为只要有环形的金属圈就需要做好接地措施。当然，装饰件需要通过导电布连接到器件上，再与电路板的边缘导地处相连，另外，还应避免能量损耗和附加不辐射谐振频率点，关注射频屏罩。按理说介质基片最好应尽可能的填充空气，支撑物也应尽可能的少。所以，总的来说，我们在设计过程中，应保持天线为一金属片状结构，尽量减少其附近有其他物体的存在，并尽量想办法去避免减小天线宽度。若天线高度不够，可挖空PIFA天线下面的接地板，于其背面加一个可作为短路片的金属片，其作用是作为参考地，也可以满足设计带宽的要求。第三节 HFSS简单介

43、绍在本书所要设计的双频带印刷天线的仿真软件是HFSS。Ansoft HFSS 是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，可分析仿真任意三维无源结构的高频电磁场，可直接得到特征阻抗、传播常数、S 参数与电磁场、辐射场、天线方向图等结果。HFSS 提供了一个简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场解器、拥有空前电性能分析能力的功能强大后处理器，能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场。当前所有的电磁问题基本都可以使用HFSS进行计算，其特有的自适应网格划分保证了它具有其它软件很难达到的准确性和方便性，解决了由于网格划分不正确引起的计算错误问题。当然，由于其计算方法本身缺陷和为实现强大功能而

44、带来的其它问题，HFSS 计算速度较慢，精确计算复杂结构的超宽频带问题的能力差，对计算平台的配置要求较高。下面就简要介绍一下 HFSS 的基本使用步骤。（1）仿真模式选择：HFSS 共有三种 Solution 模式：Driven Modal、DrivenTerminal和Eigenmode。微带天线的仿真是需要计算无源的基模的S参数和天线远场辐射问题。因此选择 Driven Modal 模式比较合适，当然也可以选择 Driven Terminal。（2）天线模型的建立：Ansoft HFSS 是一种 3D 的电磁仿真软件，它提供了操作简单的各种画图工具，可以方便的建立各种复杂的立体模型，并且它

45、支持专业画图工具建立的模型的导入和导出。（3）材料选取：系统部自带各种介质基片材料，可以从材料库里选择需要的材料。如果没有适合的介质材料，可以自行设定材料的参数。（4）设置边界条件和激励源：用户可以根据要仿真模型的结构和仿真结果不同来设置各个面的边界条件。HFSS 提供高频电磁仿真的边界条件包括 Perfect-E，Perfect-H，Radiation 等，激励源端口设置主要有两种 Wave port 和 Lumped Port。边界条件的设置和激励端口的设置是仿真过程中最难的一步，也是整个仿真中最重要的环节，对仿真结果起着举足轻重的作用。（5）设置模型迭代求解的目标与工作频率：首先要设定仿

46、真模型的工作频率，由于网络的大小是和波长有一定关系的，所以这一步的设置对仿真结果也有重要的影响。一般来说，仿真天线时都是先估计它的谐振频率，然后设置该谐振频率作为工作频率。如果无法估计谐振频率，一般要先确定感兴趣的频段，然后取该频段的中点作工作频率。（6）仿真结果处理：HFSS V11 仿真软件包能够给出天线各种参数的仿真结果和变量扫描分析的结果。其中包括天线在工作频段的 S 参数、VSWR、天线的方向性图、增益和输入阻抗等主要的参数。另外通过仿真计算还可以得到天线在工作频率上的电场、磁场、电流和电压等参数的动态图，便于对结果有个直观认识。由于 Ansoft HFSS 高频电磁仿真软件的精确的

47、处理能力，在天线的设计和分析过程中起着重要的作用。CST 工作室套装是面向 3D 电磁场、微波电路和温度场设计工程师的一款有效、精确的专业仿真软件包，共包含七个工作室子软件，集成在同一平台上。可以为用户提供完整的系统级和部件级的数值仿真分析。软件覆盖整个电磁频段，提供完备的时域和频域全波算法。其强大的实体建模前端基于著名的 ACIS 建模核，结构输入过程非常简便，再加上完善的图形化反馈，极简化了对各种器件的定义，在所有器4件建模完成后，会自动进行一个基于专家系统的全自动网格剖分，然后才开始进行正式的仿真。CST 具有强大的天线设计与后处理的功能，它可以计算天线的频域参量，如增益、方向性、远场方

48、向图、远场 3D 图和 3dB 带宽等。除了上述两种外，还有 E-Field、Feco 等多种数值仿真软件，它们各有特色，给人们进行天线仿真计算带来了很大的便利。第四节本章小结本章主要介绍了WLAN/MiMAX双频带印刷天线的特点和设计要求以与设计中所需注意的细节，在最后简单介绍了一下设计仿真所用的软件HFSS.第四章WLAN/WiMAX双频带印刷天线具体流程和仿真结果第一节综述WLAN/WiMAX双频印刷天线的设计21世纪，一个以科技作为主打力量的新时代，快速崛起的无线通信迅速跃入人们的视野，为了响应当代无线通信的要求，作为接受信号的多频段天线也就应运而生，且其发展趋势必将是小型化、置化、多

