小型天线与金属腔体及人体头颅的耦合谐振分析及应用研究

小型天线与金属腔体及人体头颅的耦合谐振分析及应用研究

内容简介：本文主要讨论小型天线和谐振腔,小型天线广泛应用于民用和军事领域,传统上通过增加介电常数、短路加载、延长电流路径或者采用新型的左手材料来减小天线的尺寸；而谐振腔用于滤波、频率检测、介质测量等等领域。本文力图从理论分析开始,对一些电磁现象给出理论的解释,然后通过仿真方法进行验证,最后进行实验验证,并基于上述理论与验证结果建立测试系统。本文涉及的理论方法包括:传输线腔理论、复相角理论、模式展开理论等等,采用的计算方法包括有限元法(FEM)、时域有限差分法(FDTD)以及电磁计算软件HFSS。
　　 本文的工作主要有以下三个内容:
　　 (1)研究加载天线的传输线腔性能的变化,包括谐振频率和品质因数。根据加载前后腔体参数的变化,可以得到加载天线的等效电路参数。理论分析表明在传输线腔中存在两类谐振模式,分别是传输模式下的谐振和截止模式的谐振。在传输模式下,腔体的谐振频率相对于空腔的谐振频率出现了偏移；而在截止模式下,由于天线受激辐射,腔体产生新的谐振点,本文称之为广义谐振。利用HFSS进行仿真分析,在其中建立天线模型和腔体模型,从理论计算的角度验证了上述理论。在此基础上,本文设计并加工了一套测试系统,验证了上述理论的正确性。由于加载天线受周围环境的影响,例如贴片高度、耦合探针等影响,谐振频率发生偏移,本文进一步进行了相关性验证的实验,证明腔体的谐振频率与天线自身工作时的频率是线性相关的。
　　 (2)研究天线置入金属腔体后,自身特性的变化。理论分析表明,由于天线与腔体之间的耦合从而导致天线的输入阻抗发生变化。如果腔体较大,在谐振频点,天线的输入阻抗变化非常剧烈,而在非谐振点则变化较小。如果腔体较小,腔体会影响天线的表面分布电流,进一步影响到天线的输入阻抗。
　　 本文首先利用模式展开的方法,得到了置入腔体的天线的输入阻抗的等效电路,并对该电路进行了分析。而天线置入金属腔体多用于天线效率的测量,但是由于天线与金属腔体之间的耦合,限制了惠勒法测量天线效率的使用范围,也就是仅适用于窄带的或者单频点的测量。基于以上分析,论文设计了一套可变谐振频率的谐振腔一滑动短路谐振腔,通过腔体一端发生位移,从而改变腔体的尺寸达到改变谐振频率的目的。本文将该滑动短路谐振腔结合运动控制部件、矢量网络分析仪等,建立了一套天线效率的测量系统。利用该系统对一系列的天线进行了测量,并与目前的标准的测量方法进行了比较,结果证明了本文方法的快速和有效性。
　　 (3)双频PIFA天线与人体头颅的耦合问题的研究。手机的辐射问题备受关注,并制定了相应的测试标准及测量方法,本文利用时域有限差分法(FDTD)进行研究。
　　 本文首先建立双频的PIFA天线模型,对其在自由空间的特性进行了研究,包括驻波特性,方向图,效率等；然后将其置于精度为1mm×1mm×1mm的人体头颅模型一侧,重新对其上述特性进行研究,并与自由空间的特性进行了比较,得出了人头颅对天线特性的影响。本部分的另外一个研究主题是天线对人体头颅的影响,也就是电磁波在人体头颅内的吸收问题,研究了在900MHz和1800MHz频率下,双频PIFA天线在人体头颅中的分布SAR,10g组织平均SAR,1g组织平均SAR,以及整体的平均值和最大值。最后将辐射功率根据实际手机的发射功率归一化得到相应的SAR值,并与相应的标准进行比较,论文最后给出了降低SAR的一些方法和建议。

作者：侯建强,

关键词：谐振腔, 传输线腔, 谐振频率, 品质因数, 天线效率,