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HFSS11软件对手机 MIMO天线的设计仿真和优化
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2017-11-09
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1、前言
无线通信正朝着大容量、高传输率和高可靠性的方向发展。近年来，频率资源的严重不足已经成为遏制无线通信发展的瓶颈。多输入多输出（MIMO）技术无需要额 外的发射功率和频谱资源，就可以极大地提高无线通信系统的容量，故MIMO技术已经成为当前研究的一个热门课题，是众多方法中很有潜力和优势的一项技术。 而小型的，适用于手机系统中的MIMO天线的设计是MIMO无线通信系统的关键的、难以攻克的技术之一。
与传统手机天线相比较，手机 MIMO天线设计更加困难，这是因为手机系统中可被MIMO天线利用的空间有限。将多个天线集成在有限的空间中，天线单元间会存在很强的互耦。强烈的互耦 会导致MIMO天线辐射功率变小，MIMO系统的性能下降，故减小互耦是手机MIMO天线设计的一大难点。传统天线设计方法是由设计师根据天线的分析理论 以及自己的经验通过编程进行数值计算的方法来确定天线各参数的初始值，得到计算理论上的模型后，再根据实际实验进一步调整设计。对手机MIMO天线设计而 言，这种传统手机设计方法几乎行不通，因为手机MIMO天线单元间的互耦无法根据公式事先设计。HFSS软件的出现，使得设手机MIMO天线的设计变得可 实现而且简便快捷、准确。通过对仿真模型的优化改进，就可以设计出满足电气性能的MIMO天线，避免了不必要的重复加工测试费用。随着技术的发 展，HFSS的功能更加完善、界面更加人性化，建模更加简单，仿真、优化功能和速度也不断在改进。
本文就是利用HFSS11软件对手机 MIMO天线进行设计仿真和优化。本文利用HFSS11，设计出一种两单元小型双频手机MIMO天线。该天线由两个相同的、相互垂直的、由两条金属带组成 的单元天线组成，单元天线的尺寸仅仅为15×10.5×0.8mm3。天线的低频带宽为1.62-3.6GHz（|S11|≤-10dB，|S21|≤- 13dB），高频带宽为4.44-5.92GHz（|S11|≤-10dB，|S21|≤-17dB）。
2、小型双频手机MIMO天线设计
天线的设计首先要建立模型，根据天线理论首先设计出天线模型的初始模型，接着就可以直接在HFSS的编辑环境中建模，同时设置材料特性，定义端口和边界条 件，然后设定工作频率等等，这些在此不再详述。本文所提出的手机MIMO天线的结构如图1所示，图2是该手机MIMO天线在HFSS中的建模。图1中所示 的天线尺寸为在HFSS中优化后的值。
如图1所示，该MIMO天线由两个该天线由两个相同的、相互垂直的单元天线组成，单元天线的尺寸仅仅为15×10.5×0.8mm3。每个天线单元由两个分 别印制在基板两面的辐射金属带组成。金属带的重叠部分形成双带线结构，它能给电感性的天线引入部分电容，从而改善天线的阻抗带宽。两个天线单元分别向不同 的方向倾斜45度，这是为了减小天线近场所引起的互耦。尺寸为47×45mm2的地板上刻有一条细缝（1×13.6mm2），该细缝的作用是为了减小两天 线单元间的，由于地板表面电流引起的互耦。
无线通信正朝着大容量、高传输率和高可靠性的方向发展。近年来，频率资源的严重不足已经成为遏制无线通信发展的瓶颈。多输入多输出（MIMO）技术无需要额 外的发射功率和频谱资源，就可以极大地提高无线通信系统的容量，故MIMO技术已经成为当前研究的一个热门课题，是众多方法中很有潜力和优势的一项技术。 而小型的，适用于手机系统中的MIMO天线的设计是MIMO无线通信系统的关键的、难以攻克的技术之一。
与传统手机天线相比较，手机 MIMO天线设计更加困难，这是因为手机系统中可被MIMO天线利用的空间有限。将多个天线集成在有限的空间中，天线单元间会存在很强的互耦。强烈的互耦 会导致MIMO天线辐射功率变小，MIMO系统的性能下降，故减小互耦是手机MIMO天线设计的一大难点。传统天线设计方法是由设计师根据天线的分析理论 以及自己的经验通过编程进行数值计算的方法来确定天线各参数的初始值，得到计算理论上的模型后，再根据实际实验进一步调整设计。对手机MIMO天线设计而 言，这种传统手机设计方法几乎行不通，因为手机MIMO天线单元间的互耦无法根据公式事先设计。HFSS软件的出现，使得设手机MIMO天线的设计变得可 实现而且简便快捷、准确。通过对仿真模型的优化改进，就可以设计出满足电气性能的MIMO天线，避免了不必要的重复加工测试费用。随着技术的发 展，HFSS的功能更加完善、界面更加人性化，建模更加简单，仿真、优化功能和速度也不断在改进。
本文就是利用HFSS11软件对手机 MIMO天线进行设计仿真和优化。本文利用HFSS11，设计出一种两单元小型双频手机MIMO天线。该天线由两个相同的、相互垂直的、由两条金属带组成 的单元天线组成，单元天线的尺寸仅仅为15×10.5×0.8mm3。天线的低频带宽为1.62-3.6GHz（|S11|≤-10dB，|S21|≤- 13dB），高频带宽为4.44-5.92GHz（|S11|≤-10dB，|S21|≤-17dB）。
2、小型双频手机MIMO天线设计
天线的设计首先要建立模型，根据天线理论首先设计出天线模型的初始模型，接着就可以直接在HFSS的编辑环境中建模，同时设置材料特性，定义端口和边界条 件，然后设定工作频率等等，这些在此不再详述。本文所提出的手机MIMO天线的结构如图1所示，图2是该手机MIMO天线在HFSS中的建模。图1中所示 的天线尺寸为在HFSS中优化后的值。
如图1所示，该MIMO天线由两个该天线由两个相同的、相互垂直的单元天线组成，单元天线的尺寸仅仅为15×10.5×0.8mm3。每个天线单元由两个分 别印制在基板两面的辐射金属带组成。金属带的重叠部分形成双带线结构，它能给电感性的天线引入部分电容，从而改善天线的阻抗带宽。两个天线单元分别向不同 的方向倾斜45度，这是为了减小天线近场所引起的互耦。尺寸为47×45mm2的地板上刻有一条细缝（1×13.6mm2），该细缝的作用是为了减小两天 线单元间的，由于地板表面电流引起的互耦。
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