2013 International Workshop on Antenna Technology (iWAT
A MIMO antenna for mobile applications
Di Wu(1, S. W. Cheung(2, T.I. Yuk(2 and X.L. Sun(2
(1Department of Electronic Engineering, The City University of Hong Kong, Hong Kong
andy_110.student@https://www.doczj.com/doc/6a13005607.html,
(2Department of Electrical & Electronic Engineering, The University of Hong Kong, Pokfulam Road, Hong Kong
[swcheung, tiyuk, xlsun]@eee.hku.hk
Abstract — A multiband Multiple-Input Multiple-Output (MIMO antenna for mobile phones applications in the next generation is proposed. The proposed MIMO antenna consists of two identical elements, each having three branches to generate two frequency bands, a wide higher and narrow lower frequency bands. Simulation results show that these two frequency bands can cover the lower band for Long–Term Evolution (LTE, the DCS1800, PCS1900 and UMTS-2100 bands, the Wibro Band, the 2.4-GHz band for the WLAN system and also the upper band for the WiMAX. By cutting a slit on the printed circuit board (PCB serving the ground plane, a great enhancement of isolation between the two antenna elements can be achieved for the two frequency bands.
Index Terms—MIMO antennas, multiband antenna, isolation, Long–Term Evolution (LTE, mobile terminals, slit, WiMax, WLAN
I. I NTRODUCTION
Multiple-Input Multiple Output (MIMO technology has been considered as one of the attractive methods to fulfill the ever-increasing demand for wireless channel capacity,
especially for the next generation communication systems. MIMO antenna technology can provide higher receiver gain, increased data rates, larger network throughput, and improved reliability through antenna diversity. However, one of the biggest challenges in the designs of antennas for MIMO systems for mobile devices applications is the mutual coupling among the closely packed antenna elements. Without good isolation between the antenna elements placed in a small area, severe performance degradation in MIMO systems will result. In [1]-[3], different techniques were proposed to reduce mutual coupling between antenna elements in MIMO antennas. These studies were not for the multiband applications on mobile phones. Moreover, the lower band of Long-Term Evolution 700 (LTE700 operation which requires a larger antenna size to obtain and is for the next generation of wireless communication system was not considered.
In this paper, the design of a compact MIMO antenna for small mobile terminals is proposed. The MIMO antenna supports dual-band operation, including the lower band of Long-Term Evolution 700 (LTE700. The lower band of LTE700 is operating at a lower frequency band of 700 MHz and so the antenna requires a relatively larger size. This imposes tremendous difficulties to design the MIMO antennas for mobile terminals. Our proposed MIMO antenna consists of two symmetrical elements, each having three radiating branches. Computer simulation is used to study and design the antenna. Simulation results show that the proposed MIMO antenna can generate two frequency bands, a lower band to cover the LTE (lower band operation and a higher band to cover the DCS1800, PCS1900, UMTS-2100 and Wibro Band (2.3-2.4 GHz systems, the 2.4-GHz band for the WLAN system, and upper band for the WiMax system. To reduce mutual coupling and hence increase isolation between the two antenna elements, a straight slit is cut on the printed-circuit board (PCB serving as ground. Simulation results show that the slit can increase the isolation for both the wide higher and lower bands of the antenna. The structures of the two antennas and the length of the slit are studied and optimized by using computer simulation.
II. MIMO ANTENNA DESIGN
The geometry of the proposed MIMO antenna for mobile phone applications is shown in Fig. 1. The antenna consisted of two elements placing at the upper and lower corners of a PCB with a volume of 50×110×0.8 mm2. An area 10×45 mm2was cut at the corners of the PCB to make rooms for placing the two antenna elements. The two elements were mirror images of each other on the PCB, hence complementing the radiation patterns. The two elements were placed on the top side of the PCB to achieve good diversity performance and lower correlation coefficient for the MIMO antenna [4].
The 2D layout for the antenna elements is shown in Fig. 2. Folding along the two dotted lines would make a 3D antenna as shown in Fig. 1. In Fig. 2, branch 1 was printed on the PCB for the ground plane. The other parts were in a 3D space. The parasitic element was placed near to the antenna element to widen the bandwidth of the upper band at about 2.5 GHz. In order to achieve good matching for the monopole antenna, two identical lumped impedance networks were used at Ports 1 and 2, with each network having an inductance of 5.6 nH to connect in parallel. The long branch of the radiating element in Fig. 2 was used to generate the lower bands (Bands 13 & 14 for LTE. Branches 1 & 2 were used to set the resonant frequency to about 2 GHz, which could generate a remarkably wide higher band. The parasitic element was used for the 2.4-GHz WLAN and WiMAX systems.
For MIMO antennas installed on the space-limited mobile terminals, the mutual coupling between the antenna elements will be very a serious concern, due to the sharing of the ground plane where surface currents flow. This is more serious for low frequency bands as the electrical size (space compared to the wavelength of the ground plane becomes smaller. In our proposed MIMO antenna, we cut a slit on the PCB serving as ground to improve the isolation and hence reduce the coupling between the two antenna elements. By cutting the slit, the surface currents on the ground plane would be forced to flow along the slit, which would increase the current path on the ground plane. As a result,
the currents on the PCB would become much weaker, hence reducing the effects of the mutual coupling between the MIMO elements and improving the isolation [5]. However, in this design, the length of the slit must be optimized. Computer simulation was used for optimization of the slit in our MIMO antenna and results showed the optimized dimension for the slit is 37.5×1 mm2.
Fig. 1 Geometry of proposed MMO antenna
Fig. 2 Structure of radiating element
III. S IMULATION R ESULTS
The MIMO antenna was simulated using the EM simulation tool CST, and the simulated S parameters with and without having the slit are shown in the Fig. 3. It can be seen from the simulated results that the antenna had two operation bands, a lower band in the 770-MHz region and a higher band in about the 2-GHz region. In the lower band, a 6-dB return loss could be achieved for the LTE700 Bands 13 & 14 (746-798 MHz. For the higher band, the MIMO antenna had sufficient bandwidth to cover the DCS1800,
PCS1900, UMTS2100, WiBro (2.3-2.4 GHz, 2.4-GHz WLAN, and M-WiMAX (2.5-2.7 GHz systems. Figure 3 shows that, without having the slit on the PCB ground, the isolation of the MIMO antenna was just about -7 dB in the LTE band and about -10 dB in
the upper band (1.71-2.1GHz. With the use of the slit, the isolation was increased from -7 to -10 dB in the LTE band, and from -10 to -15 dB in the higher band (1.71-2.1 GHz. There were small degradations from 2.1 to 2.7 GHz with the slit. The simulated gains and the efficiencies of the two antenna elements are shown in Table I. The proposed MIMO antenna operated quite well in the working bands.
