（電磁場與微波技術(shù)專業(yè)論文）移動通信終端天線的研究.pdf

摘要 摘要 本文的主要工作是對移動通信終端天線的研究。近年來，隨著個人通信和移動 通信技術(shù)的迅速發(fā)展，對手機天線的性能提出了小型化、多頻段、寬頻帶和高增益 的要求。而微帶天線具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕等優(yōu)點，能夠滿足移動通信 系統(tǒng)對于手機天線性能的要求，因而在移動通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。但是， 低增益、窄帶寬等缺點也限制了微帶天線的使用。因此，本文對微帶天線，尤其 是對單極天線及平面倒f 結(jié)構(gòu)( p i f a ) 天線的特性做了詳細研究。 本文采用a n s o f t 公司的電磁仿真軟件基于有限元法的h f s s 軟件對手機 內(nèi)最天線進行了理論求解和仿真計算。分別設(shè)計了單頻單極( g p s ) 內(nèi)置天線、雙 頻p i f a ( g s m d c s 和g s m p c s ) 內(nèi)置天線及2 4 g w l a n 內(nèi)置天線，得到了令人滿意的 仿真結(jié)果。 螺旋天線滿足人們追求外置天線小型化的要求，近年來得到迅速普及。本文對 基于螺旋天線原理的對講機外置天線做了細致的研究，并使用h f s s 軟件對該天線 進行了仿真優(yōu)化設(shè)計。設(shè)計了工作于4 2 0 m h z - - 4 6 0 m t i z 頻段的對講機外置天線，加 工天線實物并進行了測量，測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好，令人滿意。測試結(jié)果 表明，該天線具有尺寸小、一致性好、成本低等優(yōu)點。 關(guān)鍵詞：小型化；寬頻帶；p i f a 天線；單極天線；螺旋天線 a b s t r a c t a b s t r a c t t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ri st h es t u d yo ft h em o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e r m i n a l a n t e n n a i nr e c e n ty e a r s ，t h ed e m a n df o rm i n i a t u r i z a t i o n ，m u l t i b a n d ，b r o a d b a n da n d h i 曲g a i nh a sb e e np r e s e n t e dw i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s m i c r o s t r i pa n t e n n a sf e a t u r ec o m p a c ti nt o t a ls i z e ，s m a l lv o l u m ea n dl i g h tw e i g h t t h e y a r ea b l et om e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mt ot h ea n t e n n a s o fm o b i l ep h o n e s i t e n c e ，t h e ya r ew i d e l yu s e di nt h em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m h o w e v e ls o m es h o r t c o m i n g so fm i c r o s t r i pa n t e n n a s s u c ha sl o wg a i n , n a r r o w b a n d w i d t h ，e t c ，m a k et h e mu n f i tf o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n t h u s ，t h em i c r o s t r i pa n t e n n a ， e s p e c i a l l yt h em o n o p o l ea n t e n n aa n dp i f aa n t e n n aa r es t u d i e di nd e t a i li nt h i sp a p e l a ne m u l a t o r , h f s so fa n s o f l ，i su s e dt oc a l c u l a t ea n ds i m u l a t et h ei n t e r n a lh a n d s e t a n t e n n a s i nt h i s p a p e r , a m o n o p o l ea n t e n n a ( g p s ) ，t w o d u a l b a n dp i f a a n t e n n a s ( g s m d c sa n dg s m p c s ) a n da2 4 g w l a na n t e n n aa r ed e s i g n e d ，a n d s a t i s f y i n gs i m u l a t er e s u l t sa l eg o t h e l i c a la n t e n n as a t i s f i e st h ed e m a n df o rt h es t u b b ya n t e n n am i n i a t u r i z a t i o n i th a s ar a p i dd e v e l o p m e n ti nr e c e n ty e a r s h e n c e ，as t u b b ya n t e n n a so fi n t e r p h o n e ，b a s e do n t h et h e o r yo fh e l i c a la n t e n n aa n dc a no p e r a t ea t4 2 0 m h z - 4 6 0 m h z ，i ss i m u l a t e da n d o p t i m u md e s i g n e db yu s i n gh f s s t h e nt h ea n t e n n ai sm a d ea n dm e a s u r e d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ef o u n dt ob ei ng o o da g r e e m e n tw i t ht h e s i m u l a t e dr e s u l t s b e s i d e s ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w st h a tt h ea n t e n n ah a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha s s m a l ls i z e ，g o o dc o n s i s t e n c ya n dl o wc o s ta n ds oo n k e y w o r d s ：m i n i a t u r i z a t i o n ；b r o a d b a n d ；p l a n a ri v e r t e d fa n t e n n a ( p i f a ) ；m o n o p o l e a n t e n n a ；h e l i c a la n t e n n a 創(chuàng)新性聲明 本人聲明所呈交的論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究 成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中不 包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果；也不包含為獲得西安電子科技大學(xué)或 其它教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做 的任何貢獻均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。 申請學(xué)位論文與資料若有不實之處，本人承擔一切相關(guān)責任。 本人簽名： 名物 肛朋日期以3 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解西安電子科技大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：研究生 在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)單位屬西安電子科技大學(xué)。本人保證畢業(yè) 離校后，發(fā)表論文或使用論文工作成果時署名單位仍然為西安電子科技大學(xué)。學(xué) 校有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許查閱和借閱論文；學(xué)?？梢怨颊撐牡娜?或部分內(nèi)容，可以允許采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存論文。( 保密的論文在 解密后遵守此規(guī)定) 本學(xué)位論文屬于保密在一 本人簽名：盤盤 導(dǎo)師簽名： 年解密后適用本授權(quán)書。 日期d 7 、雩 日期盟：芝 第一章緒論 第一章緒論 1 1 移動通信的發(fā)展概況 隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的不斷進步，移動通信業(yè)務(wù)以前所未有的速度向前發(fā)展。 移動通信從上世紀二十年代起步，至今大致經(jīng)歷了五個發(fā)展階段。第一階副1 】 從上世紀二十年代中期至四十年代，當時美國底特律警察局首先使用了車載無線 電系統(tǒng)，工作頻率為2 b l t t z ，到四十年代提高到3 p _ 4 0 刪z ，電臺既龐大、笨重 且有很大功耗，并使用尺寸較大的天線。此階段特點為專用系統(tǒng)開發(fā)，工作頻率 較低。 第二階段是從四十年代中期至六十年代初期。公用移動通信業(yè)務(wù)開始問世。 此階段特點是從專用網(wǎng)向公用網(wǎng)過渡，接入方式為人工，網(wǎng)的容量較小。 第三階段從六十年代中期至七十年代中期。是現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)改進與完善 的階段，美國和德國相繼推出了改進型的現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)，使用1 5 0 m h z 和4 5 0 姍z 頻段。本階段特點是采用大區(qū)制，中小容量，實現(xiàn)了自動選頻和自動接入。 第四階段是現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)進入蓬勃發(fā)展的階段。七十年代，美國貝爾實 驗室提出了蜂窩網(wǎng)，即小區(qū)制的概念。由于實現(xiàn)了頻率再用，系統(tǒng)容量大大提高。 此期間有貝爾實驗室于1 9 7 8 年底研制成功的移動電話系統(tǒng)( a m p s ) 、日本的8 0 0 m h z 汽車電話系統(tǒng)、西德的c 網(wǎng)( 頻段為4 5 0 m h z ) 、英國的全地址通信系統(tǒng)( 9 0 0 姍z ) 、 加拿大的4 5 0 m i l z 移動電話系統(tǒng)、以及瑞典等北歐國家的4 5 0 m h z 移動通信網(wǎng)投入 使用。 