基于FDTD的移动通信天线设计

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本课题主要针对手机天线的窄频带现象进行研究。近年来,随着移动通信的发展,平面单极子天线的研究和应用倍受关注。移动通信系统对天线提出了兼顾宽频带、小型化、辐射效率高的要求。传统的单极天线存在较窄的频带宽度和物理长度大的缺点,所以其工程应用受到了很大的限制。由于移动通信系统采用了双标准(GSM/DCS),工作在双频段范围(824~960MHz和1.71~1.88GHz),这就意味着在相应的频段范围内,要确保天线的带宽宽,电压驻波比较低,且具有良好的阻抗匹配。针对当前手机天线设计的难点,本文设计了一种具有宽带宽和小型化特征的平面单极天线。为了扩展工作带宽,该天线采取了顶部加载金属圆盘和对寄生贴片开槽等措施。并分析了槽的宽度、加载圆盘、套筒和介质矩形尺寸等参数对天线性能的影响,再采用共面波导馈电以及高斯脉冲提供能量,设计并制作了一种实现移动通信频带的平面单极子天线,使其工作于824~960MHz和1.71~1.88GHz的宽频段上。本文根据以往设计单极子天线的问题,提出了时域有限差分(FDTD)方法以及移动通信天线设计的基本理论和方法,讨论了描述FDTD算法的天线参数,再引入HFSS电磁仿真软件,介绍了HFSS的基本知识和设计流程,在此基础上对平面单极子天线进行了研究和设计工作。接着,再利用FDTD法直接将场分量的有限差分式形式代替麦克斯韦时域场旋度方程中的微分式形式,用具有相同电参量的空间网格去模拟结构体,选取合适的场始值和空间所需的边界条件。最后利用Matlab语句进行可视化分析。与HFSS仿真结果作比较,结果表明更加优化了频带带宽,更能清楚地表明阻抗匹配程度。可见FDTD算法计算单极天线更有效。
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