The simulated 3D radiation patterns of the MIMO antenna at 0.77 GHz, 2 GHz and 2.45 GHz shown in Figs. 4 and 5. It can be seen that by placing the elements with mirror images of each other, the 3D radiation patterns of each elements could complement each other.
Fig. 3 Simulated S parameters
T ABLE 1S IMULATED GAINS AND EFFICIENCIES
Frequency 0.77 GHz 1.71 GHz 2GHz 2.45GHz
Ant 1# 0.87 dBi 2.56 dBi 3.27 dBi 3.75 dBi
Ant 2# 0.87 dBi 2.56 3.26 dBi 3.76 dBi
Ant 1# 67.66% 56.42% 66.83% 66.69%
Ant 2# 67.69% 56.54% 66.62% 67.75%
(a 770 MHz (b 1.71 GHz (c 2 GHz
Fig. 4 Port 1 simulated 3D radiation pattern
(a 770 MHz (b 1.71 GHz (c 2 GHz
Fig. 5 simulated Port 2 3D radiation pattern
IV.CONCLUSIONS
A multiband MIMO antenna for mobile phones applications has been proposed. The antenna consists of two antenna elements and can be used to for systems such as the LTE (bands 13 & 14, DCS1800, PCS1900, UMTS-2100, Wibro Band (2.3-2.4 GHz, 2.4 GHz WLAN, and WiMax (2.5-2.7 GHz systems. A slit cut on the ground plane has been proposed to reduce the coupling and increase the isolation of the two elements. Results have shown that the isolation of the proposed MIMO with slit on the PC
B ground is about -10 dB at the LTE band, and -15 dB at the upper band (1.71-
2.1GHz.
R EFERENCES
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手机内置天线设计 在手机制造商中，为什么大家公认NOKIA的手机信号好呢？为什么大家都认为MOTO的手机信号好且性能稳定呢？主要原因是NOKIA和MOTO等大公司在天线与RF方面的设计流程的理念与国内厂商不一样。像MOTO公司所要主张的那样，手机设计首先要保证信号好，即RF性能好；其次要保证音频性能好，话都听不清打什么电话呢？所以，在他们的初期方案中就包含了与天线相关的基于外观、主板、结构等的总体环境设计。由于外观、主板、结构、天线是作为一个整体，提供给天线的预留空间及内部的RF环境十分合理，所以天线性能优越也在情理之中。 反观国内的手机设计，负责项目管理和主持项目设计的人员对天线的认识不足，同时受结构方案和外形至上的制约，到最后来“配”天线，对天线的调试匹配占了整个天线设计流程的大部份时间，这与包含天线的整体方案设计有本质的区别，往往就导致留给天线的面积和体积不足，或在天线下面安置喇叭、摄像头、马达、FPC 排线等元件，造成天线性能下降。实际上，如果在方案预研和总体设计阶段，让RF 与天线方面的技术人员有效参与进来，进行有效的RF和天线设计沟通和评估，ID、结构、RF设计兼顾天线和整体性能，那么设计出优质的手机产品有什么难的呢？ 一、内置天线对于手机整体设计的通用要求 主板 a.布线在关联RF的布线时要注意转弯处运用45度角走线或圆弧处理，做好铺地隔离和走线的特性阻抗仿真。同时RF地要合理设计，RF信号走线的参考地平面要找对（六层板目前的大部份以第三层做完整的地参考面），并保证RF信号走线时信号回流路径最短，并且RF信号线与地之间的相应层没有其它走线影响它（主要是方便PCB布线的微带线阻抗的计算和仿真）。PCB板和地的边缘要打“地墙”。从RF模块引出的天线馈源微带线，为防止走线阻抗难以控制，减少损耗，不要布在PCB的中间层，设计在TOP面为宜，其参考层应该是完整地参考面。并且在与屏蔽盒交叉处屏蔽盒要做开槽避让设计，以防短路和旁路耦合。天线RF馈电焊盘应采用圆角矩形盘，通常尺寸为3×4mm，焊盘含周边≥0.8mm的面积下PCB所有层面不布铜。双馈点时RF与地焊盘的中心距应在4～5mm之间。 b.布板RF模块附近避免安置一些零散的非屏蔽元件，屏蔽盒尽量规整一体，同时少开散热孔。最忌讳长条形状孔槽。含金属结构的元件，如喇叭、马达、摄像头基板等金属要尽量接地。对于折叠和滑盖机，应避免设计长度较长的FPC（FPC 走线的时钟信号及其倍频容易成为带内杂散干扰），最好两面加接地屏蔽层。 c.常见问题 对于传导接收灵敏已经满足要求（或非常优秀）但整机接收灵敏度差的情况，特别是PIFA天线，其辐射体的面积和形式还是对辐射接收灵敏度有一定的影响，可以在天线方面做改进。 整机杂散问题原因在于天线的空间辐射被主板的金属元件（包括机壳上天线附近的
