無線移動通信中的天線1課件

無線移動通信天線內(nèi)容引言移動通信對手機天線的要求外置式手機天線內(nèi)置式手機天線未來手機天線發(fā)展趨勢

引言基本特點天線位于人體附近安裝在設(shè)備內(nèi)使用位置不固定便攜式無線通信設(shè)備對天線要求體積小、重量輕、主面的輻射方向圖應(yīng)是準全向的；

帶寬要盡可能寬、人體（手）對天線的影響要盡可能小、人體對天線的電磁能量的比吸收率(SAR)應(yīng)盡可能小；希望能將天線集成到便攜通信設(shè)備的印制電路板或塑料外殼上。移動通信對手機天線的要求GSM頻帶分配表具有可靠的性能，使用方便;克服人體對電波吸收和散射引起接收特性的改變;多信道傳播以輻射指向性造成增益下降；天線要與RF模塊連接，要解決阻抗匹配。手機天線主要技術(shù)指標天線是把電路中儲藏的電能有效轉(zhuǎn)換為電磁波發(fā)射出去或者進行相反過程的無線器件頻段阻抗駐波比增益比吸收率方向性（D）描述了天線在特定方向聚集電磁波的能力在空間一點天線的功率密度與平均輻射功率密度之比分為定向天線(DirectionalAntenna)與全向天線(Omni-directionalAntenna)與各向同性天線比較自由空間傳播損耗增益(G)更加全面描述天線聚集電磁波的能力在空間一點天線的功率密度與平均輸入功率密度之比G=D*增益通常指最大方向的增益在外電磁場的作用下，人體內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電磁場。由于人體各種器官均為有耗介質(zhì)，因此體內(nèi)電磁場將會產(chǎn)生電流，導(dǎo)致吸收和耗散電磁能量。生物劑量學(xué)中常用SAR來表征這一物理過程SAR的意義為單位質(zhì)量的人體組織所吸收或消耗的電磁功率，單位為W/kg國際非電離輻射防護委員會已于1998年發(fā)布了《0-300GHz電磁場安全限值導(dǎo)則》，并已被世界上大多數(shù)國家采納為電磁輻射安全標準國際電信聯(lián)盟于2000年發(fā)布的

ITU-TK.52建議（ITU標準）是基于ICNIRP導(dǎo)則的，并建議各國采用該導(dǎo)則的安全限值世界衛(wèi)生組織（WHO）也支持采用ICNIRP導(dǎo)則規(guī)定的安全限值，并積極著手電磁輻射標準的協(xié)調(diào)工作，希望全球采用統(tǒng)一的標準和測量方法對于移動電話的近場電磁輻射，國際上普遍采用SAR作為量度。輻射限值通常定義為任意6分鐘時間段的平均SAR或功率密度。最基本的電磁輻射限值是，適用于受控環(huán)境的、任意6分鐘全身平均SAR限值為0.4W/kg（IEEE1982、IEEE1992、CENELEC1995、ICNIRP1998）。在非受控環(huán)境下全身平均的SAR應(yīng)小于0.08W/kg外置手機天線各種外置手機天線半波振子理論與實踐證明：無限細的半波振子上的電流分布與無耗開路傳輸線的電流分布相同：遠區(qū)電場E只有分量：場強的大小：其中方向性函數(shù)為：當時：歸一化場強函數(shù)為：歸一化功率函數(shù)為：半波振子的方向性是2.15dBidBi是相當于各向同性天線的分貝數(shù)對稱振子長度L不同時天線的方向圖與方向性系數(shù)四分之一波長單極天線

（鞭狀天線）單極天線是振子臂垂直與地面架設(shè)的天線地為理想導(dǎo)體，地的影響用鏡像來代替輻射場是等效振子在上班空間的輻射場

當單極底饋天線的激勵電壓是等效雙極振子天線的一半時，存在與上半空間的輻射場相同單極天線與等效的雙極天線有如下關(guān)系：方向性函數(shù)和方向圖相同(上半)單極天線的輸入阻抗是雙極天線的一半單極天線的方向性系數(shù)是雙極天線的兩倍，即方向性大3dB實際受限制

實際應(yīng)用中，地面大小是有限的，最大輻射方向有地面稍微上翹

螺旋天線螺旋天線是由金屬導(dǎo)線或金屬管繞制成螺旋形，并正確饋電而成，螺旋天線通常由同軸線饋電，同軸線內(nèi)導(dǎo)體與螺旋線的一端相接，外導(dǎo)體與地板相接。

