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

摘要 摘要 本文的主要工作是對(duì)移動(dòng)通信終端天線的研究。近年來(lái)，隨著個(gè)人通信和移動(dòng) 通信技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)手機(jī)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(diǎn)，能夠滿足移動(dòng)通信 系統(tǒng)對(duì)于手機(jī)天線性能的要求，因而在移動(dòng)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(diǎn)也限制了微帶天線的使用。因此，本文對(duì)微帶天線，尤其 是對(duì)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(xì)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(duì)手機(jī) 內(nèi)最天線進(jìn)行了理論求解和仿真計(jì)算。分別設(shè)計(jì)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(lái)得到迅速普及。本文對(duì) 基于螺旋天線原理的對(duì)講機(jī)外置天線做了細(xì)致的研究，并使用h f s s 軟件對(duì)該天線 進(jìn)行了仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了工作于4 2 0 m h z - - 4 6 0 m t i z 頻段的對(duì)講機(jī)外置天線，加 工天線實(shí)物并進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好，令人滿意。測(cè)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(diǎn)。 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(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)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(biāo)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(xiě)過(guò)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(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做 的任何貢獻(xiàn)均已在論文中做了明確的說(shuō)明并表示了謝意。 申請(qǐng)學(xué)位論文與資料若有不實(shí)之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)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(shuō)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(shí)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(shí)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(pán)盤(pán) 導(dǎo)師簽名： 年解密后適用本授權(quán)書(shū)。 日期d 7 、雩 日期盟：芝 第一章緒論 第一章緒論 1 1 移動(dòng)通信的發(fā)展概況 隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，移動(dòng)通信業(yè)務(wù)以前所未有的速度向前發(fā)展。 移動(dòng)通信從上世紀(jì)二十年代起步，至今大致經(jīng)歷了五個(gè)發(fā)展階段。第一階副1 】 從上世紀(jì)二十年代中期至四十年代，當(dāng)時(shí)美國(guó)底特律警察局首先使用了車載無(wú)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(tái)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(diǎn)為專用系統(tǒng)開(kāi)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(dòng)通信業(yè)務(wù)開(kāi)始問(wèn)世。 此階段特點(diǎn)是從專用網(wǎng)向公用網(wǎng)過(guò)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(dòng)通信系統(tǒng)改進(jìn)與完善 的階段，美國(guó)和德國(guó)相繼推出了改進(jìn)型的現(xiàn)代移動(dòng)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(diǎn)是采用大區(qū)制，中小容量，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)選頻和自動(dòng)接入。 第四階段是現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)進(jìn)入蓬勃發(fā)展的階段。七十年代，美國(guó)貝爾實(shí) 驗(yàn)室提出了蜂窩網(wǎng)，即小區(qū)制的概念。由于實(shí)現(xiàn)了頻率再用，系統(tǒng)容量大大提高。 此期間有貝爾實(shí)驗(yàn)室于1 9 7 8 年底研制成功的移動(dòng)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(guó)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(dòng)電話系統(tǒng)、以及瑞典等北歐國(guó)家的4 5 0 m h z 移動(dòng)通信網(wǎng)投入 使用。 第五個(gè)階段是從八十年代中期開(kāi)始，進(jìn)入了數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展和成熟時(shí) 期1 2 j 。第一代移動(dòng)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(dòng)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(guó)和日本也制訂了各自的數(shù)字移動(dòng)通信體制。 如今，蜂窩狀移動(dòng)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(guó)、日本和韓國(guó)等幾個(gè)國(guó)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(dòng)通信網(wǎng)也在許多國(guó)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(guó)從八十年代初開(kāi)始建成模擬蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，九十年代以來(lái)，第二代 數(shù)字式移動(dòng)通信系統(tǒng)出現(xiàn)，我國(guó)嘉興地區(qū)在1 9 9 2 年引入第二代數(shù)字式移動(dòng)通信g s m 系統(tǒng)，目前6 s m 系統(tǒng)已經(jīng)覆蓋了全國(guó)大部分城市和農(nóng)村地區(qū)。上海、深圳等地開(kāi) 通了d c s l 8 0 0 數(shù)字式移動(dòng)通信貸資金網(wǎng)，實(shí)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(dòng)通信終端天線的研究 切換，擴(kuò)展了g s m 系統(tǒng)的信道資源。北京地區(qū)開(kāi)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(shí)驗(yàn)網(wǎng)。移動(dòng)通信在中國(guó)有著巨大的市場(chǎng)。 