天线设计与仿真 天线印制在一块厚度为1.6 mm、相对介电常数为4.4 的FR4印刷电路基板上，天线结构如图1所示。天线的辐射单元为E形缝隙，E形缝隙结构紧凑，且雕刻在地板的顶部，减小了天线的尺寸。E形缝隙天线采用阶梯微带线馈电方式，确保天线在较宽的频带内获得良好的阻抗匹配。天线的地板的长度为80 mm、宽度为40 mm，能满足大部分手机天线的要求。 E形缝隙作为天线的辐射单元，印刷在地板的顶部，中间缝隙枝节(A)终端开路。E形缝隙天线可以分解为三条谐振路径缝隙天线，即从枝节A分别到枝节B和C形成的两条1/4波长开路缝隙天线，和从枝节B到枝节C形成的传统半波长缝隙天线。作为谐振型天线，可以通过调整各谐振路径的设计参数，来控制它们的谐振频率。E形缝隙三条谐振路径的基本谐振频率(分别为f1、f2和f3)可以分别通过下面的等式得到： 1 f(1) 2 f (2) 3 f(3) 其中L11、L22和L33分别为谐振路径1、2和3的总 长度，c为光速， eff ε为相对介电常数。根据上面的阐述，这种E形缝隙天线的设计步骤可以概括为如下所述。首先确定微带线馈电结构的尺寸，使馈电端口的特征阻抗约为50Ω；然后根据等式(1)～(3)确定E形缝隙各谐振路径的初始长度，使各辐射单元能辐射产生给定的谐振频率；最后调整天线其他的设计参数(如L1、L2、L3、W1)的尺寸，使天线具有良好的双频特性，满足设计要求。 根据上面阐述的设计步骤，我们首先应用电磁仿真软件Ansoft HFSS对天线进行了初始化设计，获得天线的尺寸参数如图1所示，天线所占的总尺寸为40 ×14 × 1.6 mm。为了说明各谐振路径的辐射特性，我们分别对各缝隙天线进行了仿真（对应的设计参数与图1中的尺寸相同），仿真的各缝隙天线的回波损耗如图2所示。从图中可以看出，当只有谐振路径1时，该缝隙天线只在低频产生单个谐振频率；当只有谐振路径3时，天线只在高频产生两个谐振频率；当谐振路径1、2和3组合在一起形成E形缝隙天线时，天线能在产生3个谐振频率，并由它们形成高低频两个通带。 (a) E形缝隙天线结构(单位： mm) (b) E形缝隙天线谐振路径 图1 天线结构和谐振路径 图2 各缝隙天线的回波损耗 通过电磁仿真软件Ansoft HFSS仿真，图3给出了E形缝隙天线的电流分布情况。从图中可以看出，在低频谐振频率920 MHz时，电流主要聚集在谐振路径1缝隙周围，说明920 MHz谐振频率是由谐振路径1辐射产生的，即谐振路径1缝隙是低频段辐射单元；在1830 MHz时，电流主要集中在谐振路径2缝隙周围，由谐振路径2辐射产生1830 MHz谐振
三分钟告诉你！如何应对多频手机中的天线问题 中心论题：多频手机对开关技术要求 射频开关的设计要求 解决方案：射频开关要求具有低插损、高隔离和线性度特点 使用UltraCMOS制造的开关应对多频手机体积缩小的挑战 现在手机中的射频信号通道越来越拥挤。蜂窝电话已经从双频向三频甚至四频快速发展。这些复杂手机还需要处理来自外围无线设备的各种信号，如蓝牙、Wi-Fi和GPS。而随着WiMAX和LTE（4G）的加入，这种复杂度将越来越高。在移动电话中，天线开关控制着天线接入所有这些无线信号，实质上起着网守的作用。 多频手机设计面临着很大的挑战，因为所有这些信号工作在不同的带宽，而且它们都需要接入天线。为了取得最优的性能和外形尺寸，它们最好能通过单个射频开关接入天线。对开关制造商来说，这意味着从单刀四掷（SP4T）相应发展到SP7T甚至SP9T配置才能处理越来越多的信号。这种先进的开关需要能够处理由宽带CDMA（WCDMA）和低功率I/O无线设备带来的额外移动通信频段的接入。 可以预期的是，手机复杂性会越来越高，要求能够处理更多频段的信号。市场将至少标准化七个频段，并且要留出一个空间给第八个频段（LTE）使用。即使今后发生合并，射频电路中由于合并留出的空间也会很快被越来越流行的、也需要接入天线的外围无线电设备和功能所挤占。 为了支持互联网、多媒体和视频，3G移动手机市场已经转向WCDMA。相应的GSM也演变成GSM/WCDMA双模技术。为了满足全球需求，目前的GSM手机最多有4个发送（Tx）和4个接收（Rx）通道。增加WCDMA后每个新的频段都要增加另外一个Tx/Rx 通道。目前的移动手机设计倾向于采用4xGSM（850、900、1800、1900MHz）和3xWCDMA （850、1900、2100MHz）前端。因此，手机复杂度已经达到空前的水平。 多频手机中的任何设计折中都要求满足或超过所有标准提到的性能等级。一般情况下，多模多频的移动手机使用单个功放模块来处理四频GSM/EDGE信号。另一方面，每个
第26卷第5期 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报 Vol.26,No.5 2010年9月 Journal of Qiqihar University Sep.,2010 基于HFSS 的4×24微带阵列天线的研究与设计 惠鹏飞，夏颖，周喜权，陶佰睿，苗凤娟 （齐齐哈尔大学 通信与电子工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006） 摘要：微带阵列天线的馈电方式有微带线馈电和同轴馈电两种方式，本文利用HFSS软件对微带阵列天线进行了研 究，分析了两种馈电方式的传输损耗及其对天线方向图的影响，利用模块化的设计方法实现了一种基于同轴线馈 电结构的多元矩形微带阵列天线。在HFSS仿真设计环境里对天线进行了物理建模，该微带阵列天线的方向图特性 良好，工程上实现比较方便。 关键词：微带阵列天线；模块化设计；HFSS 仿真；物理建模；方向图 中图分类号：TN820.1 文献标识码：A 文章编号：1007-984X(2010)05-0009-04 随着无线电技术的发展，微带天线在许多领域得到了越来越广泛的应用，主要应用场合包括：卫星通信、多普勒雷达及其它制式雷达、导弹遥测系统、复杂天线中的馈电单元等[1] 。微带天线通常采用天线阵列的形式，由馈电网络控制对天线子阵的激励幅度和相位，以获得高增益、强方向性等特点。 微带阵列天线的馈电方式主要有微带线馈电和同轴线馈电方式两种。利用微带线馈电时，馈线与微带贴片是共面的，因此可以方便地光刻，但缺点是损耗较大，在高效率的天馈系统里的应用受到较大限制[2]。本文首先对微带馈电网络产生的损耗进行了详细分析，利用HFSS 软件设计了2×4结构的微带子阵，采用同轴馈电的方式，利用模块化设计方法和方向图叠加原理最终实现了4×24矩形微带阵列天线，仿真设计结果表明，该大型矩形微带阵列天线的各项指标参数良好，设计思想得到了很好的验证。 1 微带阵列及馈电网络损耗分析 1.1 微带阵列理论 微带天线单元的增益较小，一般单个贴片单元的辐射增益只有6～8 dB，为了实现远距离传输和获得更大的增益，尤其是对天线的方向性要求比较苛刻的场合，常采用由微带辐射单元组成的微带阵列天线，如果对增益要求较高，可采用大型微带阵列天线结构[3]。 首先分析平面微带阵列天线的激励电流与电场分布情况，无论是线天线还是面天线，其辐射源都是高频电流源，天线系统将高频电流源的能量转换成电磁波的形式发射出去，讨论电流源的辐射场是分析天线的基础。假设由若干相同的微带天线元组成的平面阵结构，建立三维坐标系分析阵列天线的场量分布情况。