螺旋天線的參數(shù)：時發(fā)生法向模，天線與波長相比很小，可以認為其幅度和相位均勻，遠場方向圖與遠場無關(guān)，可以通過一圈的研究得出遠場方向圖。四分之一波長鞭狀天線和法向模螺旋天線都可用作手機天線，電磁波沿螺旋線軸線傳播的相速比鞭狀天線慢，諧振長度可以縮短。方向圖和增益類似于半波振子帶寬比半波振子的窄諧振的四分之一波長的螺旋天線在便攜無線電設(shè)備外殼上能激勵起很強的射頻電流，設(shè)備外殼成為輻射系統(tǒng)的組成部分結(jié)論不能集成到印制電路板或設(shè)備外殼上，增加總尺寸(尤其是伸縮式)；易于折斷和彎曲；天線比吸收率（SAR值）高，不易屏蔽，人體對天線的性能影響較大；僅有一種極化特性，在人體附近場性能較差。螺旋天線加工不易達到精確控制和重復(fù)性，需要匹配電路，使成本和損耗都增加；可伸縮的外裝式天線還存在天線可伸縮次數(shù)的物理極限；伸縮天線在處于某一中間位置時，天線在電氣上并未與電話機相連；伸縮天線外裝式天線通常要求一個內(nèi)裝分集天線來解決衰減問題；外裝式天線通過隔離接收與發(fā)射頻段來取消雙工器設(shè)計一個高效率、性能完善的雙頻手機天線不容易外置式線天線的評價移動通信基站發(fā)射天線都是采用垂直極化，當手機垂直放于自由空間中時可從其水平面上得到最高的接收靈敏度，于是可用來評價手機天線的性能。通常外置式手機輻射方向圖也通過同時測量有無人體和大腦影響的效應(yīng)?？紤]到人體效應(yīng)，天線的效率約為10%，也就是說，當手機天線靠近人體使用時的整個效率會大大降低。能量的損耗主要是由于人腦和手對電磁波的吸收，以及天線在人體附近所引起的失配；要精確測量這兩個因素所造成的功率損耗比很困難，通常是采用測量天線在自由空間的回波損耗和在人體旁回波損耗的比值；天線在人體旁失配所引起的功率損耗為總功率損耗的20%；在人體附近有近80%總功率損耗是被人手和大腦所吸收掉。內(nèi)置手機天線Build-inAntennasPIFAILA(InvertedLAntenna)天線結(jié)構(gòu)1.ILA天線水平部分相當于一容性負載方向圖與短振子的幾乎相同輸入電阻很小，輸入電抗很大IFA天線的輸入電阻IFA天線的結(jié)構(gòu)2.IFA天線ILA天線再加一個L形部分調(diào)諧功能天線的帶寬窄，典型2％不滿足移動通信的要求IFA天線的輸入駐波比3.PIFA(PlanarInvertedFAntenna)天線用平板代替直線增加帶寬，可達到10％短路面減小，進一步減小天線的面積，帶寬和增益隨之下降。微帶天線具體見“微帶天線的小型化技術(shù)”內(nèi)置集成微帶天線的特點內(nèi)置微帶天線可集成到印制電路板和外殼上，在手機內(nèi)部，不額外增加設(shè)備尺寸；內(nèi)置微帶天線有機械剛性，不易被損壞；采用屏蔽技術(shù)來屏蔽天線，SAR值非常?。惶炀€受人體的影響相對要?。晃炀€的輸入阻抗容易做到50Ω，不需要匹配電路或非平衡轉(zhuǎn)換器，容易實現(xiàn)批量生，重復(fù)性好；微帶天線通過耦合方式饋電，在隔離接收與發(fā)射頻段方面也相當簡便，可以消除雙工器；若采用E場和H場元件分集技術(shù)，則不必附加獨立的分集天線；設(shè)計參數(shù)通過最優(yōu)化手段實現(xiàn)體積小、成本低，并能增加帶寬，同時提高對垂直和水平極化波的接收靈敏度，實現(xiàn)更好的全向輻射特性；容易設(shè)計出雙頻段的內(nèi)置集成微帶天線。減小人體和天線相互作用影響，內(nèi)置天線是手機天線天線應(yīng)用的最佳選擇結(jié)論減小人體和天線相互作用影響，微帶天線是內(nèi)置天線應(yīng)用的最佳選擇。內(nèi)置集成微帶天線的設(shè)計零位等效面短路可以將傳統(tǒng)的半波長微帶天線尺寸減少50%，采用局部短路可進一步減小已縮短的1／4波長天線的尺寸縮短接地面尺寸可減小天線尺寸，改善天線的全向輻射特性，也可降低天線鄰近人體效應(yīng)。但是減小接地面同時會降低天線的效率，需采用其他電路結(jié)構(gòu)，如雙C型貼片微帶天線

增加厚度或采用平面／非平面層狀無源器件可改善微帶天線帶寬，但會使天線尺寸增大。驅(qū)動單元和天線無源單元的長和寬通常在一個半波長到1／4波長范圍內(nèi)。內(nèi)置集成微帶天線的設(shè)計實例內(nèi)裝的小型寬帶微帶天線結(jié)構(gòu)是將窄小的驅(qū)動單元與幾何形狀不同的平面層狀無源器件相結(jié)合。通過對這種天線的幾何結(jié)構(gòu)的配置和組合進行設(shè)計和最優(yōu)化，可將其裝置手機內(nèi)部這種天線的電介質(zhì)常數(shù)為6，內(nèi)置天線尺寸15×15×1.5(mm)，驅(qū)動單元為帶三角形孔徑的C型貼片，無源單元是帶矩形孔徑的C型貼片天線設(shè)計EDA仿真未來手機天線

發(fā)展趨勢

小型化寬頻帶內(nèi)置式天線需要解決：帶寬效率面積天線形式PIFADRADielectricChipAntennaHalf-VolumedielectricresonatorantennaDualresonantstackedshortedpatchan