微带天线的小型化技术研究

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解决办法－采用多个短路探针 ➢ 短路点和馈电点的距离明显增大 ➢ 如果采用空气介质，带宽可达到10％
➢短路探针的存在，H面的交叉极化电平明显提高
解决方法－平衡馈电
➢用两个关于原点对称的短路探针 ➢馈电处的相位相差180度 ➢交叉极化电平降低了20dB ➢交叉电平的提高以增加天线的面积为代价 ➢是常规短路加载圆形贴片面积的2.7倍
微带传输线 ➢ 传输线的两端断开形成开路
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w
l h
接地 板
介质 基片
矩形微带天线开路端电场结构
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l≈/2
场分布侧视图
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h
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微带天线的小型化技术
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1.采用高介电常数的材料
➢微带天线的谐振频率近似与成反比 ➢天线谐振频率固定时，尺寸与 r 成反比 ➢介电常数增大，天线的尺寸将减小
➢ 微带天线是由一块厚度远小于波长的介质板 （称为介质基片）和（用印刷电路或微波集成 技术）覆盖在它的两面上的金属片构成的, 其 中完全覆盖介质板一片称为接地板, 而尺寸可 以和波长相比拟的另一片称为辐射元。
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辐 射元
介 质基 片
接 地板
微带天可编辑线版 的结构
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微带天线最常用的两种馈电方式
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通信系统的发展方向
➢ 小型化 ➢ 多功能
➢ 高性能
传统手机天线目前存在着缺点
➢ 集成度低 ➢ 增益不高 ➢ 人体特定吸收比(SAR)偏高
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解决以上问题的有效方法－内置微带天线
低SAR 较高平均有效增益 手机外形设计多样化 未来手机天线技术的发展方向之一
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微带天线的结构及特点
带宽分别是180MHz和220MHz。
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2.2短路探针
➢PIFA和PILA的接地面进一步减小，可以用短路探 针来代替
➢在80年代初期，短路探针就被用来调谐天线谐 频率
➢采用同轴探针馈电时，若附加短路探针并靠近 馈电探针时可以在很大程度上减小贴片尺寸
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工作原理
➢ 同轴馈电探针之间形成强耦合，等效于一个并 联电容
➢ 一种是侧面馈电, 也就是馈电网络与辐射元刻 制在同一表面, 另一种是底馈, 就是以同轴线的 外导体直接与接地板相接, 内导体穿过接地板 和介质基片与辐射元相接。
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微带馈线 辐射元 (a)
同轴馈线
辐射元
(b)
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微带天线的辐射原理(传输线法)
➢ 辐射元的长为L, 宽为W, 介质基片的厚度为h ➢ 辐射元、介质基片和接地板视为一段长为L的
提高了一倍
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3.变形的PIFA双频天线
➢ PIFA与PILA以及他们的变形在移动通信终端中 被大量使用
两种变形的PIFA双频天线
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➢ 图a中，在贴片的周围对称分布宽度为2mm的
缝隙
➢ 内部贴片在高频率端谐振，其余部分在低频段
谐振
➢ 同轴探针直接和内部贴片相连，激励起两个频
率
➢ 接地板向上弯曲90度
电常数而导致的带宽的下降
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2.短路加载
2.1 PIFA与PILA
y x
矩形微带天线的场分布
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➢矩形微带贴片天线一般工作在TM 01 模
➢贴片下电场分布如图所示
➢沿 y轴将天线短路，不会改变天线的场分布
➢与常规天线相比，尺寸减小了50％ ➢同轴探针馈电和微带线馈电的天线叫平面倒F型天线（PIFA）
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设计实例
GPS微带天线
两种不同介电常数的GPS微带天线
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➢两种介电常数的GPS微带天线，工作在同一频率1.575GHz
➢天线（a）的介电常数为 r 3.0，基片厚度 h1.52m4m ➢天线（b）的介电常数为 r 28.2 ，基片厚度 h4.75mm
➢ 微带天线的增益和带宽随介电常数增大而减小 ➢ 天线（b）通过使用较厚的基片来弥补提高介
➢ 采用三角形贴片单元，短路探针加载后面积小 于常规天线的5％
➢ 三角形贴片的0场位于 x轴距底边2 3 处，与矩
形和圆形贴片相比，有很大的调整范围
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➢ 短路探针的位置愈靠近贴片的周围 ➢ 天线的面积减小的越厉害 ➢ 馈电的位置愈靠近短路点 ➢ 带来制造工艺上的困难 ➢ 对输入阻抗的特性影响非常敏感 ➢ 天线的阻抗带宽非常窄 ➢ 在许多场合并不适用
充分利用天线的高度
减小接地的面积减小天线尺寸
改善天线的全向辐射特性
降低天线邻近人体效应
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➢ 天线在GSM和DCS频段的带宽分别是200MHz 和180MHz
➢ 进一步去掉电流密度较小的部分贴片不会影响 天线的性能
➢ 进一步减小天线的体积 ➢ 图b是去掉一部分贴片后的天线结构，天线的
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平衡馈电小型化圆形微带天线
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2.3电阻加载
➢增大阻抗带宽的一种途径是将短路探针替换成电 阻加载
电阻加载小型化微带天线
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研究实例
1.矩形电阻加载小型化天线
➢ 加载一个1欧姆的电阻 ➢ 矩形天线的谐振频率从1900MHz降低为710MHz ➢ 10dB阻抗带宽是9.3%,大约为常规矩形贴片的4.9倍，
和平Biblioteka Baidu倒L型天线(PILA) ➢短路面局部短路，可使贴片的面积进一步减少
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研究实例
1. PILA天线
局部短路PILA天线
➢ 与常规矩形贴片相比，天线的带宽略有下降
➢ 满足移动通信的要求，要提高天线的带宽
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2. PIFA天线
双L型PIFA天线
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➢ 一个L型贴片单元由同轴探针直接驱动 ➢ 另外一个L型贴片位于驱动单元的附近 ➢ 两个贴片的谐振频率略有不同 ➢ 通过两个贴片单元之间的耦合，使天线的带宽
➢ 在谐振频率附近，微带天线可等效成并联谐振 电路
➢ 因此利用短路探针可以使天线在低于谐振频率 处达到阻抗匹配
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研究实例
各种贴片形状的短路加载小型化微带天线
x xp , y p
y xps, yps
d
短路探针
短路探针加载小型化微带天线
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➢ 圆形贴片面积减小约90％，带宽降低0.6%
微带天线的小型化 技术研究
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内容
引言 微带天线的小型化技术
1.采用高介电常数的材料 2.短路加载 3.开槽开缝 4.有源捷变
结论
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引言
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微波集成技术和空间技术迫切需求低剖面 天线 微带天线得到日益广泛的关注和应用
➢ 体积小、重量轻、低剖面、能与载体共形 ➢ 易于制造,成本低,易于集成 ➢ 便于实现圆极化、双极化和双频段