以阵列的中心为坐标原点，天线在x 轴方向和y 轴方向的单元编号分别用m 和n 表示。以原点天线单元为相位参考点，为了简化分析，假设阵列中各单元间互耦影响可以忽略不计，各单元激励电流为 j()e xs ys m n mn I ψψ?+，天线阵在远区的辐射总场(,)E θ?为 ()(,)(,)E f S θ?θ?θ??,= 式中，(,)f θ?为阵元的方向性函数，(,)S θ?为平面阵的阵方向性函数。平面阵因子是两个线阵因子的乘积，可以利用线阵方向性分析的结论来分析平面阵列的方向性。 1.2 馈电网络及损耗分析 天线只有承载高频电流才能有电磁波辐射，馈线指将高频交流电能从电路的某一段传送到另一段所用 的设备，对天线的馈电包括对单元天线的馈电和阵列天线的馈电两种形式。当利用传输线对阵列结构进行 收稿日期：2010-06-06 基金项目：齐齐哈尔市科技局工业攻关项目（GYGG-09011-2） 作者简介：惠鹏飞（1980-）,男，辽宁凌源人，讲师，硕士，主要从事雷达极化信息处理的研究，weibo505@https://www.doczj.com/doc/6a13005607.html,。
手机内置天线慎用FPC 目前，研发和生产的手机内置天线绝大多数是由金属弹片和塑料支架组成。此种结构形式可以保证安装可靠、天线性能稳定。其缺点是： 需要开发和制作五金及塑料模具，制作周期长，费用较高。制作一套连续冲五金模具最快也要五至六天，制作一套塑胶模具最快也要六至七天。通常情况，一套五金加塑胶模具总费用在万元以上。为了缩短研发周期，规避产品研发失败而产生的模具费用损失，人们尝试用FPC（柔性线路板）代替五金弹片甚至代替天线支架，取消传统的热熔工艺，用不干胶直接粘在手机外壳（或天线支架）上。此种简单、快捷的天线生产工艺到底怎样呢？ 近年来，我们总计生产了几十套FPC天线，根据我们对此种天线质量的分析和对最早使用该种天线的手机生产商调查，我们的结论是： 使用FPC粘到手机外壳（或支架）的天线，存在一定质量隐患。每家FPC 厂都是用生产普通线路板的流程来生产天线，从FPC投料到天线出厂检验很难做到像五金和塑料天线一样规范化操作，生产标准、生产工艺无法控制，更难保证各批次性能一致。如果确实需要使用FPC则必须在设计、生产和检验中应该注意如下问题： （一）在FPC天线中不干胶是重要固定材料，优良的永久性粘胶剂、合适的粘贴工艺是该天线质量的重要保证。然而，天线厂对于选用良好不干胶、不干胶的成分合成、不干胶的使用方法等了解甚少，或者可说是束手无策，形成完全依赖FPC线路板厂，失去质量控制，这种状态必须改变。 1。不同的被粘贴物表面对粘贴影响很大，粗燥的被粘贴物表面就需要粘度较强的粘胶剂，不然天线容易翘起即粘性不如人意。 2。被粘贴表面有平面和曲面之分，如果天线设计具有一定弧度则必须具有很强的粘合力。 3。FPC基材的柔性对于不干胶的粘合非常重要，特别是天线弧度较大时则必须有很好的柔性，否则，这款天线在短期内就会发生性能变化。较薄的基材有较好的柔性，然而这与天线性能存在矛盾。
基于HFSS的双频微带天线仿真及设计 随着无线通信技术的快速发展，无线通信已经广泛应用到雷达"移动通信"卫星定位"无线局域网络"卫星电视等诸多领域!而天线则是无线通信系统中信号发射和接收的关键部分，它直接影响着无线通信的性。随着移动通信中跳频"扩频等通信技术的发展，同时为了满足与多个终端的通信要求，实现多系统共用和收发共用等功能，这就要求天线在不同频段下工作。因此天线的多频段通信技术成为现代无线通信领域迫切需要研究的问题。 微带天线有多种馈电方式，其中同轴线馈电是一种最常用的馈电方式!同轴线馈电是将同轴插座安装在接地板上，本文在一种常用的2.45GHz同轴馈电微带天线的基础上，利用HFSS三维电磁仿真软件合理设计同轴馈电的位置及改变辐射贴片的尺寸，使天线获得一个新的谐振频率，大小为 1.9GHz，且输入阻抗为50Ω左右，并且对仿真结果进行了详细的分析。最后根据仿真结果制作天线实物，在实际的电磁环境下对天线的驻波比进行测试，得到较好的效果。 1 2. 45 GHz同轴馈电微带天线参数 一种常用的2. 45 GHz同轴馈电微带天线的原理图如图1和图2所示
图1 中L0为辐射贴片X轴长度，L0= 27．9 mm; W0为辐射贴片Y 轴长度宽度，W0= 40 mm; L1为同轴馈电点离辐射贴片中心距离，L1 = 6.6 mm。图 2 中介质基片厚度H = 1． 6 mm; 介质基片介电常数ε = 4.4。 2双频微带天线设计 在 2． 45 GHz 微带天线中的辐射贴片在 X 轴方向的长度为 27． 9 mm，同轴线馈电点( A 点) 离辐射贴片中心距离为 6． 6 mm。只需在此基础上分析给出微带天线的辐射贴片在Y轴方向的长度和同轴线馈电点 ( B 点) 的位置，能够使天线能够工作于9 GHz，然后过 A 点和 B 点的垂直相交点( C 点) 即为需要找到的双频馈电点。X轴上的 A 点为激发2． 45 GHz 工作频率的馈电点，其输入阻抗为 50 Ω左右，由于 A 点位于辐射贴片Y轴方向的中心线上，因此不会激发Y轴上的工作频率。同时，Y轴上的 B 点为激发 1． 9 GHz 工作频率的馈电点，其输入阻抗为50 Ω左右，由于位于辐射贴片X方向的中心线上，因此不会激发X轴上的工作频率。如果将馈电点放置于C点位置，此时天线可以同时激发X轴的工作频率和Y轴的工作频率，且在这两种模式下均能得到50 Ω左右的输入阻抗，那么此时天线就可以实现双频工作。 扩展1. 95 GHz谐振频率后的馈电点(C点)位置如图3所示。
5G 微带阵列天线 要求：利用介质常数为2.2，厚度为1mm ，损耗角为0.0009的介质，设计一个工作在5G 的4X4的天线阵列。 评分标准： 良：带宽〈7% 优：带宽〉7%且效率大于60% 1微带辐射贴片尺寸估算 设计微带天线的第一步是选择合适的介质基板，假设介质的介电常数为r ε，对于工作频率f 的矩形微带天线，可以用下式设计出高效率辐射贴片的宽度W ，即为： 1 21()2 r c w f ε-+= 式中，c 是光速，辐射贴片的长度一般取为/2e λ；这里e λ是介质的导波波长，即为： e λ= 考虑到边缘缩短效应后，实际上的辐射单元长度L 应为： 2L L = -? 式中，e ε是有效介电常数，L ?是等效辐射缝隙长度。它们可以分别用下式计算，即为： 1 211 (112)22r r e h w εεε-+-= ++
