天线加载技术的仿真设计.doc

《天线加载技术的仿真设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《天线加载技术的仿真设计.doc（26页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、摘要: 天线加载，顾名思义就是对天线加一种负载。天线加载可以改变天线上电流分布，使得天线的输入阻抗能按照一种规律分布。通过天线加载可以缩短天线的尺寸，改变天线的输入宽带，这也是天线小型化必不可少的一种方法, 加载的元件可以是无源器件也可以是有源网络，可以是线性元件也可以是非线性的，实际工程中最常用的是无源加载，如：顶部加载、介质加载、串联分布加载、集中加载等。对于工作频率不高的情况常采用集中加载，而工作频率较高时采用分布加载。而天线加载技术的重要应用之一就是平面倒F天线(PIFA) 。PIFA天线由金属地板、辐射贴片和馈电系统组成，其结构紧凑、成本低、制作容易，得到了广泛应用。论文在前人的基础

2、上，利用Ansoft HFSS10 软件仿真了端口的特性阻抗50欧姆，中心频率2.4GHZ，电压驻波比2，频带宽度2.4 GHZ 至2.5GHZ的PIFA天线，并分析其性能指标。进而很好的理解和掌握电磁波的传播、天线加载技术等相关内容。英文摘要：Antenna loading, as the name suggests is the antenna with a load. Antenna loading can change the antenna current distribution, so that the antenna input impedance in accordance

3、with a distribution. Through the loaded antenna can reduce the antenna size, changing the antenna input wideband antenna miniaturization, this is an essential method. Loading element can be a passive devices can also be active network, can be a linear element also is nonlinear, the actual engineerin

4、g is the most commonly used passive loading, such as: top loading, dielectric loading, load, concentrated load and other series distribution. To work under the low frequency is mainly used to load, and high working frequency by distributed loading. And one of the important applications of the antenn

5、a loading technology is the planar inverted F antenna (PIFA).PIFA consists of metal ground with slots, radiating patch, short circuit patch and feeding line. PIFA, which has the features of compact size, low cost, easy to fabricate and has been applied widely. Based on existed studies, Using Ansoft

6、HFSS10 software simulation of port characteristic impedance of 50 ohms, center frequency 2.4GHZ, voltage standing wave ratio 2, band width of 2.4 GHZ to 2.5GHZ PIFA antenna,and analyze its performance. And thus a good understanding and grasp of the propagation of electromagnetic wave, antenna loadin

7、g technology and other related content.1.前言 本人的论文题目是“天线加载技术的仿真设计”。加载技术是天线工程中常用的小型化与宽带化方法，通过在天线的适当位置加载电阻、电抗或导体来改善天线中的电流分布，从而达到改变天线的谐振频率或者在同样的工作频率下降低天线的高度以及改变天线的辐射方向图等目的。 而天线加载技术的重要应用之一就是平面倒F天线(PIFA) 。PIFA天线由金属地板、辐射贴片和馈电系统组成，其结构紧凑、成本低、制作容易，是现在移动通信中使用范围最广的一种天线。 手机天线按照安置方式分，可分为外置天线和内置天线，这种天线的优点是频带范围宽、接收

8、信号比较稳定、制造简单费用相对低，对手机的形状也不敏感，缺点是天线暴露于机体外容易损坏、天线靠近人体时导致性能变坏、不易加诸如反射层和保护层等来减小天线对人体的辐射伤害等。随着制造工艺的改进以及外置天线所具有的无法克服的缺点，内置天线很快被手机制造商所重视，它具有一些非常诱人的优点，比如可以做得非常小，不易损坏，对垂直和水平极化波都很敏感，更重要的是可以安装多个，很方便组阵，从而实现手机天线的智能化，这一点对未来的移动通信系统来说非常有用。 按照设计方式分，主要有PIFA天线和单极天线两种，PIFA天线是以其侧面结构与倒反的英文字母F外观雷同而命名，天线由塑胶支架和金属片（辐射体）组成。PIF

9、A天线只需利用金属导体配合适当的馈入及天线短路片接地面的位置。单极天线是指竖直的具有四分之一波长的天线，该天线安装在一个接地平面上，他可以是实际地面，也可以是诸如搭载工具车体等人造接地面上。单极天线的馈电是在下端点使用同轴电缆进行的，馈线的姐弟导体与平台相连接。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于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，垂直单极天线是全向性的。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。 本篇论文是在杨慧春老师的指导下，重点讨论PIFA天线的经典设计与仿真。2绪论2.1 天线的主要参

