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1、青岛大学本科生毕业论文(设计)本科毕业论文(设计)题 目： 平面单极天线的仿真研究 学 院： 自动化工程学院 专 业： 通信工程 姓 名： 指导教师： 2010 年 6 月 10 日青岛大学本科生毕业论文(设计)Simulation Analysis of Planar Monopole Antenna 青岛大学本科生毕业论文(设计)摘 要多模手机一般只采用一个能支持多种无线制式的多频带天线，单极天线和平面倒 F天线是常用的多频手机天线。相比其他形式的天线，这两类天线都具有剖面低、体积小、设计方便等特点。本文采用 HFSS12 对单极天线进行仿真研究，通过仿真的回波损耗图来研究天线的谐振频率。
2、当改变单极天线的面板尺寸时，观察天线的辐射方向图和回波损耗，研究天线在不同参数下的工作带宽。关键词 单极天线 回波损耗 谐振频率AbstractMost multi-mode mobile phone uses a multi-band antenna which can support a variety of wireless standards in general. The multi-band antenna of mobile phone meanly uses the planar inverted F antenna or the monopole antenna. In co
3、mparison with other antennas, both of the two antennas have the advantage of low profile, small volume, easy to design. In this paper, we use the software of HFSS 12 to do the simulation of monopole antenna. On the return loss from the simulation of the monopole antenna which is simulated by HFSS 12
4、, we study the resonant frequency of monopole antenna. By changing the size of the plates and figuring out the radiation pattern and the return loss, we research the bandwith. Keywords Monopole antenna Return loss Resonant frequency青岛大学本科生毕业论文(设计)目 录前 言.1第 1 章 绪论.21.1 研究背景及意义 21.2 本文内容及安排 3第 2 章 单极天
5、线的理论分析.42.1 单极天线的型式分类 42.2 单极天线的分析方法 72.3 单极天线的辐射机理 92.4 天线的辐射参数 11第 3 章 平面单极天线的仿真.133.1 创建工程 133.1.1 创建天线金属面.143.1.2 创建接地层.163.1.3 创建激励.173.1.4 创建空气盒子.183.2 设置工程变量 183.3 设置边界条件和激励模式 213.4 设置频率并分析计算结果 22结束语.28谢 辞.29参考文献.30青岛大学本科生毕业论文(设计)1前 言随着无线通信中语音业务、窄带和宽带数据业务的发展，具有 3G 功能的手机将逐步成为市场的主流。同时，手机的设计也日新月
6、异，对天线的宽频带特性、多频工作及小型化要求更为苛刻。目前，多模手机一般只采用一个能支持多种无线制式的多频带天线。多频带手机天线主要采用平面倒 F 天线和单极天线. 相比其他形式的天线，这两类天线都具有剖面低、体积小、设计方便等特点，因此广泛用于手机等移动通信终端上。基本的平面倒 F 天线是将倒 F 天线的水平振子改变成平面形式，从而引出了平面倒 F 天线。随着对平面倒 F 天线的深入研究，又出现了很多性能良好的新型平面倒 F 天天线。面对多模手机对多频带天线的要求，单极天线大带宽和高增益更适合多模手机几百兆带宽的需求，而且内置平面单极天线的结构灵活，易于与当今多变的手机结构相配合，目前市场流
7、行的超薄超小手机普遍采用这类天线。在中国，手机产业从无到有，手机设计从购买成熟方案到自主设计方案。在短短的3-4 年的时间，中国手机行业已经发展到空前的兴盛。伴随着众多手机生产制造商的兴起，手机产业相关配套厂家在手机制造在产业集中地区聚集。近年发展比较快的手机天线供应厂家以蜂窝式的发展扩延，一方面极大的缩短了手机天线的设计生产周期，方便快速的为各手机设计生产企业快速的实行试做与量产；另一方面加速了手机天线行业的不良竞争，淡化了手机天线的设计技术含量，大大降低了产品的品质与天线的未来发展。在移动手机里，天线直接影响了手机的可通讯能力，直接决定了手机的射接收性能，甚至天线设计的好坏决定了该手机在市
8、场的生存空间。在国外，品牌手机设计生产厂家普遍比较重视天线的前期研发与设计，他们多与参股与控股的形式培养天线设计与生产研究所或专业小天线设计公司，诺基亚在国内控制了飞创，摩托罗拉在国内参股了加利，在这种环境下，专业的天线设计公司为大品牌的手机提供了足够的天线设计保障。所以像诺基亚、摩托罗拉、 三星等知名品牌总能在特定的环境下设计出性能优良的天线，把手机性能与一流功能完整的结合。在国产手机中，目前只有为数不多的大公司比较重视天线的设计与制造，多数中小企业只是把天线视为普通的硬件，在空间上压缩再压缩，在性能上低劣又低劣，最终的结果是手机的客户或终端消费者无法接受手机的“可通话”性能，导致项目的流产
