第3讲 微带天线和手机天线.pdf

第3讲微带天线和天线射频电路与天线RF Circuits and Antenas天线部分袁家德物理与信息工程学院通信工程系Email:yuanjiade@20130416主要内容主要内容z微带天线概况z微带天线辐射原理z微带天线设计z天线背景z外置天线z内置天线z基站天线微带天线3.1微带天线概况z微带天线(Microstrip Antennas)是由导体薄片粘贴在背面有导体接地板的介质基片上形成的天线z微带辐射器的概念首先由Deschamps于1953年提出来但是，过了20年，到了20世纪70年代初，当较好的理论模型以及对敷铜或敷金的介质基片的光刻技术发展之后，实际的微带天线才制造出来，此后这种新型的天线得到长足的发展图微带天线及阵列3.1微带天线概况3.1微带天线概况3.1微带天线概况z同常规的微波天线相比，微带天线具有一些优点因而在大约从100MHz到50GHz的宽频带上获得了大量的应用z与通常的微波天线相比，微带天线的一些主要优点是：●重量轻、体积小、剖面薄的平面结构，可以做成共形天线；●制造成本低，易于大量生产；●可以做得很薄，因此，不影响高速运动目标的空气动力学性能；3.1微带天线概况●无需作大的变动，天线就能很容易地装在导弹、火箭和卫星上；●天线的散射截面较小；●稍稍改变馈电位置就可以获得线极化和圆极化（左旋和右旋）；●比较容易制成双频率工作的天线；●微带天线适合于组合式设计（固体器件，如振荡器、放大器、可变衰减器、开关、调制器、混频器、移相器等可以直接加到天线基片上）；●馈线和匹配网络可以和天线结构同时制作。

3.1微带天线概况----微带天线优点与通常的微波天线相比，微带天线也有一些缺点：●频带窄；●有损耗，因而增益较低；●功率容量较低3.1微带天线概况----微带天线缺点相比于平面微带天线，曲面共形微带天线更容易满足各种先进武器平台的需求，它的优点有：改善或消除天线对载体的空气动力学性能的影响天线安装的自由度增大，可充分的利用载体表面空间便于实现装置的小型化和宽波束，等有利于增加天线的有效孔径面积，提高天线增益，降低雷达散射截面3.1微带天线概况----曲面微带天线3.2 微带天线的基本结构z矩形微带天线是由矩形导体薄片粘贴在背面有导体接地板的介质基片上形成的天线zxyOLWεrEmsJ3.2 微带天线的基本结构3.3 微带天线辐射原理z对微带天线的分析可以用数值方法求解，精确度高，但编程计算复杂，适合异形贴片的微带天线；z微带天线的基本工作原理可以通过考察矩形微带贴片来理解；z还可以利用空腔模型法或传输线法近似求出其内场分布，然后用等效场源分布求出辐射场，例如矩形微带天线的分析3.3 微带天线辐射原理zxyOLWεrEmsJz微带贴片也可看作宽W、长L的一段微带传输线z通常利用微带传输线或同轴探针来馈电，使导体贴片与接地板之间激励起高频电磁场，并通过贴片四周与接地板之间的缝隙向外辐射。

z其终端(y=L边)处因为呈现开路，将形成电压波腹和电流的波节一般取L≈λg/2，λg为微带线上波长3.3 微带天线辐射原理zxyOLWεrEmsJz该电场可近似表达为（设沿贴片宽度和基片厚度方向电场无变化）z L边的磁流抵消z两条W边的辐射增强12()MsJ nEE=× −KKKKz传输线模型法精度不高，但物理概念清晰明了，特别适合于分析矩形贴片微带天线　3.3 微带天线辐射原理180°90°0°30°60°150°120°90°－90°－60°－30°0°30°60°－5dB－5dB实测量计算值(a)(b)(W＝1 cm ，L＝3.05 cm，f＝3.1 GHz)3.3 微带天线辐射原理1() cos( sin)2EFkLϕ ϕ=zxyOLWεrEmsJ图矩形微带天线的E面和H面方向图3.3 微带天线辐射原理3.4 多频微带天线z许多卫星及通信系统需要同一天线工作于两个频段，如GPS全球定位系统、GSM等z对于频谱资源日益紧张的现代通信领域,迫切需要天线具有双极化功能因为双极化可使它的通信容量增加1倍z微带天线的工作频率非常适合于这些通信系统，而微带天线的设计灵活性也使得微带天线在这些领域中得到了广泛的应用。