10、数2.1.1天线 2.1.1.1天线的作用与地位 无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接下来（仅仅接收很小很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机。可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。 天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。 对于众多品种的天线，进行适当的分类是必要的： 按用途分类，可分为通信天线、电视天线、雷达天线等； 按工作频段分类，可分为短波天线、超短波天线、微波天线等； 按方向性分类，可分为全向天线、定向天线等； 按外形分类

11、，可分为线状天线、面状天线等； 2.1.1.2电磁波的辐射 导线上有交变电流流动时，就可以发生电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长度和形状有关。如 图2.1 a 所示，若两导线的距离很近，电场被束缚在两导线之间，因而辐射很微弱；将两导线张开，如 图2.1 b 所示，电场就散播在周围空间，因而辐射增强。 必须指出，当导线的长度 L 远小于波长 时，辐射很微弱；导线的长度 L 增大到可与波长相比拟时，导线上的电流将大大增加，因而就能形成较强的辐射。（b）（a）（c）图2-1 电磁波的辐射2.1.2 对称振子 对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单地单独立地使用或用作为

12、抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。 两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子, 见 图2-2 （a ） 。 另外，还有一种异型半波对称振子，可看成是将全波对称振子折合成一个窄长的矩形框，并把全波对称振子的两个端点相叠，这个窄长的矩形框称为折合振子，注意，折合振子的长度也是为二分之一波长，故称为半波折合振子, 见 图2-2（ b ） 。（b）（a）图2-2 对称振子与折合振子2.1.3天线方向性的讨论 2.1.3.1天线方向性 发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需

13、的方向辐射。垂直放置的半波对称振子具有平放的“面包圈”形的立体方向图图2-3（a）。立体方向图虽然立体感强，但绘制困难，图2-3（b）与图12-3（c）,给出了它的两个主平面方向图，平面方向图描述天线在某指定平面上的方向性。从图2-3（b）可以看出，在振子的轴线方向上辐射为零，最大辐射方向在水平面上；而从图2-3（c）可以看出,在水平面上各个方向上的辐射一样大。（c）水平（b）垂直（a）立体图2-3 天线方向性2.1.3.2 天线方向性增强 若干个对称振子组阵，能够控制辐射，产生“扁平的面包圈” ，把信号进一步集中到在水平面方向上。 下图是4个半波对称振子沿垂线上下排列成一个垂直四元阵时的立体

14、方向图和垂直面方向图。（b）垂直面（a）立体图2-4 天线方向性增强也可以利用反射板可把辐射能控制到单侧方向,平面反射板放在阵列的一边构成扇形区覆盖天线。下面的水平面方向图说明了反射面的作用-反射面把功率反射到单侧方向，提高了增益。 （a）全向阵 垂直阵列 不带平面反射板 （b）扇形区覆盖 垂直阵列 带平面反射板 图2-5 单侧方向辐射能增强2.1.3.3 增益 增益是指：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。可以这样来理解增益

15、的物理含义-为在一定的距离上的某点处产生一定大小的信号，如果用理想的无方向性点源作为发射天线，需要100W的输入功率，而用增益为G=13dB=20的某定向天线作为发射天线时，输入功率只需100/20=5W。换言之，某天线的增益，就其最大辐射方向上的辐射效果来说，与无方向性的理想点源相比，把输入功率放大的倍数。半波对称振子的增益为G=2.15dBi;4个半波对称振子沿垂线上下排列，构成一个垂直四元阵，其增益约G=8.15dBi (dBi这个单位表示比较对象是各向均匀辐射的理想点源)。如果以半波对称振子作比较对象，则增益的单位是dBd 。半波对称振子的增益为G=0dBd （因为是自己跟自己比，比值

16、为1，取对数得零值。） ； 垂直四元阵，其增益约为G=8.152.15= 6dBd 。 2.1.3.4 波瓣宽度 方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣。参见图2-6（a）,在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低3dB（功率密度降低一半）的两点间的夹角定义为波瓣宽度（又称波束宽度或主瓣宽度或半功率角）。波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。 还有一种波瓣宽度，即 10dB波瓣宽度，顾名思义它是方向图中辐射强度降低 10dB （功率密度降至十分之一） 的两个点间的夹角，见图2-6（b）。 （a）3dB波瓣宽度（b）10dB波瓣宽度图2-6