49、频段和智能化。到今天为止，已经有大量的关于单馈点的双频的设计资料。但在天线的设计过程中，需要反复调试天线的各结构参数，以减小各个参数对天线的各频段的影响。故而需要设计者去反复的优化仿真，以满足设计要求。现有的大量文献中涉与到双频天线设计的大多为介绍已经设计好的天线结构和特性，较少涉与到天线设计的详细过程，所以在设计新频段的同种结构的天线时，仍还有大部分的工作急待探究，而这往往也不利于缩短天线的设计周期。本文设计这款天线皆具有尺寸小、易调节、易设计、容易操作加工等优点。在天线的研究设计过程过改变其中对应的参数，较易实现指定的双频段工作。第二节 WLANWIMiMAX双频带印刷天线的模型构建与仿真

50、一、天线的模型构建 1、打开HFSS软件打开HFSS仿真软件来到天线模型，建立工程名，如下图4.1。同时设置求解类型（Drien Modal）和模型长度单位（mm）。图4.12、输入参数以与参数的值为考察结构尺寸对天线电性能的影响，采用 3D 电磁仿真软件 Ansoft HFSS V13对设计的天线进行了仿真分析，经过加工调试天线的尺寸如下：L=36 mm， Ll= 18 mm ，L2 =5 mm ，L3=7 mm ，L4 =6 mm ，L5= 5 mm ，L6=15 mm ，L7=5 mm ，W = 18 mm ，W1=2 mm ，W2 = 4 mm ， W3=2 mm ，w4=15 mm

51、，H =1 mm。添加变量与变量数值：从软件主菜单选择命令HFSSDesign Properties从弹出的窗口中点击add添加变量与数值，如下图4.2。图4.2直到所有变量与数值添加完，如下图4.3。图4.3本次设计双频带印刷天线的结构如下图4.4。图4.43、建立模型首先创建介质基板，从图4.4可以看出厚度为H，长为L，宽为W的长方体。而本次设计的所需基板为FR4的介质基板。在本次设计中，我们首先只讨论在只有天线正面的完全对称的叉子形辐射贴片P1的时候，观察天线的回波损耗仿真结果，能否使天线工作在2.4GHzWLAN频带。下面创建介质基板，从软件主菜单选择命令DrawBox,然后在工作界面

52、画一个长方体，在接下来弹出的界面上修改介质的名称起点坐标以与长宽高，注意数值要用之前的变量。接着选中长方体点击左边的属性窗口，把其属性改为FR4_epoxy。完成后如下图4.5。图4.54、创建辐射贴片在介质基片的上表面创建一个完全对称的叉子形辐射贴片P1（如图4.4中a所示），从软件主菜单选择命令DrawRectangle,然后在三维模型窗口上随便画一个矩形，在用变量修改其起点坐标和长宽。贴片P1是由几个矩形组合而成的，依次把几个矩形画好后全选中已经画好的这几个矩形，点击软件上的，把它们连接在一起。如下图4.6。图4.6 图4.7再双击操作历史树Patch下的贴边tiepianP1,打开连接

53、之后矩形面属性对话框修改其材料属性为Global。如图4.7。5、创建50欧姆微带传输线使用和前面一样的操作方法在介质基片的表面创建一个矩形面，用以表示50欧姆微带传输线。如下图4.8。图4.8打开新建矩形面材料属性对话，修改名称为，材料属性默认为Grobal。然后点击按钮退出。6、创建参考地在介质板背面创建一个矩形面，并将其命名为GND。如图4.9。图4.97、设置边界条件（1）把辐射贴片tiepianP1和参考地GND设置为理想导体边界选中平面模型tiepianP1，然后单击鼠标右键，在弹出快捷菜单中选择Assign BoundaryPerfect E命令，打开理想导体边界条件设置对话框，

54、如下图4.10。在该对话框中保留默认设置不变，直接单击按钮，即可设置平面tiepianP1为理想导体边界条件。同样的方法设置平面GND为理想导体边界条件。图4.10（2）设置辐射边界条件在HFSS中辐射边界表面距离辐射体通常需要不小于1/4个工作波长，在2.4GHz工作频率下的1/4个工作波长为30mm，在设计中我们定义了变量length来表示1/4个工作波长。在这里首先创建一个长方体模型，长方体的底面和介质基片底面距离为10mm，其他表面和辐射贴片的距离为1/4个工作波长，然后再把该长方体的表面设置为辐射边界。从主菜单栏中选择DrawBox命令，在三维模型窗口中创建一个任意大小的长方体，然后

55、打开新建长方体属性对话框中Attribute选项卡把名称改为Airbox。再双击操作历史树Airbox节点下的CreateBox，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文本框中输入顶点位置坐标为（-10mm，-length，-length），在XSize、YSie和ZSiz文本框中分别输入长方体的长、宽和高为length+H+10、2*length+W、2*length+L，如图4.11所示，然后点击按钮。图4.11长方体模型Airbox创建好了之后，单击操作历史树Solids节点下的Airbox，选中该模型。然后在三维模型窗

56、口中单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择Assign BoundaryRadiation命令，打开如图4.12所示的辐射边界条件设置对话框。保留对话框的默认设置不变，直接单击按钮，把长方体模型Airbox的表面设置为辐射边界条件。图4.128、设置端口激励在设计中，把端口平面Port设置集总端口激励，端口阻抗设置为50欧姆。单击操作历史树Sheet节点下的Port，选中该端口平面。然后在其上单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择Assign ExcitationLunped Port命令，打开集总端口设置对话框。在对话框的Name文本框中输入端口名称1，端口阻抗保留默认的50ohm不变，单击按钮。在Modes对话框中，单击Integration Line项的None，从下拉列表中选择New Line选项，进入三维模型窗口设置积分线。如下图4.13所示。单击下一步按钮。在Post Processing对图4.13话框