天线设计

天线的由来
人与人之间的通信最早是通过声音，随着长距离通信的需求， 出现了用信号旗及狼烟通信。这些都在可视的范围内，随着人 类的进步，电磁辐射的发现及研究才有了当今快速的通信，当 然离不开天线。 天线是移动通信系统中重要的组件。它负责发射及接收电磁 波。 设计天线的理论基础是Maxwell 方程组。它把电与磁导入到同一 个电磁场理论中去。
天线相关术语
Dipole------------振子天线 Isotropic---------理想电源天线 Return Loss-----回波损失 VSWR-----------电压驻波比 Smith Chart-----阻抗圆图 Gain--------------增益 Efficiency-------效率
上海安岗通讯电子有限公司
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移动通信天线设计
作者：朱强
当今天线的发展形势
移动通信称得上日常生活中的要素，但多数人对天线了解甚 少。 移动通信在世界范围内已成为天线发展的主要动力。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 原有天线形式，满足新的系统要求。在许多系统中要求优化的 参数是：小尺寸、带宽、坚固性、易于操作，以及更重要的一 点，即降低加工成本。
半波对称振子 及它的3D辐射 场图
Directivity 对天线的一个非常重要的描述是天线在某一方向上集中多 少能量，这是相对与其它方向而言的。天线的这个特性被称为 Direction(方向性）. Direction被定义为一特定方向上的辐射强度与平均辐射强度 （Isotropic）的比值。
D=Umax/Uaverage
Isotropic Antenna 理想的点源天线，它的接收和发射是无方向性的，仅在理论 上成立，现实中是无法实现的。它是其它现实存在天线的理想 参照天线，可通过它计算Gain. 它的3D辐射图如下：
Dipole 对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单 个半波对称振子可简单地、独立地使用或用作为抛物面天线的 馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。 两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一 波长、全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子
Return Loss图表Biblioteka Baidu
VSWR（驻波比） 驻波比的产生，是由于入射波能量传输到天线输入端未被 全部吸收（辐射）、产生反射波，迭加而形成的。 VSWR越大，反射越大，匹配越差。
VSWR=Umax/Umin
经过计算，驻波比对天线反射功率、所增大的馈线损耗与 完全匹配（VSWR=1）时相比，所减小的总辐射功率的关系， 见下表。
Frequency（频段） 当今移动通信系统主要有如下的工作频段，请见下表。
System Amps SMR IDEN TACS ETACS GSM EGSM PAGING GPS IRIDUM DCS PCS WCDMA2100 (ISM) BLUE TOOTH Transmit(MHz) 824 849 806 821 806 824 890 905 871 904 890 915 880 915 895 901 1227 1616 1710 1785 1850 1930 Receive(MHz) BW(MHz) 869 894 8% 851 866 7% 851 870 8% 935 950 7% 916 949 9% 935 960 8% 925 960 9% 920 945 5% 1575 1626 1% 1805 1880 9% 1930 1990 7%
总纲
现代天线设计概念 天线基本原理及参数 实际天线设计技术
现代天线设计概念
随着移动通信的发展对天线提出越来越高的要求。 在任何特定设计中，只有某些目标是可以实现的，必须把各 种情况作为独立的整体来对待。但是有些要求似乎总是必须考 虑的因数，例如，易于操作控制和最好使用可获得的新材料。 这些要求直接关系到产品的式样和生产，在某种意义上也关系 到产品的销售量，当然产品首先要满足通信性能要求。 天线设计逐渐依靠基于一些著名数学方法的计算辅助设计 （CAD），如Ansoft HFSS、Sonnet、Zeland IE3D。
VSWR图表
Smith Chart（阻抗圆图） Smith Chart 是表征微波器件的阻抗特性的工具。它适用于 任何特性阻抗的系统，通常的系统的特性阻抗为Z0＝50Ω或 Z0 ＝75Ω。Smith Chart 通常为归一化的表达方式。 即Z＝ZL/Z0 如下所示为Smith Chart 的电感及电抗的曲线。
Polarization-----极化 Directivity-------方向系数 Band Width-----带宽 Impedance-----天线阻抗 Frequency-----工作频率
天线的定义
引用国际上官方的定义如下： The official IEEE definition of an antenna follows this concept: That part of a transmitting or receiving system that is designed to radiate or receive electromagnetic waves. 也就是说： 发射或接收系统中设计成用来辐射或接收电磁波的那部分。
1920 2400
2110
2110
2179 2484
13% 3%
Return Loss（回波损耗） 当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性 阻抗时，负载就只能吸收馈线上传输的部分高频能量，而不能 全部吸收，未被吸收的部分能量将反射回去形成反射波。 RL=-10log(Pin/Preturn)
评估天线性能的主要参数
Radiation Pattern F(θ，φ): Angular variation of radiation around the antenna, including: a. Directive, Single or multiple narrow beams b. Omnidirectional (Uniform radiation in one plane) c. Shaped main beam Directivity D: Ratio of power density in the direction of the pattern maximum to the average power density at the same distance from the antenna. Gain G: Directivity reduced by the losses on the antenna. Polarization: The figure traced out with time by the instantaneous electric field vector associated with the radiation from an antenna when transmitting. Antenna polarizations: Linear, Circular, Elliptical Bandwidth: Range of frequencies over which important performance parameters are acceptable. Impedance Za: Input impedance at the antenna terminals. Scanning: Movement of the radiation pattern in space. Scanning is accomplished by mechanical movement or by electronic means such as adjustment of antenna current phase. System Considerations: Size, weight, power handling, radar cross section, environmental operating conditions, etc.