17、 3dB与10dB波瓣宽度2.1.3.5 前后比 方向图中，前后瓣最大值之比称为前后比，记为F/B前后比越大，天线的后向辐射（或接收）越小。前后比F/B的计算十分简单： F/B=10Lg（前向功率密度）/（后向功率密度） 式（2-1） 对天线的前后比F/B有要求时，其典型值为（18 30）dB，特殊情况下则要求达（3540）dB。 图2-7 前向功率与后项功率2.1.3.6 天线增益的若干近似计算式 天线主瓣宽度越窄，增益越高。对于一般天线，可用下式估算其增益： G（dBi）=10Lg32000/（23dB,E23dB,H） 式（2-2） 式中，23dB,E 与 23dB,H 分别为天线在两个

18、主平面上的波瓣宽度，32000是统计出来的经验数据。 对于抛物面天线，可用下式近似计算其增益： G（dBi）=10 Lg4.5（D/0）2 式（2-3） 式中，D 为抛物面直径；0 为中心工作波长；4.5 是统计出来的经验数据。 对于直立全向天线，有近似计算式 G（dBi）=10Lg2L/0 式（2-4） 式中，L 为天线长度，0 为中心工作波长； 2.1.4天线的极化 天线向周围空间辐射电磁波。电磁波由电场和磁场构成。人们规定：电场的方向就是天线极化方向。一般使用的天线为单极化的。下图示出了两种基本的单极化的情况：垂直极化-是最常用的；水平极化-也是要被用到的。 （b）水平极化（a）垂直极化

19、图2-8 两种基本单极化2.1.4.1双极化天线 下图示出了另两种单极化的情况：+45极化与-45极化，它们仅仅在特殊场合下使用。这样，共有四种单极化了，见下图。 把垂直极化和水平极化两种极化的天线组合在一起，或者，把+45极化和-45极化两种极化的天线组合在一起，就构成了一种新的天线-双极化天线。 （a）+45极化（b）-45极化图2-9 另两种单极化 下图示出了两个单极化天线安装在一起组成一付双极化天线，注意，双极化天线有两个接头。双极化天线辐射（或接收）两个极化在空间相互正交（垂直）的波。 （a）V/H（垂直/水平）型双极化（b）+45/-45型双极化图2-10 双极化2.1.4.2 极

20、化损失 垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收，水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收。右旋圆极化波要用具有右旋圆极化特性的天线来接收，而左旋圆极化波要用具有左旋圆极化特性的天线来接收。 当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，接收到的信号都会变小，也就是说，发生极化损失。例如：当用+ 45 极化天线接收垂直极化或水平极化波时，或者，当用垂直极化天线接收 +45 极化或 -45极化波时，等等情况下，都要产生极化损失。用圆极化天线接收任一线极化波，或者，用线极化天线接收任一圆极化波，等等情况下，也必然发生极化损失只能接收到来波的一半能量。 当接收天线的极化方向与来波的极化方向完全正

21、交时，例如用水平极化的接收天线接收垂直极化的来波，或用右旋圆极化的接收天线接收左旋圆极化的来波时，天线就完全接收不到来波的能量，这种情况下极化损失为最大，称极化完全隔离。2.1.4.3 极化隔离 理想的极化完全隔离是没有的。馈送到一种极化的天线中去的信号多少总会有那么一点点在另外一种极化的天线中出现。例如下图所示的双极化天线中，设输入垂直极化天线的功率为10W，结果在水平极化天线的输出端测得的输出功率为 10mW。 图2-11 极化隔离 在这种情况下的极化隔离为 X = 10 Lg (10,000 mW / 10 mW) = 30（dB）2.1.5天线的输入阻抗 Zin 定义：天线输入端信号电

22、压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。 输入阻抗具有电阻分量 Rin 和电抗分量 Xin ，即 Zin = Rin + j Xin 。电抗分量的存在会减少天线从馈线对信号功率的提取，因此，必须使电抗分量尽可能为零，也就是应尽可能使天线的输入阻抗为纯电阻。事实上，即使是设计、调试得很好的天线，其输入阻抗中总还含有一个小的电抗分量值。 输入阻抗与天线的结构、尺寸以及工作波长有关，半波对称振子是最重要的基本天线 ，其输入阻抗为 Zin = 73.142.5 (欧) 。当把其长度缩短（）时，就可以消除其中的电抗分量，使天线的输入阻抗为纯电阻，此时的输入阻抗为 Zin = 73.1 (欧) ,（标称 7

