微带天线的小型化技术研究知识讲解
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口径耦合频率捷变天线
2.CPW馈电有源捷变天线
➢CPW馈电的天线的谐振频率随开路缝的长度而变化 ➢连续改变缝隙的长度就能连续改变天线的频率 ➢在开路缝里嵌入两个PIN二极管 ➢随着所加偏压的不同，PIN管的阻抗不同 ➢缝隙的等效长度发生变化，进而引起天线的频率变 化
CPW馈电有源捷变天线
结论
➢ 小型化天线的设计有很强的灵活性和很大的发 展空间
➢嵌入式微带线馈电的方式 ➢随着电阻值的增大，谐振频率降低，带宽增大 ➢电阻值等于3.9的情况下，与常规三角形天线相比
尺寸大小降低为7.9% ➢而天线的带宽达到19％，是常规三角形天线的10倍。
3.开槽开缝
➢微带天线谐振频率与贴片的等效谐振长度成反比 ➢增大贴片的等效长度可以降低天线谐振频率 ➢在贴片和接地板上开槽和开缝增大天线有效谐振长度 ➢进行开槽或开缝是一种比较有效的方法
➢ 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
带宽分别是180MHz和220MHz。
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
➢ 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
微带天线的结构及特点
➢ 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。
接地板开缝小型化天线
➢ 开缝和开槽通过电流弯曲增加天线的等效长度 ➢ 电流的弯曲会使交叉极化电平增加 ➢ 一种能有效增加天线的有效长度而不增加交叉
极化的方法就是采用折合贴片
小型化折合微带天线
5.小型化折合微带天线
➢ 贴片单元不再位于一个平面上 ➢ 向上或者向下弯曲成一定的形状 ➢ 不会出现纵向的电流 ➢ 交叉极化电平降低到20dB以下 ➢ 天线在水平面的投影面积降低了37%。
提高了一倍
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
➢ 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 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
➢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
平衡馈电小型化圆形微带天线
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
口径耦合双频双极化微带天线
2.小型化的圆极化天线 ➢ 沿方形天线的四边有四个窄槽 ➢ 水平方向的槽只对垂直方向的电流起作用 ➢ 垂直方向的槽只对水平方向的电流起作用 ➢ 水平方向和垂直方向的槽的长度不同 ➢ 馈电位置位于两个对角线上，从而使微带天线
的兼并模分离，产生圆极化 ➢ 这种形式的天线比常规圆极化天线面积减小了
微带天线的小型化 技术研究
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
引言
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
解决以上问题的有效方法－内置微带天线
➢ 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
微带传输线 ➢ 传输线的两端断开形成开路
w
l h
接地 板
介质 基片
矩形微带天线开路端电场结构
l≈/2
h
场分布侧视图
微带天线的小型化技术
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
辐 射元
介 质基 片 接 地板
微带天线的结构
微带天线最常用的两种馈电方式
➢ 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。
微带馈线 辐射元 (a)
同轴馈线
辐射元
(b)
微带天线的辐射原理(传输线法)
➢开缝后电流的流向发生改变 ➢延长了电流经过的路径 ➢等效延长了天线的谐振长度，降低了天线的频率 ➢当缝隙远离辐射边时，这种现象更加明显
开缝前后矩形微带天线贴片电流的分布
研究实例
1.小型化的口径耦合微带天线 ➢利用贴片天线的两个正交模，使天线实现双频工作 ➢在中心开“十”字缝隙，使天线的两个频率降低 ➢天线的尺寸减小了40％ ➢通过倾斜的正交缝，同时激励起这两个模
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
2. PIFA天线 双L型PIFA天线
➢ 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
4.有源捷变
口径耦合频率捷变天线
➢ 加载电阻，电感和电容，或者开缝、开槽，都 能使天线的谐振频率降低
➢ 通过有源的方式，使这些参数连续发生变化， 就能使频率捷变
研究实例
1.口径耦合频率捷变天线
➢两个用变容二极管代替固定电容 ➢电容值随偏压的变化而变化，引起电容的连续变化 ➢这种天线的频率可在1GHz的范围内变化
电常数而导致的带宽的下降
2.短路加载
2.1 PIFA与PILA
y x
矩形微带天线的场源自文库布
➢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）
和平面倒L型天线(PILA) ➢短路面局部短路，可使贴片的面积进一步减少
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
➢ 圆形贴片面积减小约90％，带宽降低0.6%
➢ 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
电阻加载小型化微带天线
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，
短路加载天线的6.6倍 ➢ 在明显增加带宽的同时，又增大了欧姆损耗，因此降
低了天线效率
2.三角形电阻加载小型化天线
➢ 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
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％
➢ 每一种方法都有其优点和局限性，都有其适应 的范围
➢ 市场的需要不断推动技术向前发展 ➢ 实际应用中的小型化天线往往综合前面讲过的
几种技术
谢 谢！
36％，并且圆极化带宽有一定程度提高
小型圆极化天线
小型化蝶型天线
3.小型化蝶型天线
➢相当于在矩形的两个非辐射边开两个三角形的槽 ➢面积比矩形贴片面积减小60％以上
4.接地板开缝小型化微带天线
➢接地板平行于贴片辐射边有两个对称的缝 ➢接地板上电流发生弯曲，进而影响贴片上的电流分布 ➢谐振频率降低为矩形贴片的76％ ➢展宽天线的频带，带宽达到3.1%(矩形贴片2.7％)
设计实例
GPS微带天线
两种不同介电常数的GPS微带天线
➢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
➢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
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