第五個階段是從八十年代中期開始，進入了數(shù)字移動通信系統(tǒng)發(fā)展和成熟時 期1 2 j 。第一代移動通信網(wǎng)是模擬系統(tǒng)，由于用戶需求急速發(fā)展，其容量已經(jīng)不夠， 因此八十年代歐洲首先推出了數(shù)字移動通信網(wǎng)g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e ) ， 隨后美國和日本也制訂了各自的數(shù)字移動通信體制。 如今，蜂窩狀移動通信系統(tǒng)是世界上最迅猛的工業(yè)，用戶數(shù)量激增。目前， g s m 系統(tǒng)已經(jīng)在除美國、日本和韓國等幾個國家外的世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。其 它數(shù)字式蜂窩移動通信網(wǎng)也在許多國家和地區(qū)使用，如d c s l 8 0 0 ( d i g i t 0 1 c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 數(shù)字通信網(wǎng)等。 我國從八十年代初開始建成模擬蜂窩移動通信系統(tǒng)，九十年代以來，第二代 數(shù)字式移動通信系統(tǒng)出現(xiàn)，我國嘉興地區(qū)在1 9 9 2 年引入第二代數(shù)字式移動通信g s m 系統(tǒng)，目前6 s m 系統(tǒng)已經(jīng)覆蓋了全國大部分城市和農(nóng)村地區(qū)。上海、深圳等地開 通了d c s l 8 0 0 數(shù)字式移動通信貸資金網(wǎng)，實現(xiàn)g s m 9 0 0 網(wǎng)和d c s l 8 0 0 網(wǎng)之間的自由 移動通信終端天線的研究 切換，擴展了g s m 系統(tǒng)的信道資源。北京地區(qū)開通了c d l a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 實驗網(wǎng)。移動通信在中國有著巨大的市場。 1 2 移動通信系統(tǒng)的天線系統(tǒng) 由于移動通信具有廣闊的前途，移動通信用戶要求的不斷提高，這對移動通 信設(shè)備的設(shè)計來說就需要考慮更多的因素。研制小型乃至電小天線，以適應(yīng)于現(xiàn) 代技術(shù)，使天線能在很小的手持基面上工作，而且還要使天線滿足電性能指標， 特別是帶寬和效率指標1 3 j ，這也就對天線設(shè)計提出了更高的要求。 移動天線的設(shè)計不再局限于在一個輪廓分明的平坦的基面上實現(xiàn)小型化、輕 重量、薄剖面或平嵌安裝的全向天線，而是建立一個復(fù)雜的電磁結(jié)構(gòu)，使其在信 號處理中發(fā)揮重要作用，并通常在不確定的時間變化環(huán)境中工作。在小型化便攜 設(shè)備中，天線和發(fā)射機接收機的射頻( r f ) 前置電路通常一體化為一個系統(tǒng)， 作為輻射器。也就是說是做為天線系統(tǒng)這樣一個整體來研究的，而不是對單個天 線進行研究。 移動天線系統(tǒng)的要求【4 】主要有： 1 天線應(yīng)作為一個系統(tǒng)，而不是孤立的接收發(fā)射終端； 2 天線要適應(yīng)環(huán)境條件，方向圖與區(qū)域要求相致，并且允許在天線附近有 障礙物存在； 3 天線要與車輛或平臺綜合考慮，設(shè)計天線時要考慮人手和身體的影響，以 及可能存在的干擾； 4 要研究新的制作技術(shù)，要開發(fā)新材料和集成電子新技術(shù)； 5 具有使用戶使用方便和可靠的性能，要有最少的可動部件和開關(guān)部件，要 有高可靠度的機械性能等。 1 3 移動天線系統(tǒng)的設(shè)計 在移動通信系統(tǒng)天線設(shè)計時，一般要求移動終端尺寸小、重量輕、低剖面， 具有全向輻射方向圖，此外，天線還必須要牢固可靠，經(jīng)得起運動時機械撞擊和 環(huán)境的影響。 眾所周知，天線尺寸越小，天線效率越低，帶寬越窄。并且個人終端便攜設(shè) 備的設(shè)計概念是必須把設(shè)備殼體作為輻射器的一部分進行處理。這樣天線的輻射 特性大大不同于在自由空間只有天線本身時的輻射特性。輻射方向圖隨著便攜設(shè) 備的尺寸、形狀和天線本身在便攜設(shè)備中的位置不同而變化。 下表是實際移動通信系統(tǒng)用的典型天線： 第一章緒論 移動站 系統(tǒng) 天線類型要求 尋呼機有限空間內(nèi)安裝天線本體，內(nèi) 小型方環(huán)天線 1 5 0 刪z 裝型，重量輕。通過合成天線 多環(huán)天線 2 8 馴z 系統(tǒng)產(chǎn)生的磁場和電場分董 鐵氧體線圈天線 4 5 0 l l z 實現(xiàn)全方向性靈敏度。利用鏡 平行板天線( 磁流環(huán)) 9 0 0 姍z 像環(huán)提高靈敏度，降低成本。 2 1 4 單極天線 移動電話、車載：2 1 2 套筒振子水平面全向性方向圖 8 0 0 m l i z印刷振子 垂直面低仰角空間分集 兩單極天線：水平、垂直 2 1 4 單極天線 有限空間內(nèi)安裝天線本體 蜂窩電話2 1 4 鞭狀天線 9 0 0 獅 z1 8 0 0 m t l z 螺旋天線 天線系統(tǒng)包含人體或便攜設(shè) 備，空間分集 p i f a 短振子 無繩電話 小型環(huán)天線內(nèi)裝形式安裝在電話機殼上 2 8 0 4 0 0 m h z 2 4 單極天線 分析和設(shè)計移動天線和其他類型天線常用的方法是： 1 矩量法：適用于單極天線或便攜設(shè)備使用的f 型天線以及v i i f 頻段的汽車 單極天線； 2 幾何繞射理論( g t d ) ：適用u h f 頻段的汽車單極天線； 3 混合方法： 4 f d t d 法：適用于便攜設(shè)備使用的倒f 型天線以及螺旋天線等其它簡單天線： 5 空間網(wǎng)絡(luò)法：適用于無限大基面上的倒f 型天線的阻抗特性計算。 