在通信行业所谓的天线带宽都是在某一VSWR下的天线带宽。
天线带宽图表
与VSWR 相关联的 天线带宽 度
Antenna Matching Network（天线匹配网络） 何谓匹配，简单地说，馈线终端所接负载阻抗Ｚ L 等于馈线 特性阻抗Ｚ0 时，称为馈线终端是匹配连接的。匹配时，馈线 上只存在传向终端负载的入射波，而没有由终端负载产生的反 射波，因此，当天线作为终端负载时，匹配能保证天线取得全 部信号功率。例如，当天线阻抗为 50 欧时，与50 欧的电缆是 匹配的，而当天线阻抗为 80 欧时，与50 欧的电缆是不匹配的。
天线原理
天线原理目录
天线的由来 天线相关术语 评估天线性能的主要参数 Isotropic Antenna Dipole Directivity Gain Polarization Frequency Return Loss VSWR Smith Chart Bandwidth Antenna Matching Network Impedance Radiation Efficiency 天线E、H面 传输线基础
Smith Chart 图表
Bandwidth（带宽）
无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范 围（频带宽度）内工作的，天线的频带宽度有两种不同的定义： 一种是指：在驻波比SWR ≤ 1.5 条件下，天线的工作频 带宽度； 一种是指：天线增益下降 3 分贝范围内的频带宽度。
在移动通信系统中，通常是按前一种定义的，具体的说， 天线的频带宽度就是天线的驻波比 SWR 不超过 1.5 时，天线 的工作频率范围。 一般说来，在工作频带宽度内的各个频率点上 , 天线性 能是有差异的，但这种差异造成的性能下降是可以接受的。
VSWR
3 2 1.8 1.5 1.4 1.3 1.2
与完全匹配 增大馈线 (VSWR=1)相比 损耗(dB) （50米馈 反射功率 Γ（dB） 百分比 线加跳线 约2.5dB 减小的辐 减小辐射 自然损 射功率 功率百分 耗） (dB) 比 25%(1.25 6 dB) 0.9 2.15 40% 11%(0.5d 9.5 B) 0.36 0.86 18% 8%(0.36d 11 B) 0.31 0.67 14% 4%(0.17d 14 B) 0.19 0.36 8% 2.8%(0.1 15.5 2dB) 0.09 0.21 4.70% 1.7%(0.0 17.5 7dB) 0.06 0.13 2.90% 0.8%(0.0 21 3dB) 0.04 0.07 1.10%
Isotropic-------------------- D=1 Dipole （半波振子）-----D=1.5
Gain（增益） 增益是指：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的 辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定 量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益显然与天 线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越 高。 换言之，某天线的增益，就其最大辐射方向上的辐射效 果来说，与无方向性的理想点源相比，把输入功率放大的倍数。 通常计算天线的最大增益。 半波振子的增益为 G＝2.15dBi
若是以半波振子为参照，则增益的单位为dBd
半波振子的增益为 G＝0dBd 增益的另外的计算方法是G＝er×D 其中er为辐射效率
Polarization（极化） 天线辐射电磁波中电场的方向就是天线的极化方向。由于 电磁波在自由空间传播时电场的取向有垂直线极化的水平线极 化的圆极化的……等，因而天线也就相应的垂直线极化的天线 水平线极化的天线……。 特别值得一提的双极化天线，它是在一副天线罩下水平线 极化与垂直线极化两副天线做在一起的天线。