(0.3)(/0.264) 0.412 (0.258)(/0.8) e e w h L h w h ε ε ++ ?= -+ 2.单元的仿真 由所给要求以及上述公式计算得辐射贴片的长度L=19.15mm,W=23.72mm。采用非辐射边馈电方式，模型如图1所示： 图1 单元模型 此种馈电方式，可以通过移动馈电的位置获得阻抗匹配，设馈电点距离上宽边的偏移量为dx,经仿真得到当dx=4mm时，阻抗匹配最好。另外，之前计算出的尺寸得到的谐振点略有偏移，经过仿真优化后贴片尺寸变为L=19mm,W=23.72mm。仿真结果图如图2，图3所示。
图2 S11参数 图3 增益图 从图中可以看出谐振点为5GHz，计算的相对带宽为2.2%，增益为5.78dB。 2. 2×2阵列设计
一设计容简介 双频工作是微带天线设计的重要课题之一，相关的设计包括使用多层金属片，具槽孔负载之矩形金属片，具矩形缺口的正方形金属片，具短金负载的金属片，倾斜槽孔耦合馈入的矩形金属片等。其中，获得双频工作的一种最简单的方法是辐射贴片的长度对应一个频率谐振，其宽度对应另一个频率谐振，然后从对角线的一角馈电，就能使同一个辐射贴片工作于两个频率上。其结构如图1所示。 图1 故在这个设计中，L1是表示馈电点长度方向的x坐标的变量，其值为7mm,表示的中心频率为2.45GHZ，输入阻抗为50欧姆。L2是表示馈电点的y坐标的变量，其值为10mm,表示的中心频率为1.7GHZ。输入阻抗为50欧姆。 设计模型的中心在坐标原点上，辐射贴片的长度方向是沿着x轴方向，宽度 方向是沿着y方向的。介质基片的大小是辐射贴片的两倍，参考地面辐射贴片使用理想薄导体。因为使用50欧姆的同轴线馈电，这里使用半径为0.6mm的材质 为pec的圆柱体模型。而与圆柱体相接的参考地面需挖出一个半径为1.5mm的圆孔，将其作为信号输入输出端口，该端口的激励方式设置为集总端口激励，端口归一化阻抗为50欧姆。 HFSS仿真设计过程 1.新建工程文件 （1）运行HFSS并新建工程：双击快捷图标，启动HFSS软件。新建一个工程文件，工程名为Dual_Patch.hfss文件。 （2）设置求解类型：选择hfss→Solution Type,选中Driven Modal,然后点击OK。（3）设置模型长度：选择Modeler→Units选项设置为mm。点击OK。
2.添加和定义设计变量 在HF SS →Design Propertied 命令，打开设计属性对话框，然后单击对话框。在Name文本框中输入第一个变量名称H，在value文本框中输入该变量的初始值为1.6mm。 使用相同的方法，分别定义变量L0,W0,L1,length，L2。其初始值分别为28mm，37.26mm,7mm，30mm，10mm点击确定。设计属性对话框如图所示。 3.设计建模 （1）创建介质基片：在主菜单中选择Draw→Box命令，进入创建长方体的状态，然后三维模型窗口创建任意一个长方体。打开新建长方体属性对话框，把长方体的名称修改为Substrate,设置材质为FR4_epoxy,设置透明度为0.6.再双击历史树Substrate下的CreateBox选项，打开Command选项卡，在position文本框中输入顶点位置坐标为（-L0，-W0，0），在Xsize,Ysize和Zsize文本框中分别输入长方体的长宽高为2*L0，2*W0，H。如图3-1所示。这时就创建好了名称为Substrate 的介质基片模型。然后按Ctrl＋D 全屏显示物体模型。 图3-1介质基片模型 （2）创建辐射贴片：在主菜单中选择Draw →rectangle命令，进入创建矩形面的状态，然后任意创建一个矩形面。双击Solids节点下的rectangle1选项，打开新建矩形面属性对话框的Attribute选项卡，把矩形面的名称修改为Patch,设置透明度为0.4.再双击历史树Substrate下的Createrectangle选项，打开Command 选项卡，在position文本框中输入顶点位置坐标为（-L0/2，-W0/2，H），在Xsize,Ysize文本框中分别输入矩形面的长宽为L0，W0。如图3-2所示。这时就创建好了名称为patch辐射贴片模型。然后按Ctrl D 全屏显示物体。
通信工程专业实训 题目：手机内置天线的设计 专业：通信2班 学号：1167119226 姓名：李盼 指导老师：杜永兴 分数：_________________
目录 摘要： 关键字： 第一章：背景介绍 第二章：实训过程记录第三章：实训结论 第四章：实训总结 第五章：参考文献
摘要：现在的电子通讯技术飞速发展，随着技术可经济的推进，人们对手机的要求越来越高，然而手机的基本功能就是打电话，而对手机的内置天线要求就更高难度更大，小型化，并且能工作在不同的频段下，文中主要研究双频手机PIFA天线。采用了开槽的的设计方法实现了天线的双频，工作性能良好，易于实现，现在大多数手机都使用这种天线。 关键字：PIFA天线，双频，GSM,DCS,HFSS 第一章：背景介绍 1.1 移动通信对手机天线的要求 天线最主要的功能在于转换两种不同传播介质中的电磁波能量。在能量转换的过程中，会出现收发信机与天线及天线与传播介质之间的不连续接口。在无线通讯系统中，天线必须依照这两个接口的特性来做适当的设计，以使得收发信机、天线以及传播介质之间形成一个连续的能量传输路径。 移动通信手机对天线的要求： 外在要求： 天线尺寸小，重量轻，剖面低，携带方便，机械强度好 电性能要求： 水平面要求有全向辐射方向图，频带宽，效率高，增益高，受周围环境影响小，对人体辐射伤害小 1.2 手机天线的指标意义 天线输入阻抗： 天线的输入阻抗是以收发机与天线间的接口往天线端看入所得到的阻抗值。这一数值对天线的辐射效率，天线的带内增益波动，天线前端的功率容量有很大的影响。手机天线是一种驻波天线，，天线的阻抗不匹配，将导致大量的信号反射，使天线的辐射效率降低，同时由于反射的影响使得天线在宽频带内的增益有抖动，如果天线的驻波为6，手机前端的击穿电压将降为原来的1/6，而功率容量就会下降。 手机天线驻波对天线效率的影响不可不慎。 天线的驻波要求，我们目前统一要求为小于3。