23、5 欧） 。注意，严格的说，纯电阻性的天线输入阻抗只是对点频而言的。 顺便指出，半波折合振子的输入阻抗为半波对称振子的四倍，Zin = 280 (欧) ,（标称300欧）。 有趣的是，对于任一天线，人们总可通过天线阻抗调试，在要求的工作频率范围内，使输入阻抗的虚部很小且实部相当接近 50 欧，从而使得天线的输入阻抗为Zin = Rin = 50 欧-这是天线能与馈线处于良好的阻抗匹配所必须的。 2.1.6天线的工作频率范围（频带宽度） 无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围（频带宽度）内工作的，天线的频带宽度有两种不同的定义- 一种是指：在驻波比SWR1.5条件下,天线的工作频带

24、宽度； 一种是指：天线增益下降3分贝范围内的频带宽度。 在移动通信系统中，通常是按前一种定义的，具体的说，天线的频带宽度就是天线的驻波比SWR 不超过 1.5 时，天线的工作频率范围。 一般说来，在工作频带宽度内的各个频率点上, 天线性能是有差异的，但这种差异造成的性能下降是可以接受的。 2.1.7 板状天线高增益的形成图2-12 不加反射板增益图图2-13 加反射板增益图 从性能价格比出发，人们常常选用栅状抛物面天线作为直放站施主天线。由于抛物面具有良好的聚焦作用，所以抛物面天线集射能力强，直径为1.5 m的栅状抛物面天线，在900兆频段，其增益即可达G=20dB。它特别适用于点对点的通信，

25、例如它常常被选用为直放站的施主天线。 抛物面采用栅状结构，一是为了减轻天线的重量，二是为了减少风的阻力。 抛物面天线一般都能给出不低于30dB的前后比 ，这也正是直放站系统防自激而对接收天线所提出的必须满足的技术指标。 图2-14 加反射板增益图2.1.8 超短波和微波的传播视距 超短波特别是微波，频率很高，波长很短，它的地表面波衰减很快，因此不能依靠地表面波作较远距离的传播。超短波特别是微波，主要是由空间波来传播的。简单地说，空间波是在空间范围内沿直线方向传播的波。显然，由于地球的曲率使空间波传播存在一个极限直视距离Rmax 。在最远直视距离之内的区域，习惯上称为照明区；极限直视距离Rmax

26、以外的区域，则称为阴影区。不言而语，利用超短波、微波进行通信时，接收点应落在发射天线极限直视距离Rmax内。 受地球曲率半径的影响，极限直视距离Rmax 和发射天线与接收天线的高度HT 与 HR间的关系为 ： Rmax3.57HT(m)+HR(m)(km) 式（2-5） 考虑到大气层对电波的折射作用，极限直视距离应修正为 Rmax4.12HT(m)+HR(m)(km) 式（2-6） 由于电磁波的频率远低于光波的频率，电波传播的有效直视距离 Re 约为 极限直视距离Rmax的70% ，即Re=0.7Rmax . 例如，HT与HR分别为49m 和1.7 m，则有效直视距离为Re=24km 图2-1

27、5 极限直视距离图2.1.9 电波在平面地上的传播特征 由发射天线直接射到接收点的电波称为直射波；发射天线发出的指向地面的电波，被地面反射而到达接收点的电波称为反射波。显然，接收点的信号应该是直射波和反射波的合成。电波的合成不会象 1 + 1 = 2 那样简单地代数相加，合成结果会随着直射波和反射波间的波程差的不同而不同。波程差为半个波长的奇数倍时，直射波和反射波信号相加，合成为最大；波程差为一个波长的倍数时，直射波和反射波信号相减，合成为最小。可见，地面反射的存在，使得信号强度的空间分布变得相当复杂。 实际测量指出：在一定的距离 Ri之内，信号强度随距离或天线高度的增加都会作起伏变化；在一定

28、的距离 Ri之外，随距离的增加或天线高度的减少，信号强度将。单调下降。理论计算给出了这个 Ri 和天线高度 HT与 HR 的关系式： Ri=（4HT HR ）/ l ，l是波长。 式（2-7） 不言而喻， Ri 必须小于极限直视距离Rmax 。 2.1.10 电波的绕射传播 在传播途径中遇到大障碍物时，电波会绕过障碍物向前传播，这种现象叫做电波的绕射。超短波、微波的频率较高，波长短，绕射能力弱，在高大建筑物后面信号强度小，形成所谓的“阴影区”。信号质量受到影响的程度，不仅和建筑物的高度有关，和接收天线与建筑物之间的距离有关，还和频率有关。例如有一个建筑物，其高度为10米,在建筑物后面距离200

