无线通信系统终端天线的设计与研究

西安电子科技大学硕士学位论文无线通信系统终端天线的设计与研究姓名：申秀美申请学位级别：硕士专业：电磁场与微波技术指导教师：尹应增20100101摘要I摘要无线通信技术的发展与应用，是当前信息时代飞速发展的一个重要特征。天线是无线通信系统中不可或缺的组成部分，其性能的好坏直接关系到系统的通信质量。无线通信技术的飞速发展，对终端天线提出了更高的要求。天线的多频段、小型化及宽频带技术在近几年受到特别的关注。本文针对多频段、小型化天线进行研究，设计了四种新颖的小天线。并加工了天线实物，进行了试验研究。与此同时，通信终端用户日益增多，过强的微波辐射将对人脑组织产生生物学热效应或非热效应，从而对人脑产生危害。本文利用较为精细的手机电磁模型和人体头部电磁模型，详细研究了手机和人体模型附近的电场和磁场分布，为设计低辐射移动终端天线提供了依据。本文的主要工作包括以下几部分：1)针对终端天线的研究热点和发展趋势，设计了三种无线通信终端天线。其中包括一种工作在915MHz的RFID手持阅读器天线，S形的辐射贴片嵌入在地板内，其设计形式克服了与系统一体化的不稳定性，增加了带宽，实现了阅读距离昀大化。另外，根据当前手机天线的小型化以及多频化要求，设计了一种工作在GSM/PCS频段的小型单极子手机天线和一种工作在GSM/PCS/Bluetooth频带的三频PIFA天线。通过HFSS电磁仿真软件对其进行了仿真计算和优化设计，在此基础上加工了天线实物并进行了测试，实现了指标要求。2)针对无线局域网(WLAN)IEEE802.1la和IEEE802.1lg标准提出了一种蜘蛛状偶极子谐振天线，并对其进行了仿真与实物研究。这种天线结构简单，易于集成，既实现了双频性能，又实现了小型化和宽频带。测试结果表明，此种天线在两个频带上都有很好的阻抗特性，水平面始终保持很好的全向性，增益大于3dB。3)根据当前手机对人体辐射效应的研究热点，借助基于有限积分法的CST电磁仿真软件，在800MHz和1800MHz频率下，结合人手和人头模型仿真计算了单极子手机天线的辐射方向图和辐射效率。结果显示，人手对天线的效率影响很大，而天线的辐射方向图在头部的影响下发生明显的畸变。同时，本文对手机天线作用于人脑时的SAR值分布进行了仿真计算。研究结果表明，当手机距离人脑不同距离的时候，SAR峰值随着距离的增加而快速减小。因此，在不显著影响接听效果的情况下，手机与头部保持适当的距离可以显著降低对人体的辐射影响。关键词：小型化天线PIFA单极子WLANSARAbstractIIIAbstractWiththefastdevelopmentandapplicationofmodernwirelesscommunicationtechnology,mobilecommunicationandwirelesslocalareanetworks(WLAN)techniqueshaveattractedmoreandmoreattentionbytheiruniquetechnicaladvantages.Asoneoftheimportantparts,antennawilldirectlyaffectthecommunicationquality.Therapiddevelopmentofwirelesscommunicationtechnologyputshighrequesttoterminalantenna.Inrecentyears,miniaturizationandmulti-bandtechnologiesofantennahavearousedmoreattention.Fourtypesofterminalantennaaredesignedandfabricatedinthispaper.Meanwhileithasbeenafocusthatwhethertheradiationofhandsethurtshumanhealth.Ahandsetcanmakehumanheadsuper-irradiatedduetoitsmicrowaveradiationwhenitisoperatedwithitsantennaneartohumanheadlocatedinthenearinductionandradiationfield.Themicrowaveradiationofahandsetmayinducethermalandnon-thermaleffectsinhumantissues,consequently,formapossibledamagetohumanbody.Theeffectsofahumanbodyonantenna’sradiationcharacteristicsandthedistributionofSARwereinvestigatedbyusingthethree-dimensionmodelsofhumanhandandheadinthispaper.Themajorcontributionsareasfollows:Threetypesofhandsetantennaaredesignedandfabricated.Firstly,aprintedmonopoleantennaforRFIDhandlereaderisintroduced.TheS-shapedradiationpatchissurroundedbygroundplane.BothareprintedonthesamesideofthePCBboard.Thisnovelstructurecankeepperformanceoftheantennasteadilyonthewholesystemandenhancethebandwidth.Alsobasedontherequirementsofmobiletelephoneforsmallerandmulti-bandperformances,thethesisproposedathree-dimensionalmonopoleantenna(GSM/DCS)andaninverted-Fantenna(GSM/PCS/Bluetooth).TheseantennasareanalyzedandsimulatedbyHFSSsimulator.Simulatedandmeasuredresultsagreewell.Anoveldual-bandspider-shapeddipoleantennafor2.4/5GHzwirelesslocalareanetworks(WLAN)isproposed.Thisantennaconsistsofadouble-sidedprinteddipolewhoselongarmsandshortcenter-stubscanproducedualbandsandobtainwidebandcharacteristics.Fromtheexperimentalresults,excellentperformanceforoperatingfrequenciesacrossIEEE802.11b/g(2400–2484MHz)andIEEE802.11a(5150–5950MHz)bandshasbeenobserved.Thedouble-sidedconstructioncanimprovetheradiationpatternscomparedwiththesinglesidedboard.AndthisantennacouldbeAbstractIVeasilyprintedandintegratedonthesystemcircuitboardforWLANapplications.Recently,moreattentionhasbeenpaidontheradiationeffectonhumanbody.Inthispaper,atypeofmonopolewastakentoresearchtheantenna’sradiationcharacteristicsincludingtheradiationpatternandradiationefficiencyaroundtheantennaandthehumanmodel,andspecificabsorptionrate(SAR)characteristicsinsidethehumanheadatfrequency800MHzand1800MHz.Theresultsshowthattheradiationefficiencyoftheantennaislargelydecreasedby50%whentheantennasurroundedbyhumanhand.ItisalsofoundthatthehighestSARareasaretheheadsurfacenearthephoneantenna.Andwiththeincreasingofthedistancebetweenantennaandhumanhead,SARdistributionweakens.Thecalculationresultsshowthatkeepinganappropriatedistancebetweenantennaandheadisaneffectwaytoreducingtheradiationdosage.Keyword:MiniaturizedAntennaPIFAMonopoleWLANSAR独创性（或创新性）声明秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。本人签名：日期关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。（保密的论文在解密后遵守此规定）本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。本人签名：日期导师签名：日期第一章绪论1第一章绪论§1.1选题背景及研究意义近年来，随着通信技术的不断进步，移动通信业的飞速发展令世人瞩目。十八世纪末到二十世纪初的电磁学发展为移动通信奠定了理论基础。移动通信从上世纪二十年代起步，至今大约经历了六个发展阶段[1]。第一阶段，从上世纪二十年代中期至四十年代，美国首先使用车载无线电系统，工作频率从开始的2MHz到四十年代的30-40MHz，电台体积笨重，而且功耗大，所使用的天线也是体积庞大。此阶段特点是为专用系统开发，工作频率低。第二阶段，从四十年代中期到六十年代初，开始了移动通信业务的新纪元。此阶段特点是由专用到公用网络过渡，人工方式接入，而且容量小。第三阶段，从六十年代中期至七十年代中期，现代移动通信系统进一步改进与完善，美国和德国相继推出改进型移动通信系统。此阶段特点是采用大区制，中小容量，实现了自动选频和接入。第四阶段是移动通信系统进入蓬勃发展的阶段。七十年代，美国贝尔实验室采用蜂窝网，即小区制，实现了频率复用，大大提高了系统容量。第五阶段从八十年代中期开始，移动通信业进入了数字时代，并逐渐成熟起来。第一代移动通信网是模拟系统，用户需求急速发展，其容量很快达到饱和。因此欧洲于八十年