1 4 本文的結(jié)構(gòu)與安排 第一章：緒論 本章闡述了移動通信的發(fā)展概況。介紹了移動通信系統(tǒng)的天線系統(tǒng)，移動天 線系統(tǒng)的設(shè)計及本文大綱。 第二章：移動通信終端天線的基本理論 本章簡單介紹了移動通信終端天線的兩種基本形式微帶天線及螺旋天線 4 移動通信終端天線的研究 的基本理論。微帶天線的理論包括：微帶天線的輻射機理、分析模型以及理論分析 方法，對天線的基本電參數(shù)也做了簡要介紹。螺旋天線的理論包括：四分之一波 長鞭狀天線及螺旋天線。 第三章：a n s o f th f s s 軟件介紹 本章首先對a n s o f th f s s 進行了簡單介紹，然后對a n s o f th f s s9 2 軟件特點、 a n s o f th f s s 應(yīng)用方向及a n s o t th f s s 使用方法做了簡要介紹。 第四章：手機內(nèi)置天線的設(shè)計與仿真 本章通過用a n s o f th f s s 軟件仿真設(shè)計了幾種手機的內(nèi)置天線，包括用單極形 式設(shè)計的單頻( g p s ) 天線、p i f a 形式設(shè)計的雙頻( g s m p c s ) 天線和雙頻 ( g s m d c s ) 天線，最后設(shè)計了2 4 g 的w l a n 天線。 第五章：對講機天線的設(shè)計仿真和實現(xiàn) 本章通過用a n s o f lh f s s 軟件仿真設(shè)計并實現(xiàn)了4 2 0 m i - i z - - m 6 0 m h z 的對講機 天線，得到了令人滿意的仿真及測試結(jié)果。 第六章：結(jié)束語 總結(jié)全文，對移動通信天線技術(shù)進行了展望，提出了今后有待解決的一些問 題。 第二章移動通信終端天線的基本理論 第二章移動通信終端天線的基本理論 2 1 微帶天線的基本理論 2 1 1 微帶天線的輻射機理 微帶天線的輻射是通過金屬貼片和接地平面之間的場分布來確定的，換句話 說，輻射可以由金屬貼片上的表面電流分布來描述。由于貼片的場分布或電流分 布的精確計算非常復(fù)雜，因此一般采用簡單的近似理論來建立一個微帶天線的工 作模型。下面簡單介紹一種分析方法【5 l 【6 】： 假設(shè)微帶天線貼片已接通微波信號，貼片的信號將在上、下表面以及地平面 上建立一個電荷分布。由于貼片振蕩在主模時大約為半波長，從而引起一圪和+ k 特 性的電荷分布，這樣貼片下表面電荷之間的排斥力將一些電荷從下表面沿其邊緣 推到其上表面。這種電荷運動在貼片的下表面和上表面產(chǎn)生了相應(yīng)的電流密度7 ： 和7 ：，如圖2 1 所示： f、 一一 j b +一一一一一一一一 圖2 1 微帶天線上的電荷分布和電流分布 對于多數(shù)微帶天線而言，h w 比值很小，因此電荷間的引力占主導(dǎo)地位。而 且多數(shù)電荷和電流仍然在貼片的下層，只有少量的電流圍繞貼片邊緣流到上表面， 產(chǎn)生個與邊緣正切的弱磁場。因此，我們可以作一個簡單的近似：即正切磁場 為0 ，讓磁壁圍繞貼片的四周。這種假設(shè)對于高，的薄介質(zhì)基片來說是成立的。由 于使用的基片厚度與介質(zhì)中的波長相比很薄( h a ) ，因此沿厚度的場可以認為是 丁h 呻 6 移動通信終端天線的研究 恒定的，電場幾乎與貼片表面垂直。這樣貼片可以近似為如下模型：項部和底部 有電場壁，沿4 個 圖2 2 微帶腔中1 l i - o 模式的電場分布 矩形貼片邊緣有磁場壁的一個空腔。在這種空腔中，只可能存在t m 模式，圖2 2 所示為空腔t m l 。模式的電場分布。腔體的4 個側(cè)壁代表4 個窄孔徑或裂縫，通過 它們產(chǎn)生輻射。根據(jù)惠更斯( h u y g e n s ) 場等效原理，微帶貼片用上表面的等效電流 密度z 來表示，4 個裂縫用等效電流密度z 和磁流密度見表示，其對應(yīng)電磁場分 別為鼠和卮，等效電流如圖2 3 ( a ) 所示。用式子表示為： 以= 元玩 ( 2 1 ) m = 一亓e ( 2 2 ) 對于薄基片，頂部貼片電流z 遠遠小于底部貼片電流五，因此貼片電流 z 的輻射可以忽略不計。類似地，沿貼片邊緣的正切磁場和相應(yīng)的電流密度7 。也 可忽略不計，如圖2 3 ( b ) 所示。根據(jù)鏡像理論可知，地平面的存在將使式( 2 2 ) 的等效電流密度加倍。因此，貼片的輻射可以看作是沿外圍的4 條磁電流在自由 空間輻射而產(chǎn)生的，如圖2 3 ( c ) 所示。對于長度為w 、高度為h 的裂縫( 見圖2 2 ) ， 主模式時的裂縫電場e 定義為： e = 毛 ( 2 3 ) 第二章移動通信終端天線的基本理論 ( a ) 有地平面時的工和 t ( b ) 有地平面時的丘= o 和m s ( c ) 無地平面時的工和m ， 圖2 3 矩形微帶天線上的等效電流密度 類似地，對于長度為l 、高度為h 的另外兩個裂縫電場e 定義為： 瓦= 一z 瓦s i n ( ，r x l ) y ( 2 4 ) 移動通信終端天線的研究 z m s ( a ) 輻射裂縫上的電流分布 t s h ( b ) 非輻射裂縫上的電流分布 圖2 4 輻射裂縫上刪一。模式時具有磁電流密度分布的矩形微帶貼片 裂縫的等效磁流密度如圖2 4 所示。利用等效原理，每個裂縫的輻射場與電 流密度為m 的磁偶極子相同。由于裂縫上的電流大小相等、方向相反，因此沿x 軸 分布的裂縫產(chǎn)生的輻射幾乎為0 。但沿y 軸的裂縫卻構(gòu)成了一個兩單元的陣列， 其電流密度的幅度相等且相位相同，相隔距離為貼片長度l 。因此，貼片輻射等效 為兩個垂直裂縫的輻射。其它微帶天線結(jié)構(gòu)也可以用類似的方法通過等效裂縫來 分析。 第二章移動通信終端天線的基本理論 2 1 2 微帶天線的分析方法1 7 1 l s l l g l 2 1 2 1 概述 9 和其它天線一樣，對微帶天線進行工程設(shè)計時，需要對天線的性能參數(shù)( 如 方向圖、方向性系數(shù)、效率、輸入阻抗、極化和頻帶等) 預(yù)先估算，這將大大提 高天線研制的質(zhì)量和效率，降低研制的成本。 