29、米处，接收的信号质量几乎不受影响，但在100米处，接收信号场强比无建筑物时明显减弱。注意，诚如上面所说过的那样，减弱程度还与信号频率有关，对于 216 223 兆赫的射频信号，接收信号场强比无建筑物时低16 dB，对于 670 兆赫的射频信号，接收信号场强比无建筑物时低20dB .如果建筑物高度增加到 50 米时，则在距建筑物 1000 米以内，接收信号的场强都将受到影响而减弱。也就是说，频率越高、建筑物越高、接收天线与建筑物越近，信号强度与通信质量受影响程度越大；相反，频率越低，建筑物越矮、接收天线与建筑物越远，影响越小。 因此，选择基站场地以及架设天线时，一定要考虑到绕射传播可能产生的各种

30、不利影响，注意到对绕射传播起影响的各种因素。 2.1.11 馈线的衰减系数 信号在馈线里传输，除有导体的电阻性损耗外，还有绝缘材料的介质损耗。这两种损耗随馈线长度的增加和工作频率的提高而增加。因此，应合理布局尽量缩短馈线长度。 单位长度产生的损耗的大小用衰减系数 表示，其单位为dB / m（分贝米），电缆技术说明书上的单位大都用 dB / 100 m（分贝百米） . 设输入到馈线的功率为1 ，从长度为 L（m ） 的馈线输出的功率为2 ，传输损耗TL可表示为： TL10Lg(1/2) ( dB ) 式（2-8） 衰减系数 为 TL/L ( dB / m ) 式（2-9） 例如， NOKIA7

31、/ 8英寸低耗电缆，900MHz时衰减系数为4.1dB/100m ,也可写成 3 dB/73m ，也就是说,频率为900MHz的信号功率，每经过73m长的这种电缆时，功率要少一半。 而普通的非低耗电缆，例如，SYV-9-50-1，900MHz时衰减系数为 20.1 dB/100m ，也可写成3dB/15m ，也就是说，频率为 900MHz 的信号功率，每经过15m长的这种电缆时，功率就要少一半。 2.1.12 匹配概念 什么叫匹配？简单地说，馈线终端所接负载阻抗L 等于馈线特性阻抗0 时，称为馈线终端是匹配连接的。匹配时，馈线上只存在传向终端负载的入射波，而没有由终端负载产生的反射波，因此，当

32、天线作为终端负载时，匹配能保证天线取得全部信号功率。如下图所示，当天线阻抗为 50 欧时，与50 欧的电缆是匹配的，而当天线阻抗为 80 欧时，与50 欧的电缆是不匹配的。 如果天线振子直径较粗，天线输入阻抗随频率的变化较小，容易和馈线保持匹配，这时天线的工作频率范围就较宽。反之，则较窄。 在实际工作中，天线的输入阻抗还会受到周围物体的影响。为了使馈线与天线良好匹配，在架设天线时还需要通过测量，适当地调整天线的局部结构，或加装匹配装置。 图2-16 匹配概念示意图2.2天线加载技术的原理及发展历程天线加载，顾名思义就是对天线加一种负载。天线加载可以改变天线上电流分布，使得天线的输入阻抗能按照一

33、种规律分布。通过天线加载可以缩短天线的尺寸，改变天线的输入宽带，这也是天线小型化必不可少的一种方法。常见的天线加载方式：顶部加载，这样的加载可以在顶部加个盘子或者几根线。这类代表天线是T型或者倒V型。介质加载，它是通过在天线周围加入一种介质来相对缩短天线长度，缩短长度大小和介质的相对介电常数和相对磁导率有关。分布加载，对天线按一定位置函数加载，输入阻抗也会呈一定规律变化。 集总加载，在天线上一个或者几个位置加入集总参数元件，包括电感电容，通过这样的方式来改变天线上电流分布。前人已经做过很多关于加载天线的研究，Altshuler第一个根据传输线理论，将偶极子天线近似看作开路传输线，在距离开路末端