➢ 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
2.CPW馈电有源捷变天线
➢CPW馈电的天线的谐振频率随开路缝的长度而变化 ➢连续改变缝隙的长度就能连续改变天线的频率 ➢在开路缝里嵌入两个PIN二极管 ➢随着所加偏压的不同，PIN管的阻抗不同 ➢缝隙的等效长度发生变化，进而引起天线的频率变 化
CPW馈电有源捷变天线
结论
➢ 小型化天线的设计有很强的灵活性和很大的发 展空间
➢嵌入式微带线馈电的方式 ➢随着电阻值的增大，谐振频率降低，带宽增大 ➢电阻值等于3.9的情况下，与常规三角形天线相比
尺寸大小降低为7.9% ➢而天线的带宽达到19％，是常规三角形天线的10倍。
3.开槽开缝
➢微带天线谐振频率与贴片的等效谐振长度成反比 ➢增大贴片的等效长度可以降低天线谐振频率 ➢在贴片和接地板上开槽和开缝增大天线有效谐振长度 ➢进行开槽或开缝是一种比较有效的方法
➢ 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
带宽分别是180MHz和220MHz。
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
➢ 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
微带天线的结构及特点
➢ 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。
接地板开缝小型化天线
➢ 开缝和开槽通过电流弯曲增加天线的等效长度 ➢ 电流的弯曲会使交叉极化电平增加 ➢ 一种能有效增加天线的有效长度而不增加交叉
极化的方法就是采用折合贴片
小型化折合微带天线
5.小型化折合微带天线
➢ 贴片单元不再位于一个平面上 ➢ 向上或者向下弯曲成一定的形状 ➢ 不会出现纵向的电流 ➢ 交叉极化电平降低到20dB以下 ➢ 天线在水平面的投影面积降低了37%。
提高了一倍
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
➢ 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 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
➢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
平衡馈电小型化圆形微带天线
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
口径耦合双频双极化微带天线
2.小型化的圆极化天线 ➢ 沿方形天线的四边有四个窄槽 ➢ 水平方向的槽只对垂直方向的电流起作用 ➢ 垂直方向的槽只对水平方向的电流起作用 ➢ 水平方向和垂直方向的槽的长度不同 ➢ 馈电位置位于两个对角线上，从而使微带天线
的兼并模分离，产生圆极化 ➢ 这种形式的天线比常规圆极化天线面积减小了
微带天线的小型化 技术研究
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
引言
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
解决以上问题的有效方法－内置微带天线
➢ 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
微带传输线 ➢ 传输线的两端断开形成开路
w
l h
接地 板
介质 基片
矩形微带天线开路端电场结构
l≈/2
h
场分布侧视图
微带天线的小型化技术
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
辐 射元
介 质基 片 接 地板
微带天线的结构
微带天线最常用的两种馈电方式
➢ 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。
微带馈线 辐射元 (a)
同轴馈线
辐射元
(b)
微带天线的辐射原理(传输线法)
➢开缝后电流的流向发生改变 ➢延长了电流经过的路径 ➢等效延长了天线的谐振长度，降低了天线的频率 ➢当缝隙远离辐射边时，这种现象更加明显
开缝前后矩形微带天线贴片电流的分布
研究实例
1.小型化的口径耦合微带天线 ➢利用贴片天线的两个正交模，使天线实现双频工作 ➢在中心开“十”字缝隙，使天线的两个频率降低 ➢天线的尺寸减小了40％ ➢通过倾斜的正交缝，同时激励起这两个模
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
2. PIFA天线 双L型PIFA天线
➢ 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
4.有源捷变
口径耦合频率捷变天线
➢ 加载电阻，电感和电容，或者开缝、开槽，都 能使天线的谐振频率降低
➢ 通过有源的方式，使这些参数连续发生变化， 就能使频率捷变
研究实例
1.口径耦合频率捷变天线
➢两个用变容二极管代替固定电容 ➢电容值随偏压的变化而变化，引起电容的连续变化 ➢这种天线的频率可在1GHz的范围内变化
电常数而导致的带宽的下降
2.短路加载
2.1 PIFA与PILA
y x
矩形微带天线的场源自文库布
➢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）
和平面倒L型天线(PILA) ➢短路面局部短路，可使贴片的面积进一步减少
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
➢ 圆形贴片面积减小约90％，带宽降低0.6%
➢ 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
电阻加载小型化微带天线
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，
短路加载天线的6.6倍 ➢ 在明显增加带宽的同时，又增大了欧姆损耗，因此降
低了天线效率
2.三角形电阻加载小型化天线
➢ 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
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％
➢ 每一种方法都有其优点和局限性，都有其适应 的范围
➢ 市场的需要不断推动技术向前发展 ➢ 实际应用中的小型化天线往往综合前面讲过的
几种技术
谢 谢！
36％，并且圆极化带宽有一定程度提高
小型圆极化天线
小型化蝶型天线
3.小型化蝶型天线
➢相当于在矩形的两个非辐射边开两个三角形的槽 ➢面积比矩形贴片面积减小60％以上
4.接地板开缝小型化微带天线
➢接地板平行于贴片辐射边有两个对称的缝 ➢接地板上电流发生弯曲，进而影响贴片上的电流分布 ➢谐振频率降低为矩形贴片的76％ ➢展宽天线的频带，带宽达到3.1%(矩形贴片2.7％)
设计实例
GPS微带天线
两种不同介电常数的GPS微带天线
➢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
➢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
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
➢ 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