z目前已有很多关于双频、双极化或双频双极化微带天线的研究报道3.4 多频段实现方法z采用单一贴片，利用两种不同的模式来实现工作采用单一贴片，利用两种不同的模式来实现工作z采用多层重叠贴片结构如利用多层贴片结构形成采用多层重叠贴片结构如利用多层贴片结构形成多个谐振器，从而产生多频段特性多个谐振器，从而产生多频段特性z采用分形概念设计天线分形的空间自相似属性决采用分形概念设计天线分形的空间自相似属性决定了它的多频带性质定了它的多频带性质图4.7天线的几何结构天线的几何结构图4.8天线输入阻抗天线输入阻抗smith圆图圆图3.4 多频微带天线3.5 宽频带技术z对于一般的微带天线而言，输入阻抗随频率的变化是最敏感的，即如果输入阻抗满足频带要求，则其他技术指标也基本能满足频带要求，因此一般讨论微带天线的阻抗带宽问题z与其他各种天线相比，微带天线的阻抗带宽是最窄的，典型微带天线的相对阻抗带宽不到3%窄带特性是由其高Q的谐振特性决定的，即天线结构中能量比辐射能量和其它损耗能量大得多展宽频带的基本途径是降低等效谐振电路的Q值1.采用厚基板与辐射有关的Q值随介质厚度h的增加而降低从物理意义上说，增大基片的厚度即增大了微带天线四周缝隙的宽度，从而增加了从谐振腔中辐射出的能量。

2.采用介电常数较小或损耗较大的基板采用具有较大损耗材料的基板可以降低谐振腔的Q值，使天线的阻抗带宽明显展宽，其代价是降低了天线的效率3.5 宽频带技术----展宽频带的常用方法3.6 圆极化实现方法(a) 切角；(b) 表面开槽；(c) 正交双馈; (d) 带有调谐枝节z轴比受到天线性能、外观结构、整机内部电路及EMI等影响常用实现圆极化的方式有：z轴比是圆极化天线的一个重要的性能指标，它代表圆极化的纯度，一般取轴比不大于3dB的带宽，定义为天线圆极化带宽用切角的方法产生两种正交的TM10和TM01模式，来实现圆极化，切角尺寸约为λ/10，图4.1 微带天线切角示意图3.6 圆极化实现方法图4.2 Geometry of the proposed circularly polarized four slits with two truncated antenna.图4.3 Simulated axial ratio of the proposed antenna.3.6 圆极化实现方法3.7 小型化实现方法1 天线加载在微带天线上加载短路探针,通过与馈点接近的短路探针在谐振空腔中引入耦合电容以实现小型化。

天线的谐振频率主要取决于短路探针的粗细和位置,天线尺寸可缩减50 %以上其缺点是: (1) 阻抗匹配极大地依赖于短路探针的位置及其与馈电点的距离ΔL,往往需要馈电点的精确定位和十分微小的ΔL,这给制造公差提出了苛刻要求2) 带宽窄3) H 面的交叉极化电平相对较高2 采用特殊材料基片从天线谐振频率关系式可以知道,谐振频率与介质参数成反比,因此采用高介电常数(如陶瓷材料) 或高磁导率(如磁性材料) 的基片可降低谐振频率,从而减小天线尺寸这类高介质天线的主要缺陷是: (a) 激励出较强的表面波,表面损耗较大,使增益减小,效率降低b) 带宽窄3.7 小型化实现方法z采用高介电常数的陶瓷材料作为介质来实现天线小型化图4.9采用不同介电常数基板的采用不同介电常数基板的GPS天线尺寸对比天线尺寸对比a)中介电常数为中介电常数为3,介质厚度为介质厚度为1.524mm, (b)中介电常数为中介电常数为28.2,介质厚度为介质厚度为4.75mm3.7 小型化实现方法3 表面开槽当在贴片表面开不同形式的槽或细缝时,切断了原先的表面电流路径,使电流绕槽边曲折流过而路径变长,在天线等效电路中相当于引入了级联电感。