34、14波长处串联一个等于开路线特性阻抗的电阻，可以在天线上得到行波电流，从而使偶极子天线在较宽的频带内匹配。由于天线要求加载点到末端的距离为14波长，若该条件不满足，加载电阻的作用就会被削弱甚至不起作用。这样很难在HF，VUHF频段继续减小天线的尺寸。最近，Bag和Mittra等人提出用RLC并联电路对单极子天线实行分段加载。同时借助遗传算法和计算机模拟全局搜索最佳加载位置和加载元件值，成功设计了30450 MHz单鞭和双鞭加载天线。孙保华博士在综合上述方法，结合加载快速处理技术以及GA与SA相结合的优化设计方法设计制作了单鞭天线，进一步优化了天线的性能指标。虽然RLC及其组合加载可以减小天线尺

35、寸，展宽天线带宽。但是有耗元件的引入必将降低天线的辐射效率。阻抗加载天线是通过牺牲增益来获得宽频带特性的，因此带宽和增益之间是一对矛盾，尤其是当频率较低、天线电长度较小时，这种矛盾表现得更突出。在实际的通信中，往往要求天线既有好的带宽又有可以接受的增益。因此，设计时必须在带宽和增益之间做一个适当的选择。由于单纯的RLC加载对小型化天线设计具有局限性。在保证一定效率的前提下，要进一步减小单极子天线的尺寸，还需要做进一步的研究。其中弯折线天线和分形天线是适应设计发展的又一技术方法。 图2-17 分形天线 图2-18 弯折线天线分形技术有效地填充了有限空间区域，从而增加了天线的电长度。这种特性可以大

36、大降低天线的谐振频率，同时还可获得多频带或宽频带的特性。结合顶部加载技术可设计出结构紧凑的三维分形树单极子天线，谐振频率比相同高度的单极子天线要低得多。分形天线的构建具有相对的复杂性，相比之下，用弯折线构造在平面单极子天线顶端加载既简单又经济，在能满足天线设计指标性能前提下，弯折线是首选的加载结构不仅增加天线的输入电阻，还提高辐射能力。李绪平等提出了一种新型的矩形平面单极子天线，如图2-19所示，上端采用弯折线增加了天线的电长度，并在适当的位置加载，实现了天线的宽带小型化的设计要求。弯折线和分形线都是增加天线电长度的有效手段，不仅便于调整低频段驻波特性还有利于加载元件的引入，得以使天线获得很好

37、性能要求。如图2-20，采用混合遗传算法设计了一副加载法向模螺旋天线，这种与加载结合的方法改进了局部搜索能力差，收敛速度慢的缺点，使得加载多目标函数优化效率提高很多。图2-19 弯折线与加载组合的天线 图2-20加载法向摸螺旋天线加载的优化设计是一个非线性的问题，所涉及的变量包括加载位置、加载元件、加载的组合形式等，是一个多变量的问题。要建立一个合适的最优化函数，当达到天线所需特性时，此函数有一个极小值。由于天线特性与天线参数有关，所以最优化函数也是这些参数的函数。同时寻求合适的最优化方法，使最优化函数达到极小。借助计算机模拟和最优化技术寻求加载的最优解。由于最优化函数很难用一个简单的解析函数

38、来表示，而传统的最优化算法或者需要目标函数的导数，或者只是局部的最优化，或者虽为全局最优化但计算量过大，使得常用的梯度法、单纯形法等最优化算法在天线加载优化设计中难以实现。一种新的全域优化搜索方法遗传算法的出现解决了上述一些问题。他是模拟自然界生物进化过程与机制求解极值问题的一类自组织、自适应的人工智能技术。他只需要利用目标函数的取值信息，而不需要梯度等高价信息，适合于无表达式或有表达式的任何类目标函数，具有可实现的并行计算行为。2.3 本论文的主要内容本论文先对天线基本理论进行阐述，然后对天线加载技术进行分析，最后用HFSS仿真软件设计天线加载技术应用之一：PIFA天线。利用仿真软件设计加载

39、天线指标如下： 1端口的特性阻抗50欧姆 ； 2中心频率f=2.4GHz; 3电压驻波比2；4. 频带宽度2.4 GHZ 2.5GHZ3.天线加载技术的分类3.1顶部加载；这样的加载可以在顶部加个盘子或者几根线。这类代表天线是T型或者倒V型。天线加顶端负载后，由于加顶负载加大了垂直部分顶端对地的分布电容，使顶端不是开路点，顶端电流不在为零，电流的增大使远区辐射场也增大了。只要顶线不是太长，天线距地面的高度不是太大，则水平部分的辐射可忽略不计，因此，天线加顶负载后比无顶负载时辐射特性得到了改善。在实际生活中，应用如下：图3-1 车载天线图3-2 抛物面天线3.2介质加载； 它是通过在天线周围加入