微帶天線分析的目的是要預(yù)測天線的輻射特性及近場特性，通過分析與設(shè)計 相結(jié)合，減少高耗費的邊做邊試的循環(huán)次數(shù)，弄清天線的優(yōu)點和局限性，幫助了 解新的設(shè)計方法、現(xiàn)有設(shè)計的改進以及對新的天線結(jié)構(gòu)研發(fā)來說可能有用的工作 原理。天線分析的基本方法是通過w a x w e l l 方程求解天線周圍空間建立的電磁場， 進而得出其方向圖、增益和輸入阻抗等特性指標。 微帶天線分析的基本理論大致可分為以下幾類：( 1 ) 、最早出現(xiàn)也是最簡單的 理論傳輸線模型( t l m - - t r a n s m i s s i o nl i n em o d e l ) 理論，主要用于矩形貼 片；( 2 ) 、更嚴格、更有效的理論空腔模型( c m c a v i t ym o d e l ) 理論，主 要用于各種形狀規(guī)則貼片，但基本上限于天線厚度遠小于波長的情況；( 3 ) 、空腔 模型的擴展理論多端網(wǎng)絡(luò)模型( m n m - - m u l t i p o r tn e t w o r km o d e l ) 理論； ( 4 ) 、最嚴格而且計算最復(fù)雜的理論積分方程法( m m h l t e g r a le q u a t i o n m e t h o d ) ，即全波( f w f u l lw a v e ) 理論，從原理上講積分方程法可用于各種 結(jié)構(gòu)、任意厚度的微帶天線，但在實際應(yīng)用時會受到計算模型的精度限制。從數(shù) 學(xué)角度看，t l m 理論把微帶天線的分析簡化為一維的傳輸線問題，c m 和m n m 理論則擴展到基于二維邊值問題的求解，而f w 理論又進了一步，可以分析第三 維的變化。沒有特別說明，我們所討論的微帶天線的數(shù)值分析方法主要是指全波 分析中的數(shù)值分析方法，主要包括矩量法、有限元法、時域有限差分法等。 2 1 2 2 傳輸線模型理論 傳輸線模型是分析微帶天線的比較早期、也是最簡單的方法。其物理模型如 圖2 5 所示。在該模型中，假設(shè)：( 1 ) 微帶貼片和接地板構(gòu)成一段微帶傳輸線， 傳輸準t e m 波，而波的傳播方向則取決于饋電點，傳輸線的特性阻抗z n 和傳播 常數(shù)盧由貼片的尺寸和介質(zhì)基片參數(shù)決定；傳輸線長度l z 丸2 ( 以為波導(dǎo)波長) ， 場沿x 方向為駐波分布，而沿橫向為常數(shù)。( 2 ) 傳輸線的兩個開口端等效為兩個輻 射縫，長為w ，寬為h ，縫口徑場即為傳輸線開口端場強，縫平面看作位于微 帶貼片麗端的延伸面上，即是將開口面向上折轉(zhuǎn)9 0 0 ，而開口場強也隨之折轉(zhuǎn)。 1 0 移動通信終端天線的研究 圖2 5 簡單傳輸線模型 由上述假設(shè)可以看出，當= 以2 時，兩個縫隙的切向電場均為章方向，振幅 相等，等效為磁流。而接地板的作用則相當于兩倍上半空間的磁流，輻射縫上的 等效磁流密度為： m ：歹孚 ( 2 5 ) ，l v 為傳輸線開口端電壓。 圖2 6 是按傳輸線法建立的微帶天線等效電路。圖( a ) 為微帶線饋電方式， z 為縫輻射導(dǎo)納，k 為微帶片特性導(dǎo)納。圖( b ) 為同軸線饋電方式，探針從接地 板穿孔伸出，探針的感抗為y 。 利用傳輸線理論可求出微帶線的輸入導(dǎo)納。對于圖( a ) 所示微帶端饋電的情 況，等效輸入導(dǎo)納為： y h , = g + j b + 嶄鬻裂籬 c z e ， 式中 b = t a i l i 。，z k 乒， ( 2 7 ) g：盈v2：恥120n-v： 乞為傳輸線的等效介電常數(shù)，為傳輸線特性導(dǎo)納。 ( 2 8 ) 第二章移動通信終端天線的基本理論 諧振時， 沁y 。e l ( a ) 微帶線饋電方式 i l e卜妊 | y 1 卜 y s ( b ) 同軸線饋電方式 圖2 6 微帶天線等效電路 圪= 2 g 。 ( 2 9 ) 因此式( 2 6 ) 中的電納為零，得： 伽瓜，2 南 ( 2 1 0 ) 由此可求出k 或諧振頻率，同軸饋電的情況在這里不再詳細敘述。 眾所周知，只有填充均勻媒質(zhì)的傳輸線才能傳輸單一的純橫向場t e m 模。由 于空氣介質(zhì)分界面的存在，微帶線的場空間由兩個不同介電常數(shù)的區(qū)域構(gòu)成， 微帶中的傳輸模是具有電場和磁場所有三個分量( 包括縱向分量) 的混合模，因 此不能傳輸單一的橫電磁波t e m 模。不過，在頻率不太高的情況下( 如1 2 g h z 以下) ，當滿足基片厚度遠小于工作波長時，能量大部分都集中在導(dǎo)體帶下面的介 質(zhì)基片內(nèi)，且此區(qū)域的縱向場分量很弱，因此沿微帶傳輸?shù)闹髂Ｅct e m 模分布非 常接近，此時傳播的是準t e m 模，相應(yīng)的模型就是傳輸線模型。傳輸線分析方法 1 2 移動通信終端天線的研究 簡明、直觀性強，計算量也小，但難于應(yīng)用在矩形微帶天線及微帶振子以外的情 況。 2 1 2 3 空腔模型理論 腔模理論是1 9 7 9 由羅遠祉( y t l o ) 等提出的經(jīng)典分析理論。該理論基于薄微 帶天線( 矗 ) 的假設(shè)，在貼片的內(nèi)層區(qū)將微帶貼片與接地板之間的空間看成是四 周為磁壁、上下為電壁的諧振空腔( 確切地說是漏波空腔) 。分析空腔四周的等效 磁流得到天線輻射場，而天線輸入阻抗可根據(jù)空腔內(nèi)場和饋源邊界條件來求得。 圖2 7 畫出了微帶貼片天線的磁場壁模型的示意圖。 磁壁邊界 介質(zhì)基板 輻射貼片 地板 圖2 7 微帶貼片天線的磁場壁模型 腔模理論是對傳輸線法的發(fā)展，己成功地應(yīng)用于精確計算厚度不超過介質(zhì)中 波長的百分之幾的微帶天線的特性，而且這一模型使得對微帶天線的工作特性有 更深入的物理解釋，出現(xiàn)了許多新的設(shè)計與應(yīng)用。