由于槽很窄,它可模拟为在贴片中插入一无限薄的横向磁壁表面开槽天线结构简单,成本低廉,加工方便,其特点是:随槽的长度增加,天线谐振频率降低,天线尺寸减小,但尺寸的过分缩减会引起其它性能的急剧劣化,其中带宽与增益尤为明显3.7 小型化实现方法极坐标方向图直观性强，直角坐标方向图易于表示和比较各方向上场强电平的相对大小天线方向图天线方向图E面H面图2.3 天线二维极坐标方向图天线方向图图2.4 天线直角坐标方向图theta天线4.1 天线背景z作为一种沟通工具已经进入了千家万户，成为人们作为一种沟通工具已经进入了千家万户，成为人们日常生活中不可缺少的一部分日常生活中不可缺少的一部分z人们也越来越注重的通话质量以及辐射可能对人们也越来越注重的通话质量以及辐射可能对人体造成的伤害，而人体造成的伤害，而天线恰是影响这两个方面的重要因素天线恰是影响这两个方面的重要因素z天线设计的核心问题就是使天线满足更为苛刻的天线设计的核心问题就是使天线满足更为苛刻的技术要求，并且超越原有天线型式，满足新的系统要求技术要求，并且超越原有天线型式，满足新的系统要求z在许多系统中，要求优化的参数是小尺寸、宽带、坚在许多系统中，要求优化的参数是小尺寸、宽带、坚固性、易于操作以及降低加工成本。

固性、易于操作以及降低加工成本z合适的天线将提高整体性能，减小功率损耗，持合适的天线将提高整体性能，减小功率损耗，持久耐用，具有更强的市场竞争力久耐用，具有更强的市场竞争力z天线设计必须考虑以下的电性能：天线设计必须考虑以下的电性能：(1) 输入端的匹配；　输入端的匹配；　(2) 带宽；　带宽；　(3) 增益和波束宽度；　增益和波束宽度；　(4) 工作频率；　工作频率；　(5) 分集；　分集；　(6) 辐射对人体的安全性辐射对人体的安全性4.1 天线背景SAR：电磁波能量吸收比值SAR限量峰值为1.6W/Kg,人体全身平均0.08 1.6W/Kg，平均时间为30min4.2 外置天线z早期受制造工艺的影响，只能采用外置天线早期受制造工艺的影响，只能采用外置天线z外置天线的优点是频带范围宽、接收信号比较稳定、外置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；制造简单、费用相对低；z缺点是天线暴露于机体外易于损坏、天线靠近人体缺点是天线暴露于机体外易于损坏、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，接收和发送必须使用不同小天线对人体的辐射伤害，接收和发送必须使用不同的匹配电路等。

的匹配电路等　图6-2-1 外置式单极天线模型的坐标系4.2 外置天线图6-2-2 单极天线的几何尺寸4.2 外置天线图6-2-3 单极天线方向图　(a) 垂直平面方向图；(b)　水平平面方向图4.2 外置天线图6-2-4 单极天线的输入阻抗计算值z当单极天线的直径为3 mm，接地孔的直径为3×2.303 mm时，在900 MHz可获得近似50 Ω的输入电阻; z但是由于输入电抗的存在，仍需要相应的匹配网络4.2 外置。