一设计内容简介 双频工作是微带天线设计的重要课题之一，相关的设计包括使用多层金属片，具槽孔负载之矩形金属片，具矩形缺口的正方形金属片，具短金负载的金属片，倾斜槽孔耦合馈入的矩形金属片等。其中，获得双频工作的一种最简单的方法是辐射贴片的长度对应一个频率谐振，其宽度对应另一个频率谐振，然后从对角线的一角馈电，就能使同一个辐射贴片工作于两个频率上。其结构如图1所示。 图1 故在这个设计中，L1是表示馈电点长度方向的x坐标的变量，其值为7mm,表示的中心频率为2.45GHZ，输入阻抗为50欧姆。L2是表示馈电点的y坐标的变量，其值为10mm,表示的中心频率为1.7GHZ。输入阻抗为50欧姆。 设计模型的中心在坐标原点上，辐射贴片的长度方向是沿着x轴方向，宽度 方向是沿着y方向的。介质基片的大小是辐射贴片的两倍，参考地面辐射贴片使 用理想薄导体。因为使用50欧姆的同轴线馈电，这里使用半径为0.6mm的材质 为pec的圆柱体模型。而与圆柱体相接的参考地面需挖出一个半径为1.5mm的圆孔，将其作为信号输入输出端口，该端口的激励方式设置为集总端口激励，端口 归一化阻抗为50欧姆。 HFSS仿真设计过程 1.新建工程文件 （1）运行HFSS并新建工程：双击快捷图标，启动HFSS软件。新建一个工程文件，工程名为Dual_Patch.hfss文件。 （2）设置求解类型：选择hfss→Solution Type,选中Driven Modal,然后点击OK。
（3）设置模型长度：选择Modeler→Units选项设置为mm。点击OK。 2.添加和定义设计变量 在HFSS →Design Propertied 命令，打开设计属性对话框，然后单击对话框。在Name文本框中输入第一个变量名称H，在value文本框中输入该变量的初始值为1.6mm。 使用相同的方法，分别定义变量L0,W0,L1,length，L2。其初始值分别为28mm，37.26mm,7mm，30mm，10mm点击确定。设计属性对话框如图所示。 3.设计建模 （1）创建介质基片：在主菜单中选择Draw→Box命令，进入创建长方体的状态，然后三维模型窗口创建任意一个长方体。打开新建长方体属性对话框，把长方体的名称修改为Substrate,设置材质为FR4_epoxy,设置透明度为0.6.再双击历史树Substrate下的CreateBox选项，打开Command选项卡，在position文本框中输入顶点位置坐标为（-L0，-W0，0），在Xsize,Ysize和Zsize文本框中分别输入长方体的长宽高为2*L0，2*W0，H。如图3-1所示。这时就创建好了名称为Substrate 的介质基片模型。然后按Ctrl＋D 全屏显示物体模型。 图3-1介质基片模型 （2）创建辐射贴片：在主菜单中选择Draw →rectangle命令，进入创建矩形面的状态，然后任意创建一个矩形面。双击Solids节点下的rectangle1选项，打开新建矩形面属性对话框的Attribute选项卡，把矩形面的名称修改为Patch,设置透明度为0.4.再双击历史树Substrate下的Createrectangle选项，打开Command 选项卡，在position文本框中输入顶点位置坐标为（-L0/2，-W0/2，H），在
射频微带阵列天线设计 摘要 微带天线是一种具有体积小、重量轻、剖面低、易于载体共形、易于与微波集成电路一起集成等诸多优点的天线形式，目前已在无线通信、遥感、雷达等诸多领域得到了广泛应用。同时研究也发现由于微带天线其自身结构特点，存在一些缺点，例如频带窄、增益低、方向性差等。通常将若干单个微带天线单元按照一定规律排列起来组成微带阵列天线，来增强天线的方向性，提高天线的增益。 本文在学习微带天线和天线阵的原理和基本理论，加以分析，利用Ansoft 公司的高频电磁场仿真软件HFSS，设计了中心频率在10GHz的4元均匀直线微带阵列，优化和调整了相关参数，然后分别对单个阵元和天线阵进行仿真，对仿真结果进行分析，对比两者在相关参数的差异。最后得到的研究结果表明，微带天线阵列相较于单个微带天线，由于阵元间存在互耦效应以及存在馈电网络的影响，微带阵列天线的回波损耗要大于单个阵元。但是天线阵列增益明显大于单个微带天线，且阵列天线比单个阵元具有更好的方向性。
关键词：微带天线微带阵列天线方向性增益 HFSS仿真 Design of Radio-Frequency Microstrip Array Antenna ABSTRACT Microstrip antenna is a kind of antenna form with many advantages like,small size, light weight, low profile, easy-to-carrier conformal, easy integration with many other of microwave integrated circuits and so on. Now microstrip array wildly applied in the filed of wireless
泉州师范学院 毕业论文（设计） 题目一种用于WLAN的双频微带天线的设计与分析 物理与信息工程学院电子信息科学与技术专业07 级学生姓名刘文杰学号070303048 指导教师余燕忠职称副教授 完成日期2011年4月 教务处制
一种用于WLAN的双频带微带天线的设计与分析 物理与信息工程学院电子信息科学与技术专业 070303048 刘文杰 指导教师余燕忠副教授 【摘要】对于频谱的资源日益紧张的现在通讯领域，迫切要求天线具有双极化的功能。利用Ansoft HFSS 设计一个微带天线结构，使其具有双频带特性，微带天线的两个工作中心频率分别为2.4GHZ和5.8GHZ。本文提出并设计一款双频微带天线的结构，借助HFSS软件对该结构进行仿真。经过仿真分析，该天线的谐振频率分别为：2.53GHZ和6.05GHZ的相对带宽分别达到632%和10.8%，满足无线局域网的标准的要求。【关键词】Ansoft HFSS；微带天线；双频带；无线通讯。
目录 引言 (5) 第一章微带天线的简介 (6) 1.1当今天线的发展趋势 (6) 1.2微带天线研究的背景 (6) 1.3双频微带天线的研究意义 (6) 第二章双频微带天线设计 (7) 2.1双频微带设计的任务 (7) 2.2双频微带天线设计的基本要求 (7) 2.3双频微带天线设计方案论证 (7) 2.4A NSOFT HFSS软件的介绍 (7) 2.5A NSOFT HFSS设计的流程 (9) 2.6A NSOFT HFSS可显示的参数 (9) 2.7双频微带天线的设计过程 (10) 第三章双频微带天线的仿真及分析 (12) 3.1天线的仿真图形 (12) 3.2改变天线的双缝宽度对天线的影响 (144) 3.3改变天线的双缝位置对天线的影响 (17) 3.4天线的改进方向 (19) 第四章微带天线的优化设计 (20) 4.1优化设计的定义 (20) 4.2优化设计的步骤 (20) 4.3对微带天线的优化设计 (20) 4.4优化后微带天线的性能 (21) 第五章结束语...................................................................................................... 错误！未定义书签。致谢........................................................................................................................ 错误！未定义书签。