腔模理論不但可以用于矩形貼 片，也適用于圓形、等邊三角形、圓環(huán)以及圓扇環(huán)形等形狀的貼片。由于考慮了 高次模，計算得到的阻抗曲線較準確，且計算量不算大，比較適合工程設(shè)計的需 要。但是，基本的腔模理論也要經(jīng)過修正，才能得到準確的結(jié)果。特別值得注意 的是邊界導(dǎo)納的引入，把腔內(nèi)外的電磁問題分成獨立的兩個問題，理論上是嚴格 的，但邊界導(dǎo)納較難確定，因此計算只能是近似的。在腔模理論中，認為腔內(nèi)場 是二維函數(shù)，這在薄基片時是合理的，但對于厚基片將引入誤差。 第二章移動通信終端天線的基本理論 圖2 8 矩形貼片天線的多端口無互耦網(wǎng)絡(luò)模型 2 1 2 4 多端口網(wǎng)絡(luò)模型理論 多端口網(wǎng)絡(luò)模型是空腔模型的延伸。該模型包含四周的阻抗邊界條件，還利 用平面電路方法和貼片的邊緣導(dǎo)納分析各種邊緣之間的互耦。在多端口網(wǎng)絡(luò)模型 中，內(nèi)層區(qū)和外層區(qū)的場分別建模：內(nèi)層區(qū)域等效為一個多端口平面電路，端口 位置全部沿四周；外層區(qū)域的場包括散射場、輻射場和表面波場，用負載導(dǎo)納表 不。 在多端口網(wǎng)絡(luò)模型中，所有的邊緣，不管是輻射的還是非輻射的，都可表示 成負載導(dǎo)納。一個給定邊緣的負載導(dǎo)納被均分到多個端口，然后這些負載再與平 面電路上相應(yīng)的端口相接，因此對于一個給定的邊緣，多端口網(wǎng)絡(luò)和負載網(wǎng)絡(luò)的 端口數(shù)量相等。矩形貼片天線( 由探頭電流饋電) 的多端口網(wǎng)絡(luò)模型如圖2 8 所 示。 多端口網(wǎng)絡(luò)模型己廣泛用于分析各種微帶天線，包括矩形貼片、圓極化截斷 方形貼片、具有對角線裂縫的方形貼片、五角形貼片、寬帶間隙耦合式多諧振器 矩形貼片等。近年來，多端口網(wǎng)絡(luò)模型又用來對臨近耦合式矩形微帶天線建模。 多端口網(wǎng)絡(luò)模型的一個最重要優(yōu)點就是在分析中包括貼片的任何不連續(xù)性。 2 1 2 5 全波分析理論 1 4 移動通信終端天線的研究 全波分析方法又稱積分方程法，它不但可用于分析規(guī)則形狀的薄微帶天線， 而且更適用于分析各種厚基片微帶天線及微帶天線元間的互耦等問題。它通常先 求出在特定的邊界條件下單位點源所產(chǎn)生的場即源函數(shù)或格林函數(shù)，然后根據(jù)疊 加原理，把它乘以源分布后，在源所在的區(qū)域進行積分而得出總場。因為源通常 未知，因而要先利用邊界條件得出源分布后的積分方程，在解出源分布后再由積 分算式來求出場。 積分方程法是以開放空間中的格林函數(shù)為基礎(chǔ)的，其基本方程是嚴格的。但 是，由于嚴格的格林函數(shù)要在譜域中展開，求解積分方程有較大的難度和計算量。 因此根據(jù)具體問題，在積分方程法中采用了一種簡化的處理方法：不是通過求解 積分方程來得出場源( 或等效場源) 分布，而是基于先驗性知識來假定場源分布， 例如利用空腔模型或傳輸線模型或者多端口網(wǎng)絡(luò)模型的已有結(jié)果來給出等效磁流 分布或貼片電流分布，然后把格林函數(shù)與源分布相乘，在源所在區(qū)域積分而得出 總場。這種方法的優(yōu)點是省卻了積分方程的求解，而又能獲得較嚴格的包括微帶 基片效應(yīng)的結(jié)果，只是其應(yīng)用受到場源分布先驗假設(shè)條件的限制。 相對于經(jīng)典的傳輸線模型、空腔模型以及多端口網(wǎng)絡(luò)模型理論而言，全波分 析理論有以下幾個特性：( 1 ) 、準確性：全波技術(shù)給阻抗和輻射特性提供最精確的 解決辦法和最準確的結(jié)果；( 2 ) 、完整性：全波技術(shù)對大多數(shù)效應(yīng)的分析是完整的， 包括介質(zhì)、導(dǎo)體損耗、空間波輻射、表面波效應(yīng)及單元間的互耦現(xiàn)象等；( 3 ) 、通 用性：全波技術(shù)可用于分析任意形狀的微帶天線單元和陣列，各種類型的饋電技 術(shù)、多層幾何圖形、各向異性的基板及有源天線；( 4 ) 、計算復(fù)雜性：全波方法需 要進行大量仔細的計算。 為滿足日益發(fā)展的不同應(yīng)用的需求( 如寬頻帶、圓極化、高增益等) ，出現(xiàn)了 各種各樣的微帶天線結(jié)構(gòu)，如電磁耦合微帶天線、多層結(jié)構(gòu)等。對于這些負載的 邊界情況，往往只能借助于全波分析方法進行數(shù)值分析。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展， 全波分析方法得到了廣泛的應(yīng)用，而且隨著計算條件的不斷改善，新的方法也不 斷涌現(xiàn)，以下將介紹三種最普及的全波數(shù)值分析方法：矩量法、有限元法和時域 有限差分法。 2 1 2 5 1 矩量法 矩量法是目前微帶天線分析中應(yīng)用最為廣泛的方法。矩量法所處理的問題可 概括為解線性非齊次方程，可統(tǒng)一表示為： l f = g ( 2 1 1 ) 第二章移動通信終端天線的基本理論 其中：l 為線性算子，g 為己知函數(shù)，f 為待求解函數(shù)。 矩量法對式( 2 1 1 ) 的求解過程如下： 在f 的定義域內(nèi)將f 展開為一組線性無關(guān)的已知函數(shù)l ( x ) 的組合： f - _ 工( x ) ( 2 1 2 ) 其中稱為展開系數(shù)，工( 力稱為基函數(shù)或展開函數(shù)。將( 2 1 2 ) 代入( 2 1 1 ) 得 離散形式的算子方程： 玩( 工) = g ( 2 1 3 ) 在l 的值域內(nèi)取權(quán)函數(shù)集合刃坍( 工) ，對適當定義的內(nèi)積 ，用每一個竊_ ( x ) 對 式( 2 1 3 ) 兩邊取內(nèi)積，表示成矩陣形式如下： 【f 刪 【】_ k 】 ( 2 1 4 ) 其中0 = ( ，玩) ，g m = ( ，g ) 解矩陣方程式( 2 1 4 ) 可得n 。