無線移動通信中的天線

無線移動通信中的天線第一頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三內(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)展趨勢第二頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三引言第三頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三移動通信終端藍牙設(shè)備(Bluetooth)

－PC

－PDA移動電話無線LAN卡無繩電話RFID卡第四頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三基本特點天線位于人體附近安裝在設(shè)備內(nèi)使用位置不固定第五頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三便攜式無線通信設(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。第六頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三移動通信對手機天線的要求第七頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三第八頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三第九頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三GSM頻帶分配表第十頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三第十一頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三

手機天線設(shè)計需要考慮天線作為一個系統(tǒng)，而不是孤立的發(fā)射/接受終端;要根據(jù)電波傳播條件設(shè)計天線，要有一定程度的極化或方向圖控制能力;天線要適應(yīng)環(huán)境條件，方向圖與區(qū)域要求一致，并且允許天線附近有障礙物存在設(shè)計天線時要考慮人手和身體的影響第十二頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三具有可靠的性能，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。第十三頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三第十四頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三手機天線主要技術(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第十五頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三輻射方向圖（Radiationpattern）描述天線在遠區(qū)輻射場空間分布特性所有的天線都有三維方向圖，測試困難實際中使用兩維方向圖是三維方向圖的切面用E面與H面表示輻射方向圖是互易的第十六頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三第十七頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三方向性（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第十八頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三增益(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第十九頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三SAR手持式收發(fā)信機在使用時，非?？拷说念^部，其產(chǎn)生的電磁輻射對人體健康的影響日益受到重視。目前并沒有令人信服的證據(jù)證明各種收發(fā)信機，尤其是移動電話的電磁輻射會對人體健康造成影響，但是從人體安全的角度出發(fā)，世界各個國家和地區(qū)都基于現(xiàn)有的研究成果紛紛制定電磁輻射指令和標準。第二十頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三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第二十一頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三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第二十二頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三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第二十三頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三手機天線結(jié)構(gòu)與形式外置式：

?波長鞭狀、?波長伸縮式、螺旋內(nèi)藏式：

PIFA,微帶貼片、介質(zhì)、背腔式、鐵氧體式第二十四頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三外置手機天線第二十五頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三各種外置手機天線第二十六頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三各種外置手機天線第二十七頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三第二十八頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三第二十九頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三第三十頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三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：第三十一頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三遠區(qū)電場E只有分量：場強的大小：其中方向性函數(shù)為：第三十二頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三當時：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)第三十三頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三對稱振子長度L不同時天線的方向圖與方向性系數(shù)第三十四頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三四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第三十五頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三

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

第三十六頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三實際應(yīng)用中，地面大小是有限的，最大輻射方向有地面稍微上翹

第三十七頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三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。

第三十八頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三螺旋天線的參數(shù)：第三十九頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三時發(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。第四十頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三四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)的組成部分第四十一頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三結(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；第四十二頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三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第四十三頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三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。第四十四頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三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。第四十五頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三內(nèi)置手機天線第四十六頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三Build-inAntennas第四十七頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三第四十八頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三第四十九頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三第五十頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三PIFAILA(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，輸入電抗很大第五十一頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三IFA天線的輸入電阻第五十二頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三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)諧功能第五十三頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三天線的帶寬窄，典型2％不滿足移動通信的要求IFA天線的輸入駐波比第五十四頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三3.PIFA(PlanarInvertedFAntenna)天線第五十五頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三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。第五十六頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三微帶天線具體見“微帶天線的小型化技術(shù)”第五十七頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三內(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??；微帶天線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；第五十八頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三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)用的最佳選擇第五十九頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三結(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。第六十頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三內(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)。第六十一頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三內(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型貼片第六十二頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期三第六十三頁，共七十三頁