《電磁波與天線仿真與實踐》課件-電波與天線知識點23 天線在移動通信中的應用

譚立容電話858422751號實訓樓B511電子信息學院南京信息職業(yè)技術學院天線在移動通信中的應用移動通信基站天線基站天線的特點和要求移動通信系統(tǒng)中的移動用戶，無論是手持機還是車載臺，它們的天線都受使用條件的限制，只能使用結(jié)構簡單，小型輕便的天線；而基站的位置是固定的，服務對象數(shù)量眾多，為它配置的天線應具有高性能并滿足下述要求:

（1）考慮到地球的曲率和地物的阻擋作用，基站天線必須架設在離地很高處，如建筑物頂上或?qū)Ｓ玫男¤F塔上。為了使用戶在移動狀態(tài)下使用方便，天線應采用垂直極化形式。（2）為了保證基站與業(yè)務區(qū)域內(nèi)的移動用戶之間的通信，在業(yè)務區(qū)域內(nèi)，無線電波的能量必須均勻輻射。根據(jù)系統(tǒng)組網(wǎng)方式的不同，基站天線的方向性分為兩類：一類基站位于小區(qū)中心，其用戶分布于基站四周地面上，此時要求天線在水平面內(nèi)為全方向性；另一類基站位于小區(qū)的頂點或一側(cè)，其用戶分布于一定張角（常用的為120°和60°）的區(qū)域內(nèi)，要求天線在水平面內(nèi)為具有扇形方向圖的弱定向輻射。（3）要求基站天線的增益應盡可能高，由于業(yè)務區(qū)域已經(jīng)確定了，要求天線的方向性在水平面內(nèi)為全向或弱定向。為節(jié)省發(fā)射機功率，不能通過增加水平面的波束寬度來提高天線的增益，只能通過壓縮垂直面方向圖的波束寬度來提高天線增益。例如：使全向天線具有如圖5-28所示的方向圖。其中圖（a）為垂直面方向圖，圖（b）為水平面方向圖。圖5-28全向天線的方向圖(a)垂直面方向圖；(b)水平面方向圖（4）為了保證基站天線能同時同許多移動站進行通信，必須采用多信道。這就要求天線具有寬帶特性和分路及（或）合成信道功能。當發(fā)射和接收共用一副天線時，對900MHz蜂窩系統(tǒng)天線的相對帶寬要求大于7%。如果幾個系統(tǒng)（即模擬陸地移動電話和數(shù)字移動電話）共用一副天線，就需要更寬的天線頻帶寬度。按照無線電規(guī)則的安排，900MHz陸地移動通信的頻帶范圍為810～960MHz。為了用一副天線覆蓋整個頻帶，就需要17%的相對帶寬。當天線既發(fā)射又接收時，就會產(chǎn)生無源交調(diào)，從而增加干擾，因此還應采用無源交調(diào)的抑制技術。基站高增益全向天線

1．并饋共軸型通過分支饋線對天線中每個振子實現(xiàn)等幅同相饋電的全向天線稱為并饋共軸型天線。圖5-29表示出兩種輻射單元輸入阻抗和發(fā)射機輸出阻抗均為50Ω、有四副振子的共軸天線。圖中單純用作能量傳輸?shù)酿伨€長度可以不限，但它們到各個振子的長度應相同，以保證同相饋電。圖中用虛線畫出長度為四分之一波長（或其奇數(shù)倍）的電纜段兼作為阻抗變換器。這是一種方便實用的阻抗匹配方法。當輻射單元的輸入阻抗不是50Ω時，也可以用類似的方法實現(xiàn)并聯(lián)饋電。注意，配用的同軸電纜的特性阻抗應盡量與商業(yè)產(chǎn)品的規(guī)格相一致或接近。圖5-29并饋共軸型天線圖5-30實際水平方向圖和理想水平方向圖和圖5-31配有N路功率分配器的并饋共軸型天線

