第讲微带天线和手机天线

z早期受制造工艺的影响，手机只能采用外置天线。 z外置天线的优点是频带范围宽、接收信号比较稳定、 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 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 的匹配电路等。
4.2 手机外置天线
改善或消除天线对载体的 空气动力学性能的影响。
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。
便于实现装置的小型化和 宽波束，等。
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。
x z
L
O
W
J
m s
y
E
εr
3.2 微带天线的基本结构
3.6 圆极化实现方法
图4.1 微带天线切角示意图
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，
3.6 圆极化实现方法
图4.2 Geometry of the proposed circularly polarized four slits with two truncated antenna.
天线方向图
theta 图2.4 天线直角坐标方向图
手机天线
4.1 手机天线背景
z手机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。 z人们也越来越注重手机的通话质量以及手机辐射可能对 人体造成的伤害，而天线恰是影响这两个方面的重要因素。
z手机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。 z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。 z合适的天线将提高手机整体性能，减小功率损耗，持 久耐用，具有更强的市场竞争力。
3.5 宽频带技术----展宽频带的常用方法
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。
3.7 小型化实现方法
图4.9 采用不同介电常数基板的GPS天线尺寸对比。(a)中介电常数为3,介质厚度为1.524mm, (b) 中介电常数为28.2,介质厚度为4.75mm。
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。
3.7 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。
3.7 小型化实现方法
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。
3.1 微带天线概况----微带天线优点
●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。
图4.7 天线的几何结构
图4.8 天线输入阻抗smith圆图
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。
3.3 微带天线辐射原理
K
J
M s
=
nK
×
(
K E1
−
K E2 )
z 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）。
x z
L
z L边的磁流抵消。
z两条W边的辐 射增强。
O
W
J
m s
y
E
εr
3.3 微带天线辐射原理
z 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。
4.1 手机天线背景
z手机天线设计必须考虑以下的电性能：
(1) 输入端的匹配； SAR：电磁波能量吸收比值。
(2) 带宽；
SAR限量峰值为1.6W/Kg, 平
(3) 增益和波束宽度； 均时间为30min。
(4) 工作频率；
(5) 分集；
(6) 手机辐射对人体的安全性。
4.2 手机外置天线
图4.3 Simulated axial ratio of the proposed antenna.
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。
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
3.3 微带天线辐射原理
图 矩形微带天线的E面和H面方向图
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。
射频电路与天线
RF Circuits and Antenas
天线部分
第3讲 微带天线和手机天线
201311125
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 手机天线背景 z 手机外置天线 z 手机内置天线 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。
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。
天线方向图
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
E面
H面
图2.3 天线二维极坐标方向图
3.6 圆极化实现方法
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 。
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：
(a) 切角； (b) 表面开槽； (c) 正交双馈; (d) 带有调谐枝节。
形的时 尚需求。
z常见的内置天线类型： ¾单极天线； ¾缩短天线的谐振长度，以获得具有低剖面的内置天线； ¾微带天线。
4.3 手机内置天线
图6-2-8 有限尺寸接地面上的折线天线
4.3 手机内置天线
图6-2-9 平面单极天线结构图(长度单位为mm)
4.3 手机内置天线
把单极天线相对于地面弯曲就获得了倒L形天线， 降低天线高度可以降低天线的谐振频率，L形天线 的短臂在垂直于短臂的平面内全方向辐射，天线的 长臂也会辐射一部分能量。
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。
3.1 微带天线概况
图 微带天线及阵列
3.1 微带天线概况
3.1 微带天线概况
4.2 手机外置天线
z手机外置天线常用的还有法 向模螺旋天线。该天线的方向 图、极化特性类似于单极天 线，但是由于其输入阻抗对频 率很敏感，因而具有窄带特性。
z手机通信过程中人体处于天线 的近区场中，手机天线辐射特 性明显受到人体的影响，同时 由于外置式天线不适合加反射 板，所以外置式天线的手机对 人体的辐射伤害的研究近年来 也受到重视。
4.3 手机内置天线
而倒F天线是倒L形天线的变型，它在天线上 增加了一个短路段以获得输入阻抗的改变， 天线因附加特征呈倒F形并因此命名。
4.3 手机内置天线
手机中PIFA的结构如图所示。
4.3 手机内置天线
图6-2-5 法向模螺旋天线手机示意图
4.3 手机内置天线
z外置式天线有许多缺点： 不能集成到印制电路板或设备外壳 上，增加了设备的总尺寸；易于折断和弯曲，需小心维护；天 线难于屏蔽导致比吸收率SAR值较高，人体对天线的性能影响 较大；外置天线，尤其是螺旋天线难以精确批量生产，需要匹 配电路，使成本和损耗都增加，难以迎合手机使用者对手机外
3.3 微带天线辐射原理
FE (ϕ )
=
cos( 1 2
kL sinϕ )
x z
L
O
W
J
m s
y
E
εr
90° 120° 150°
180° (a)
0°
60°
－30°
30°
－60°
0°
－5dB
－90°
实测量
(b)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ计算值
(W＝1 cm ，L＝3.05 cm，f＝3.1 GHz)
30°
60°
90°
－5dB
3.1 微带天线概况----微带天线缺点
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----曲面微带天线
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：
天线安装的自由度增大， 可充分的利用载体表面空 间。
图6-2-1 外置式单极天线手机模型的坐标系
4.2 手机外置天线
图6-2-2 单极天线手机的几何尺寸
4.2 手机外置天线
图6-2-3 手机单极天线方向图 (a) 垂直平面方向图；(b) 水平平面方向图
4.2 手机外置天线
图6-2-4 手机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。
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 微带贴片也可看作宽W、长L的一段微带传输线。
z 其终端(y=L边)处 因为呈现开路，
x z
将形成电压波腹
L
和电流的波节。
O
W
J
m s
一般取
y
E
L≈λg/2，λg为
微带线上波长。 εr
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 z 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。 z 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。
3.4 多频微带天线
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；