线极化微带天线阵列的设计 摘要 微带、微波起源于上世纪中期，在上世纪末就已经展开了对实用天线的研究并制成了第一批实用天线，现在微带天线方面，无论在理论还是应用，都已经取得了很大进展，并在深度和广度上都获得了进一步发展。微带天线技术越来越成熟，其应用与我们的生活、军事、科技都息息相关。体积小、重量轻、剖面薄是微带天线优于普通天线的特点，并且它适合用于印刷电路技术大批量生产，所以能够制成与导弹、卫星表面相共型的结构。因此微带天线在军事、无线通信、遥感、雷达等领域得到了广泛的应用。但是根据微带天线自身的结构特点，仍存在一些缺点，例如频带窄、效率低、增益低、方向性差。解决这些问题的方法就是：将若干个天线单元有规律的排列起来，通过利用这些天线单元构成天线阵列，从而来提高天线的增益、增强天线的方向性。 本文在学习微带天线理论及微带天线阵列基本理论的基础上，利用高频电磁仿真软件HFSS对阵列天线进行仿真设计。设计了中心频率在5.8GHz的阵列天线，对天线的特性进行了深入细致的研究。分别对单个天线阵元和天线阵列进行了仿真，天线阵列的增益明显大于单个微带天线，且方向性更好。因此采用天线阵列的形式进行仿真并对结果中各相关参数进行对比分析差异，优化调整了相关参数。仿真天线的各项指标均达到要求，进行了对实物的加工，在微波暗室内测试出天线的相关参数并与设计指标、仿真结果进行比较，最终达到了设计要求。 关键词：微带天线天线阵方向性增益 HFSS仿真
ABSTRACT Microstrip, microwave, originated in the middle of the last century, in the end of la st century has launched the research of practical antenna and made the first batch of pra ctical antenna, the microstrip antenna has made breakthrough progress now, no matter in theory or application on the depth and width of further development, this new antenna has been increasingly mature, its application to our daily life, military, science and techn ology are closely related. Compared with the common antenna microstrip antenna with small volume, light weight, the characteristics of thin section, it can be made with missil e and satellite surface phase structure, and suitable for mass production printed circuit te chnology. Therefore, microstrip antenna has been widely used in wireless communicatio n, remote sensing and radar. However, according to the structure of microstrip antenna, t here are still some shortcomings, such as narrow band, low efficiency, low gain and poo r directivity. The way to solve these problems is to arrange a number of antenna element s in a regular arrangement, and make up the antenna array to improve the gain and direc tion of the antenna. Based on the theory of microstrip antenna and basic theory of microstrip antenna ar ray, HFSS is used to analyze the array antenna. The array antenna with the center freque ncy of 5.8GHZ is designed, and the characteristics of the antenna are studied in detail. T he gain of antenna array is obviously larger than that of single microstrip antenna, and t he direction is better. Therefore, the antenna array was used for simulation and the corr elation parameters in the results were compared and analyzed, and the correlation param eters were optimized and adjusted. Simulation of the antenna of the indicators are up to par, the physical processing, and testing in microwave dark room to the related paramete rs of the antenna, and comparing with design index, the simulation results, finally reach ed the design requirements. Keywords: miccrostrip antennas antenna array directivity gain HFSS simulation