，代入到式( 2 1 2 ) 即可得原問題的近似解。解的 精度取決于基函數(shù)和權(quán)函數(shù)的選取及展開式的項數(shù)。當識( x ) = l ( x ) 時，該方法通 常稱為g a l e r k i n 方法。 在一個特定的問題中，矩量法的關(guān)鍵是基函數(shù)和權(quán)函數(shù)的選取。基函數(shù)和權(quán) 函數(shù)的選取必須是線性無關(guān)的，并使其線性組合能得到很好逼近的求解函數(shù)。選 擇基函數(shù)時，應(yīng)盡量應(yīng)用有關(guān)未知函數(shù)的先驗知識，使所選擇的基函數(shù)盡可能接 近未知量的真解，并且滿足邊界條件，這樣方程的收斂較快，廣義阻抗矩陣也易 于出現(xiàn)良態(tài)情況。 使用矩量法作為內(nèi)核的商用電磁仿真軟件主要有z e l a n d 公司的i e 3 d ，安捷 倫( a g i l e n t ) 公司的a d sm o m e n t u m 。 2 1 2 5 2 有限元法 有限元法是建立在變分法基礎(chǔ)上的。它把整個求解區(qū)域劃分為若干個單元， 在每個單元內(nèi)規(guī)定一個基函數(shù)。這些基函數(shù)在各自的單元內(nèi)解析，在其他區(qū)域內(nèi) 為零，這樣就可以用分片解析函數(shù)代替全域解析函數(shù)。對于二維問題，單元的劃 分可以取為三角形、矩形等，其中三角形單元適應(yīng)性最廣；對于三維問題，單元 可取作四面體、六面體。每個單元的形狀都可視具體問題靈活規(guī)定。 1 6 移動通信終端天線的研究 通過規(guī)定每個單元中合適的基函數(shù)，就可以在每個頂點得到一個基函數(shù)。分 片解析函數(shù)通過這些單元間的公共頂點連接起來，拼成一個整體，代替全域解析 函數(shù)，通過相應(yīng)的代數(shù)等價化為代數(shù)方程來求解。 由于基函數(shù)的定義域限于本單元，在其余區(qū)域為零，因此在所建立的矩陣方 程中，矩陣元素大多為零，即是稀疏矩陣。采用稀疏矩陣程序計算該矩陣，可以 節(jié)省9 0 的計算機內(nèi)存，而在用矩量法求解時，矩陣是滿秩矩陣。有限元法最突 出的優(yōu)點是其不受所討論物理模型形狀的限制，而主要不足之處是只能得到標量 解。 使用有限元法作為內(nèi)核的商用電磁仿真軟件主要有a n s o f t 公司的h f s s 。 2 1 2 5 3 時域有限差分法 時域有限差分法簡稱為f d t d 方法( f i n i t e d i f f e r e n c et i m e d o m a i n m e t h o d ) ，是y e e 在1 9 6 6 年第一個提出來的。它是一種時域( 寬帶) 、全波、一 體化的分析方法，在微帶天線的分析和設(shè)計領(lǐng)域正嶄露頭角。其基本思想是先將 m a x w e l l 方程在直角坐標系中展成為六個標量場的分量方程，然后將問題空間沿三 個軸向分成很多網(wǎng)格單元，每個單元長度作為空間變元，相應(yīng)得出時間變元，用 有限差分式表示關(guān)于場分量對時間和空間變量的微分，即可得到f d t d 基本方程。 選取合適的場初值和計算空間的邊界條件，可以得到包括時間變量的m a x w e l l 方 程四維數(shù)值解，通過傅立葉變換可得到三維空間的譜域解。 時域有限差分法與矩量法相比，更廣泛適用于各種微帶結(jié)構(gòu)，以及分層、不 均勻、有耗、色散等媒質(zhì)的問題，而且時域有限差分法易于得到計算空間場的暫 態(tài)分布情況，有助于深刻理解天線的瞬態(tài)輻射特性及其物理過程，利于改進天線 的性能。此外，時域有限差分法選用適當?shù)募钤矗ㄟ^一次時域計算便可獲得 天線的寬頻帶輻射特性，避免了傳統(tǒng)頻域方法繁瑣的逐點計算。 2 1 3 微帶天線的基本電參數(shù)8 l 【9 】【1 0 】 2 1 3 1 概述 天線是無線電設(shè)備的重要組成部分，天線性能的好壞直接影響無線電設(shè)備的 性能。人們用天線的電參數(shù)，衡量天線性能的好壞。對于無源天線，它是一種互 易結(jié)構(gòu)。按互易定理，不論作為發(fā)射天線還是接收天線，天線的電參數(shù)是相同的， 只是含義有所不同。 天線的電參數(shù)大致分為兩種類型：電路特性參數(shù)和輻射特性參數(shù)。電路特性 參數(shù)主要包括輸入阻抗、效率、帶寬、匹配程度等，輻射特性參數(shù)主要包括方向 第二章移動通信終端天線的基本理論 圖、增益、極化等。以下僅從發(fā)射天線出發(fā)討論天線的基本電參數(shù)。由于對微帶 天線電路特性參數(shù)和輻射特性參數(shù)的測量都是建立在對天線輸入端口s 參數(shù)的測 量基礎(chǔ)上的，因此有必要在本節(jié)中將s 參數(shù)及二端口網(wǎng)絡(luò)作為獨立的部分進行簡 要介紹。 2 1 3 2 微帶天線的輻射參數(shù) r l l 8 】【1 0 l 1 1 1 2 1 3 2 1 方向圖與方向性系數(shù) 天線輻射的電磁波能量在空間的分布是不均勻的，天線的輻射方向性圖( 簡 稱方向圖) 是用來表示天線的輻射參量隨空間方位變化的圖形。這里的輻射參量 可以是輻射的功率通量密度、場強、相位或者極化。若不特別說明，輻射方向圖 是指功率通量密度的空間分布或場強振幅的空間分布，即功率方向圖或場強方向 圖。 在三維坐標中，方向圖描繪的一個三維曲面稱為立體方向圖或者空間方向圖。 立體方向圖形象、直觀，但畫起來復(fù)雜，實際中常采用平面方向圖( 用e 面和h 面 方向圖) 來描述天線的空間輻射特性。 方向性系數(shù)，也叫方向性增益，是說明天線將能量集中輻射的程度的，它定 義為在輻射總功率相等的情況下，天線在某個方向( 矽，) 輻射的功率密度s ( o ，) 與 完全無方向性的天線( 理想點源) 輻射的功率密度黑之比。