2．串饋共軸型串饋共軸型陣列天線的關鍵是利用180°移相（或π倒相）器，改變長直載流導線（L>λ）上電流的相位分布，使各線段上的電流分布接近同相，以取得需要的方向特性。圖5-32表示加入π倒相器前后，長直導線上的電流分布情況。圖5-33的串饋陣采用集中參數(shù)的螺旋線圈為移相器。移相線圈相當于一個慢波結(jié)構，使原來帶有反相電流的區(qū)段長度大大縮小，使它們的輻射作用可以被忽略。螺旋移相式串饋陣的直線輻射段的長度可以是λ/2或5λ/8（分別配用展開長度為λ/2和5λ/8的螺旋線圈）。分析和測量結(jié)果表明，在天線總長相同時，輻射段長度為5λ/8的結(jié)構具有較好的輻射特性。由于直線輻射段和螺旋移相線圈都有損耗，離饋電端愈遠處，電流的振幅愈小。因此，在輻射單元數(shù)量相同時，串饋陣與并饋陣相比，前者在垂直面的方向性較弱，增益也較低。圖5-32長直導線上的電流分布

5-33螺旋移相式串饋陣實際中還采用填充介質(zhì)的同軸電纜段作為輻射單元的串饋陣。其結(jié)構原理如圖5-34（a）所示。輻射振子就是同軸線的外導體，將相鄰的同軸電纜段的內(nèi)、外導體交叉連接，就能在它們的外導體外表面上得到等幅同相的電流分布。電纜輻射段的長度應等于1/2導波波長，即l=λg/2。其中，λg為工作波長。若在同軸線內(nèi)部填充介電常數(shù)為εr=2.25的介質(zhì)，則每段同軸線的長度為（5-3-1）式中，λ0為自由空間波長。圖5-34同軸電纜組成的高增益天線圖5-35表示一個12段的交叉倒相串饋共軸天線的芯線及外觀，其工作頻率為910MHz，在±25MHz帶寬內(nèi)，增益大于8dBi，包括玻璃鋼護套及底座在內(nèi)全長1.7m。天線芯線最頂上一段的長度為（λ0/4+λg/4）。在λg/4處，同軸電纜內(nèi)、外導體短路，這是為了保證天線各輻射段上的電流分布接近均勻和同相。這種天線的突出優(yōu)點是增益高、垂直極化、水平面內(nèi)無方向性，且結(jié)構緊湊、性能穩(wěn)定、使用方便，盡管安裝在風力強勁的高處，也能長期可靠工作。圖5-35同軸高增益天線基站高增益定向天線（扇形波束天線）圖5-36角形反射器天線圖5-37120°角反射器表5-5定向天線典型的結(jié)構尺寸角反射器的優(yōu)點是通過控制反射器的張角可調(diào)整其波束寬度。圖5-38示出了一種典型單元角反射器天線的基本結(jié)構。當饋源——初級輻射器是半波振子時，角反射器的口面張角與水平面半功率波束寬度的關系以及口面張角和方向性的關系如圖5-39所示，當口面張角為120°～270°時，扇形波束的半功率角為60°～180°。圖5-38角反射器天線的基本幾何結(jié)構圖5-39角反射器天線的口面張角與半功率波束寬度的關系（f=900MHz,D=0.28λ）雙頻扇形波束天線圖5-41雙頻角反射器天線的結(jié)構圖5-42雙頻角反射器天線的波束寬度特性手機天線的分類

手機天線的分類

傳統(tǒng)的手機天線可以根據(jù)天線所處的位置分為外置天線和內(nèi)置天線兩大類。一、外置天線優(yōu)點：頻帶范圍寬、接收信號比較穩(wěn)定、制造簡單、費用相對低缺點：天線暴露于機體外易于損壞、天線靠近人體時導致性能變壞、不易加諸如反射層和保護層等來減小天線對人體的輻射傷害、同時對于FDD的系統(tǒng)，