4G智能手机天线设计的解决方案 2010年全球移动数据消费量增长了倍。这是移动数据使用量连续三年接近3倍的增幅。到2015年，全球移动数据业务量有望增长到2010年的26倍。导致这种戏剧性增长的关键因素之一是智能手机和平板电脑的快速普及。全球移动数据用户希望他们的设备在全球任何地方都能高速联网。 这种期望给网络和设备性能带来了巨大的负担。在移动数据设备中，天线是“接触”网络的唯一部件，优化天线性能变得越来越重要。然而，智能手机和平板电脑中的4G天线设计所面临的挑战十分艰巨。尽管应对这些挑战有多种可行的解决方案，但每一种都会有潜在的性能折衷。 4G天线设计挑战 有许多因素会影响手持移动通信设备的天线性能。虽然这些因素是相关的，但通常可以分成三大类：天线尺寸、多副天线之间的互耦以及设备使用模型。 天线尺寸天线尺寸取决于三个要素：工作带宽、工作频率和辐射效率。今天的带宽要求越来越高，其推动力来自美国的FCC频率分配和全球范围内的运营商漫游协议；不同地区使用不同的频段。“带宽和天线尺寸是直接相关的”且“效率和天线尺寸是直接相关的”--这通常意味着，更大尺寸的天线可以提供更大的带宽和更高的效率。 除了带宽外，天线尺寸还取决于工作频率。在北美地区，运营商V erizon Wireless和AT&T Mobility选择推广的LTE产品工作在700MHz频段，这在几年前是FCC UHF-TV再分配频段的一部分。这些新的频段（17,704-746MHz和13,746-786MHz）比北美使用的传统蜂窝频段（5,824-894MHz）要低。这个变化是巨大的，因为频率越低，波长越长，因而需要更长的天线才能保持辐射效率不变。为了保证辐射效率，天线尺寸必须做大。然而，设备系统设计人员还需要增加更大的显示器和更多的功能，因此可用的天线长度和整个体积受到极大限制，从而降低了天线带宽和效率。 天线间互耦更新的高速无线协议要求使用MIMO（多入多出）天线。MIMO要求多根天线（通常是两根）同时工作在相同频率。因此，话机设备上需要放置多根天线，这些天线要同时工作且相互不能有影响。当两根或更多天线位置靠得很近时，就会产生一种被称为互耦的现象。 举例说明，移动平台上紧邻放置两根天线。从天线1辐射出来的一部分能量将被天线2截获，截获到的能量将在天线2的终端中损耗掉，无法得到利用，这可以用系统功率附加效率（PAE）的损耗来表示。根据互换性原理，这种效应在发送和接收模式中是相同的。耦合幅度反比于天线的分隔距离。对于手机实现而言，MIMO和分集应用中工作在相同频段的天线之间的距离可以是1/10波长或以下。例如，750MHz时的自由空间波长是400mm.当间隔很小时，比如远小于一个波长，则耦合程度会很高。天线之间耦合的能量是无用的，只会降低数据吞吐量和电池寿命。 设备使用模型与传统手机相比，智能手机和平板电脑的使用模型有很大变化。除了正常工作外，这些设备还要满足电磁波能量吸收比（SAR）和助听器兼容性（HAC）法规要求。 使用模型的另一个方面是消费内容的类型。诸如大型多人在线角色扮演游戏（MMORPG）和实时视频数据流等视频密集型移动应用不断推动数据使用率飙升。据ABI Research预测，从2009年到2015年，西欧和北美地区数据使用率有望分别以42%和55%的年复合增长率（CAGR）增长。这些相似的应用正在驱动制造商生产出更大尺寸、更高分辨率的显示屏。数据使用率的提高也在悄然改变消费者对这些设备的手持方式。例如，对于游戏应用来说，使用者必须用两手紧握设备两头，而其它应用程序可能根本无需用手握住设备。 越来越大的显示屏和使用者抓握方式的改变，使得为天线辐射单元找一个不被显示屏或
手机天线设计注意事项总结 一、主板 1.布线在关联RF的布线时要注意转弯处运用45度角走线或圆弧处理，做好铺地隔离和走线的特性阻抗仿真。同时RF地要合理设计，RF信号走线的参考地平面要找对，并保证RF信号走线时信号回流路径最短，并且RF信号线与地之间的相应层没有其它走线影响它。PCB板和地的边缘要打“地墙”。从RF 模块引出的天线馈源微带线，为防止走线阻抗难以控制，减少损耗，不要布在PCB的中间层，设计在TOP面为宜，其参考层应该是完整地参考面。并且在与屏蔽盒交叉处屏蔽盒要做开槽避让设计，以防短路和旁路耦合。 2.布板RF模块附近避免安置一些零散的非屏蔽元件，同时少开散热孔。最忌讳长条形状孔槽。天线投影区域内有完整的铺地，同时不要天线侧安排元器件，特别是含金属结构的元件，如喇叭、马达、摄像头基板等金属元件和低频驱动器件，要尽量接地。它们对天线的电性性能有很大的负面影响. 3.天线的空间辐射会被主板的金属元件（包括机壳上天线附近的金属成分装饰件）耦合吸收后产生一定量的二次辐射，频率与金属件的尺寸关联。会造成整机产生一定的杂散，整机杂散问题还与天线与RF模块之间的谐振匹配电路有关，如果谐振匹配电路的稳定性不好，很容易激发产生高次谐波的干扰。因此要求此类元件有良好的接地，消除或降低二次辐射。
二、机壳的设计 由于手机内置天线对其附近的介质比较敏感，因此，外壳的设计和天线性能有密切关系。外壳的表面喷涂材料不能含有金属成分，壳体靠近天线的周围不要设计任何金属装饰件或电镀件。若有需要，应采用非金属工艺实现。机壳内侧的导电喷涂，应止于距天线20mm处。对于纯金属的电池后盖，应距天线20mm以上。如采用单极天线，面板禁用金属类壳体及环状金属装饰。电池（含电连接座）与天线的距离应设计在5mm以上。 三、天线结构 1）PIFA天线基本注意： 1，天线空间一般要求预留空间：W（宽），L（长），H（高）其中W（15-25mm）、L（35-45mm）、H（6-8mm)。其中H和天线谐振频率的带宽密切相关。W、L决定天线的最低频率。如果天线面积如下： 双频（GSM/DCS）：600x6~8mm 三频（GSM/DCS/PCS）：700x7~8mm 满足以上要求则GSM频段一般可能达到-1~0dBi，DCS/PCS可达0~1dBi。当然高度越高越好，带宽性能得到保证。 2，内置天线尽量远离周围马达、SPEARKER、RECEIVER等较大金属物体。有时候有摄像头出现，这时候应该把天线这块挖空，尽量作好摄像头FPC的屏蔽（镀银襁），否则会影响接收灵敏度。尽量避免PCB上微带、引线等与天线弹片平行。