天線的方向性系數(shù)表 征了該天線在其最大輻射方向上比起無方向性天線來說輻射功率放大的倍數(shù)，也 可以理解為，在同一點產(chǎn)生相同的輻射場時，無方向性天線所需要的輻射功率與 方向性天線所需要的輻射功率之比。 一般來說，天線的方向性系數(shù)d ( o ，) 是方向的函數(shù)，不同方向的數(shù)值不同。 但人們主要關(guān)心的是最大輻射方向的方向性系數(shù)，在沒有特別說明的情況下，所 說的方向性系數(shù)都是指最大輻射方向的方向性系數(shù)。 2 1 3 2 2 極化 極化是天線的一項重要指標，天線在某方向的極化是該方向輻射電磁波的極 化( 對發(fā)射天線) ，或者為天線在該方向接收獲得最大接收功率( 極化匹配) 時入 射平面波的極化( 對接收天線) 。天線的極化與所討論的空間方向有關(guān)，通常所說 的天線極化是指最大輻射方向或者最大接收方向的極化。 在空間某點電磁波的電場定義為該電磁波在這一點的極化。電場的指向就是 該電磁波的極化方向。電場矢量的指向不隨時間變化的電磁波稱為線極化波。電 場矢量隨時間變化的矢量軌跡為一個圓或者橢圓的電磁波稱為圓極化波或橢圓極 移動通信終端天線的研究 化波。圓極化波和橢圓極化波還有旋向的不同，若大拇指代表傳播方向，電場旋 向滿足右手關(guān)系，稱為右旋極化波，滿足左手關(guān)系則成為左旋極化波。 2 1 3 2 3 增益 增益是天線的又一個重要參數(shù)，它與方向性系數(shù)有密切的關(guān)系，其定義為： 在輸入功率相等的條件下，天線在( 秒，妒) 方向的功率密度s ( 只妒) 與無方向性、無損 耗天線的功率密度墨之比。天線的增益還可以理解為：在天線的最大輻射方向某 一點，該天線的電場強度與理想點源天線在同一處產(chǎn)生的電場強度相同的情況下， 理想點源天線的輸入功率與該天線的輸入功率之比。 通常所說的天線增益是指天線的線性增益，通過簡單的公式推導(dǎo)可以得到增 益的表達式： g = d - r ( 2 1 5 ) 其中，7 為天線效率。也就是說，天線的增益等于天線的方向性系數(shù)與天線效率 的乘積。方向性系數(shù)表征天線輻射電磁能量的集束程度，效率表征天線能量的轉(zhuǎn) 換效能，而天線的增益就可理解為標稱天線輻射能量集束程度和能量轉(zhuǎn)換效率的 總效益。 2 1 3 3 微帶天線的電路參數(shù)陰嘲 2 1 3 3 1 輸入阻抗 在天線輸入端呈現(xiàn)的阻抗稱為天線的輸入阻抗，其數(shù)值上等于天線輸入端的 電壓l 廠卅與電流。之比。天線輸入阻抗除了取決于天線自身的結(jié)構(gòu)外，還與工作頻 率和周圍環(huán)境有關(guān)。除少數(shù)天線可以獲得輸入阻抗的嚴格理論解外，大多數(shù)天線 只能采用近似求解或者實驗測定。 由傳輸線理論可知，微波能量要想最大程度地得到傳輸，天線與傳輸線之間 必須有良好的阻抗匹配，阻抗匹配的好壞將影響功率傳輸?shù)男省⒄麄€系統(tǒng)的性 能指標及穩(wěn)定性程度等。對絕大多數(shù)微帶天線而言，由于其固有的窄頻特性，輸 入阻抗隨頻率的變化最敏感，因此阻抗匹配是天線設(shè)計中一個需特別注意的問題。 2 1 3 3 2 效率 效率有輻射效率與天線效率之分。由于入射波反射的存在，天線不可能把入 射功率全部提供到天線的輸入端口作為天線的輸入功率。同時，天線也不可能把 從饋線輸入給它的輸入功率全部輻射出去，總有部分要損耗掉，如天線導(dǎo)線中 第二章移動通信終端天線的基本理論 的熱損耗、介質(zhì)中的介質(zhì)損耗、地電流的損耗以及天線近旁物體吸收電磁波引起 的損耗等等。 為了便于對概念的理解，先將天線有關(guān)的基本功率定義如下： 入射功率p ：指發(fā)射機等提供給天線的功率： 反射功率乓：指天線反射回來的功率； 輸入功率只：指收發(fā)機等提供給天線的功率； 損耗功率只：指由于導(dǎo)線、介質(zhì)或者地電流等存在而損耗的功率； 輻射功率只：指天線把發(fā)射機提供的功率扣除損耗輻射出去的功率； 根據(jù)以上定義，很容易得到： 昂= 嘆一嚷= 足- 1 - 只 ( 2 1 6 ) 定義天線的輻射效率仉為天線的輻射功率最與輸入功率己的比值，即： 拿 ( 2 1 7 ) 毒 臨1 7 定義天線效率璣為天線的輻射功率最與入射功率反比值，即： 璣：拿 ( 2 1 8 ) 1 8 ) 鏟貢 喵 2 1 3 3 3 帶寬 天線的電參量幾乎都與頻率有關(guān)，電參量隨頻率的變化而變化就是天線的頻 率特性。頻率特性可以用帶寬表示，滿足天線電參數(shù)一定要求的頻率范圍稱為天 線帶寬。對微帶貼片天線而言，其輻射方向圖類似于偶極子的輻射方向圖。因此， 其輻射方向圖帶寬、波瓣寬度、副瓣電平和增益不隨頻率發(fā)生明顯的變化。而微 帶貼片天線的輸入阻抗卻隨頻率的變化很快，限制了天線單元與其饋線相匹配的 頻率范圍，所以一般用阻抗帶寬來定義微帶天線的帶寬。在許多場合，經(jīng)常用天 線的電壓駐波比( v s w r ) 表示天線的帶寬，即： b w ：旦堅墜( 2 1 9 ) d 4 v s w r 其中：q 為貼片天線總的品質(zhì)因素。對于微帶傳輸線有： t a l l 妨：三：! + 占+ 三+ 上(220)1 2 0 ) 伽勤2 西5q ，+ 西+ 西+ 西 臨 其中：t a n 勤為微帶線的有效損耗角正切；q ，、q 、q 、嫉，分別為輻射損 移動通信終端天線的研究 耗、導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗以及表面波損耗引起的品質(zhì)因素。 諧振器的q 值可以定義為諧振器存貯的能量與損耗的功率之比。微帶貼片天 線的窄頻特性是由其高o 的諧振本性決定的，高的q 值說明儲存在天線諧振器中 的能量比輻射和耗散的能量大得多。 2 1 3 4 微帶天線的s 參量8 1 1 9 自從g u i l l e m i n 和f e l d k e l l