40、一种介质来相对缩短天线长度，缩短长度大小和介质的相对介电常数和相对磁导率有关。通常的办法可以将天线一部分架在地下，或者建立地网，地网埋藏的深度一般在0.2m至0.5m之间。图3-3 插入地下的螺旋鞭天线3.3分布加载； 对天线按一定位置函数加载，输入阻抗也会呈一定规律变化。其实例就是移动通信中广为采用的螺旋鞭天线。螺旋鞭天线是用弹簧钢丝制成螺旋鞭天线，再在其外表涂覆一层介质，如橡胶等，介质起的主要作用是固定线圈之间相对位置，这就形成了分布加载天线加载天感分布于螺旋鞭天线螺旋线圈的始终。 图3-4 车载螺旋鞭天线 3.4集总加载； 在天线上一个或者几个位置加入集总参数元件，包括电感电容，通过这样

41、的方式来改变天线上电流分布。PIFA天线属于集总加载中的一类加载方式应用。 图3-5 T形天线示意图（H+L/2,LH)图3-6 倒L形天线和倒F形天线示意图（H+L/2,LH) T形天线示意图（H+L/2,LH)（b）倒F型天线（a）倒L型天线 图3-7 15米军用斜天线，通信距离200公里 T形天线示意图（H+L/2,LH)图3-8 临时架设的斜天线 T形天线示意图（H+L/2,LH)4天线加载技术的运用PIFA天线 4.1 平面倒F天线（PIFA）介绍 PIFA(Planar inverted F Antenna)天线是一种常用的平面天线，PIFA 天线具有体积小，重量轻，低剖面，结构简

42、单，易于加工制作等优点，因此被广泛应用于移动电话等移动通信终端设备上。自90年代以来我国的移动通信业一直保持高速发展，截止到2008年12月底，手机用户总数达到6.4亿户，成为世界上手机用户最多的国家。随着手机普及率的提高，人们越来越注重手机的通话质量以及手机辐射可能对人体造成的伤害，而天线是影响这两个方面的重要因素，因此很有必要对手机天线进行分析研究。串通的手机天线可以根据天线所处的位置分为外置天线和内置天线两大类。早期受制造工艺的影响只能采用外置天线，这种天线的优点是频带范围宽、接收信号比较稳定、制造简单费用相对低，对手机的形状也不敏感，缺点是天线暴露于机体外容易损坏、天线靠近人体时导致性

43、能变坏、不易加诸如反射层和保护层等来减小天线对人体的辐射伤害等。随着制造工艺的改进以及外置天线所具有的无法克服的缺点，内置天线很快被手机制造商所重视，它具有一些非常诱人的优点，比如可以做得非常小，不易损坏，对垂直和水平极化波都很敏感，更重要的是可以安装多个，很方便组阵，从而实现手机天线的智能化，这一点对未来的移动通信系统来说非常有用。 随着制造工艺的不断改进，内置天线不仅己达到实用化，而且越来越被人看好。最常用的几种内置天线为微带贴片天线，平面倒 F 天线(PIFA)，单极天线，陶瓷天线。微带贴片天线重量轻、尺寸小、低轮廓、便于共形，制作成本低，可以大批量生产，但是带宽较窄增益有些情况下不能满

44、足要求；平面倒 F天线的主要特点是带宽窄，高度低(6mm-8mm)；单极天线在同样的性能指标要求下可以比平面倒 F 天线做的更小，形式简单，制作容易，带宽宽；陶瓷天线可以做的很小，但制作困难，费用高，由于介电常数高而使得天线增益并不高。目前很多研究人员致力于实现天线的小型、多频宽带化研究，近而也出现了平面倒 F 天线与单极天线的改良天线。一种就是没有地的 PIFA(IFA)；还有一种很有用的改良天线叫做环形天线。由于移动终端设备小型化要求给予天线的体积越来越小，为了实现在要求的频段上有谐振，我们的天线已经不只是在单面上走线了，而充分利用另一个面显得更为重要。4.2 PIFA的演变过程平面倒F天线的演变过程如图所示：4-1 单极子天线 4-2 倒L天线