9、或重新设计，造成资源及人力的浪费及商机的流失，大大的降低了企业的综合竞争力。天线设计是手机设计成功链中的一个不可或缺的环节,天线性能的好坏直接会导致诸多的问题,如果手机设计公司多参考天线设计公司的意见,把国产手机的辐射性能做到更好,有利于民族企业的发展,更有利于百姓的使用。青岛大学本科生毕业论文(设计)2第 1 章 绪论 1.1 研究背景及意义在无线电通信、广播电视以及雷达、导航等工程系统中，均需利用无线电波来传播信息以完成整个系统的工作。天线是这些系统中用以辐射或接收电波的部件。天线的基本功能是将由发射机送来的高频电流能量变为无线电波并传送到空间，在接收端，则将空间传来的电波能量转化为向接收
10、机传送的高频电流能量。因此，天线是导波和无线电波的能量转化装置，是一个能量转换器件。为了适应各种不同用途的需要，人们研制和设计出各种类型的天线，对于这些天线，可以从不同角度来分类，例如说可依照工作频段、用途、极化形式等等来分类，若按工作性质可分为接收天线和发射天线。一般天线都具有可逆性，即同一副天线即可用作接收天线，也可用作发射天线。由于使用场合不同，对天线的要求形式也有所不同，例如，发射天线需要考虑功率容量问题，而接收天线则需要考虑噪声问题，因此，在设计中各有所侧重。从便于分析和讨论天线性能出发，一般可按天线的结构形式分为两大类，一类是导体棒或金属盒构成的天线，称为线状天线或线天线，另一类则
11、类似声学或光学设备由金属面或介质面构成的天线，称为面状天线或面天线。目前，人类社会进入了一个以信息急剧膨胀为主要特征的新阶段。在信息技术、计算机技术、空间技术等方面都取得了迅猛的发展，这也促进了天线技术的发展。例如，大容量电子计算机的研制成功，在天线理论和设计上成功得到应用，解决了过去无法解决或难以解决的大量天线问题；人造卫星和洲际导弹的研究成功，对天线提出了一系列的新课题促进了多种新型天线的诞生。天线批量的不同的实现形式，对天线的性能并没有太大的影响，主要的不足是在快速量产的周期内，难度大的工艺制造工艺无法满足需求的时间。天线设计的前沿：1.低剖面天线的广泛应用该种天线的设计形式是在普通的平
12、面倒 F 天线的基础上改进而成，在更低的剖面完成的设计，该种设计思路借鉴平面倒 F 天线与单极天线的优缺点，广泛应用于超薄机型以及空间比较紧的机型。该类型的天线已经被三星等大公司采用，并有良好的辐射接收效果。高辐射效率,抗干扰能力强的手机天线将会是近期设计的重点,但是，在一定的环境中,我们如何提高天线的抗干扰能力呢?2.未来手机将发展成为具有便携式特性，在很小的空间内支持多支天线共存的局面同时 UWB 超宽带天线将会有更大的空间。一般形式的 UWB 天线可以实现 0.4GHz-3.5GHz 的工作范围,但是该天线有一个缺点是设计结构相当的复杂,可实现性不强,需要青岛大学本科生毕业论文(设计)3
13、外围制造公司有更高的技术能力。相信在未来 1-2 年内可以广泛应用在移动终端中.当然UWB 天线的实行市场化还需要良好的阻抗匹配及匹配网络的设计。手机在近期将会把GPS、DVB-Digital Video Broadcasting、WIMAX、WIFI 等新技术纳入其中，增加手机的卖点。这些功能将对天线的性能有更高的要求。GPS 天线要求有一定的圆极化，DVB 数字电视天线将要求有更高的工作频宽及接收性能。而且这些天线存在一定的相互干扰因素，在后期实现过程中会出现一些问题。3.主动天线能够自动切换频段目前手机天线基本上是用被动天线形式设计，微带天线有它的不足，现阶段愈是高阶的手机，支持的频段愈
14、多，4 频或 5 频手机就很风行；然而在使用上，其实不管在哪里，都只有使用到单频而已，其它 3 频就是浪费，尤其对于手机愈做愈小的需求上，更可以思考是否有改善空间？事实上，若强化天线技术，这种浪费是可以改变的，有人因而投入开发主动天线技术，能够随需求切换不同的频段，届时手机天线仅需提供单频，就不需要内建 4 频天线模块。单极天线由于其具有结构简单、重量轻、宽频带、多频带、馈电结构简单等优点，被广泛地应用于现代通信中，尤其是UWB(超宽带)技术出现后，其应用就更加广泛了。UWB技术最初是在1960年作为军用雷达技术开发的，早先主要用于雷达技术领域；2002年2月，FCC(美国联邦通讯委员会)批准
15、了UWB技术用于民用。超宽带技术无论是在民用还是在国防领域都具有广泛的应用前景和重要的理论研究价值，并且为学术界和工业界所看好，是一个很值得研究的课题。然而，超宽带天线的设计需要天线有良好的阻抗带宽，稳定的相位中心，这是重点也是难点。单极天线正好满足这一设计要求。总之，单极天线的研究既具有较高的理论价值，同时也具有重要的现实意义。1.2 本文内容及安排本文采用HFSS软件分析一种手机内置天线-单极天线，通过仿真计算结果来研究天线的各项性能。第1章绪论，介绍了研究背景和意义及内容安排。第2章介绍了几种常用的单极天线，并给出单极天线的理论分析。第3章采用HFSS软件仿真分析了平面单极天线，通过仿真
16、得出的回波损耗图与文献相比较，验证了仿真的正确性。结束语部分对论文所做工作进行总结，并指出论文的不足。青岛大学本科生毕业论文(设计)4第 2 章 单极天线的理论分析竖直的具有四分之一波长的天线称为单极天线。该天线安装在一个接地平面上，它可以是实际地面，也可以是诸如搭载工具车体等人造地面上。单极天线的馈电是在下端点使用同轴电缆进行的，馈线的接地导体与平台相连接。在自由空间中，四分之一波长的单极天线在垂直平面上的辐射方向图与半波偶极天线在垂直平面中的方向图形状相似，但没有地下辐射。在水平面上，垂直天线是全向性的。四分之一波长单极天线根部的输入阻抗为偶极天线阻抗的一半。辐射功率也为偶极天线的一半。在某些移动和便携设备上，四分之一的波长还是太大了，这种情况下可以用增加天线的电感来增加天线的电气长度，这种做法在天