接收和發(fā)送必須使用不同的匹配電路。外置天線單極天線螺旋天線PCB印制螺旋天線拉桿天線（1）單極天線

傳統(tǒng)的外置天線一般為單極天線，雖然制作簡單，但是尺寸較大，不便于攜帶。

（2）螺旋天線及PCB印制螺旋天線

螺旋線是一種慢波結(jié)構，螺旋天線實際也是一種慢波化的單極天線。由于螺旋線的作用，減小了電磁波沿螺旋線傳播的相速度，因此天線的長度可以縮短。

也正是由于螺旋線的慢波結(jié)構，使得天線的帶寬窄，天線的儲能大，輻射效率降低。PCB板螺旋天線實際是一種變形的螺旋天線，利用PCB板的介電常數(shù)進一步降低天線的尺寸而已。

因此，

一般采用螺旋天線來降低天線的尺寸（法向螺旋），使用印制在PCB的螺旋天線來得到更小尺寸與各種形狀的外置天線。

這種天線還有許多種變形形式，能夠?qū)崿F(xiàn)多頻、寬帶的要求，有很強的靈活性，因此在外置天線中，此類天線的應用越來越廣。螺旋天線PCB板螺旋天線（3）拉桿天線

一般是采用一節(jié)1/4波長螺旋和一節(jié)1/2波長螺旋構成，需要介質(zhì)棒去耦，用來實現(xiàn)手機的高增益，在手持情況下，其增益可增加6dB以上。（4）綜述

單極天線由于其要求的長度長，一般不使用。

拉桿天線雖然有效增益高，電性能較好，但其結(jié)構復雜，同時需要使用記憶金屬作材料，因此價格較貴，應用較少，我們不考慮使用。

螺旋天線以其良好的輻射特性、小體積、頻帶擴展容易實現(xiàn)的特性成為外置天線的的主流，但其體積還是較大，同時形狀固定，不適合手機造形設計等特殊要求。PCB形式的螺旋天線比普通螺旋天線的體積更小，天線形狀是扁平特性的，同時此類天線的設計具有較強的靈活性，應用漸多。

在外置天線的應用中螺旋天線還是第一選擇，其次是PCB形式的螺旋天線。二、內(nèi)置天線特點：（1）可以做得非常小，不易損壞；可以將其安放在手機中遠離人腦的一面，而在靠近人腦的部分貼上反射層、保護層來減小天線對人體的輻射傷害。（2）可以安裝多個，很方便組陣，從而實現(xiàn)手機天線的智能化，這一點對移動通信系統(tǒng)來說非常有用。

內(nèi)置天線的形式特別多，包括微帶貼片天線、縫隙

天線

、IFA天線和倒L天線、PIFA、陶瓷天線等等。但目前的主流天線主要有兩種：PIFA天線、MONOPOLE單極天線。（1）PIFA天線PIFA是現(xiàn)在使用得最多的一種內(nèi)置天線，具有體積小，增益高，帶寬相對較寬的特點，是在手機天線中使用得最多的天線。用在手機上的PIFA天線

輻射體面積550～600mm2。天線與主板有兩個饋電點，一個是天線模塊輸出，另一個是RF地。天線的位置在手機頂部。PIFA皮法天線如按要求設計環(huán)境結(jié)構，電性能相當優(yōu)越，包括SAR指標，是內(nèi)置天線首選方案。適用于有一定厚度手機產(chǎn)品，折疊、滑蓋、旋蓋、直板機。（2）MONOPOLE單極天線

輻射體面積300～350mm2，與PCB主板TOP面的距離（高度）3～4mm，天線輻射體與PCB的相對距離應大于2mm以上。天線與主板只有一個饋電點，是模塊輸出。天線的位置在手機頂部或底部。MONOPOLE單極天線如按要求設計環(huán)境結(jié)構，電性能可達到較高的水平。缺點是SAR稍高。不適用折疊、滑蓋機，在直板機和超薄直板機上有優(yōu)勢。

三、內(nèi)、外置天線比較

目前手機天線主要就內(nèi)置及外置天線兩種，內(nèi)置天線客觀上必然比外置天線弱。天線的架設都是盡量遠離地面和建筑物的，天線接近參考地的時候，大部分能量將集中在天線和參考地之間，而無法順利發(fā)射，所以天線發(fā)射，需要一個“盡量開放”的空間。而手機電路版就是手機天線的