1 2 移動(dòng)通信系統(tǒng)的天線系統(tǒng) 由于移動(dòng)通信具有廣闊的前途，移動(dòng)通信用戶要求的不斷提高，這對(duì)移動(dòng)通 信設(shè)備的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)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(biāo)， 特別是帶寬和效率指標(biāo)1 3 j ，這也就對(duì)天線設(shè)計(jì)提出了更高的要求。 移動(dòng)天線的設(shè)計(jì)不再局限于在一個(gè)輪廓分明的平坦的基面上實(shí)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(gè)復(fù)雜的電磁結(jié)構(gòu)，使其在信 號(hào)處理中發(fā)揮重要作用，并通常在不確定的時(shí)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(jī)接收機(jī)的射頻( r f ) 前置電路通常一體化為一個(gè)系統(tǒng)， 作為輻射器。也就是說(shuō)是做為天線系統(tǒng)這樣一個(gè)整體來(lái)研究的，而不是對(duì)單個(gè)天 線進(jìn)行研究。 移動(dòng)天線系統(tǒng)的要求【4 】主要有： 1 天線應(yīng)作為一個(gè)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(tái)綜合考慮，設(shè)計(jì)天線時(shí)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(kāi)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(dòng)部件和開(kāi)關(guān)部件，要 有高可靠度的機(jī)械性能等。 1 3 移動(dòng)天線系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 在移動(dòng)通信系統(tǒng)天線設(shè)計(jì)時(shí)，一般要求移動(dòng)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(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)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(gè)人終端便攜設(shè) 備的設(shè)計(jì)概念是必須把設(shè)備殼體作為輻射器的一部分進(jìn)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(shí)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(shí)際移動(dòng)通信系統(tǒng)用的典型天線： 第一章緒論 移動(dòng)站 系統(tǒng) 天線類型要求 尋呼機(jī)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(guò)合成天線 多環(huán)天線 2 8 馴z 系統(tǒng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)和電場(chǎng)分董 鐵氧體線圈天線 4 5 0 l l z 實(shí)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(dòng)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(wú)繩電話 小型環(huán)天線內(nèi)裝形式安裝在電話機(jī)殼上 2 8 0 4 0 0 m h z 2 4 單極天線 分析和設(shè)計(jì)移動(dòng)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(jiǎn)單天線： 5 空間網(wǎng)絡(luò)法：適用于無(wú)限大基面上的倒f 型天線的阻抗特性計(jì)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(dòng)通信的發(fā)展概況。介紹了移動(dòng)通信系統(tǒng)的天線系統(tǒng)，移動(dòng)天 線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及本文大綱。 第二章：移動(dòng)通信終端天線的基本理論 本章簡(jiǎn)單介紹了移動(dòng)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(dòng)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(jī)理、分析模型以及理論分析 方法，對(duì)天線的基本電參數(shù)也做了簡(jiǎn)要介紹。螺旋天線的理論包括：四分之一波 長(zhǎng)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(duì)a n s o f th f s s 進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，然后對(duì)a n s o f th f s s9 2 軟件特點(diǎn)、 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(jiǎn)要介紹。 第四章：手機(jī)內(nèi)置天線的設(shè)計(jì)與仿真 本章通過(guò)用a n s o f th f s s 軟件仿真設(shè)計(jì)了幾種手機(jī)的內(nèi)置天線，包括用單極形 式設(shè)計(jì)的單頻( g p s ) 天線、p i f a 形式設(shè)計(jì)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(jì)了2 4 g 的w l a n 天線。 第五章：對(duì)講機(jī)天線的設(shè)計(jì)仿真和實(shí)現(xiàn) 本章通過(guò)用a n s o f lh f s s 軟件仿真設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了4 2 0 m i - i z - - m 6 0 m h z 的對(duì)講機(jī) 天線，得到了令人滿意的仿真及測(cè)試結(jié)果。 第六章：結(jié)束語(yǔ) 總結(jié)全文，對(duì)移動(dòng)通信天線技術(shù)進(jìn)行了展望，提出了今后有待解決的一些問(wèn) 題。 第二章移動(dòng)通信終端天線的基本理論 第二章移動(dòng)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(jī)理 微帶天線的輻射是通過(guò)金屬貼片和接地平面之間的場(chǎng)分布來(lái)確定的，換句話 說(shuō)，輻射可以由金屬貼片上的表面電流分布來(lái)描述。由于貼片的場(chǎng)分布或電流分 布的精確計(jì)算非常復(fù)雜，因此一般采用簡(jiǎn)單的近似理論來(lái)建立一個(gè)微帶天線的工 作模型。下面簡(jiǎn)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(hào)，貼片的信號(hào)將在上、下表面以及地平面 上建立一個(gè)電荷分布。由于貼片振蕩在主模時(shí)大約為半波長(zhǎng)，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(yùn)動(dòng)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(duì)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(gè)與邊緣正切的弱磁場(chǎng)。因此，我們可以作一個(gè)簡(jiǎn)單的近似：即正切磁場(chǎng) 為0 ，讓磁壁圍繞貼片的四周。這種假設(shè)對(duì)于高，的薄介質(zhì)基片來(lái)說(shuō)是成立的。由 于使用的基片厚度與介質(zhì)中的波長(zhǎng)相比很薄( h a ) ，因此沿厚度的場(chǎng)可以認(rèn)為是 丁h 呻 6 移動(dòng)通信終端天線的研究 恒定的，電場(chǎng)幾乎與貼片表面垂直。這樣貼片可以近似為如下模型：項(xiàng)部和底部 有電場(chǎng)壁，沿4 個(gè) 圖2 2 微帶腔中1 l i - o 模式的電場(chǎng)分布 矩形貼片邊緣有磁場(chǎng)壁的一個(gè)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(chǎng)分布。腔體的4 個(gè)側(cè)壁代表4 個(gè)窄孔徑或裂縫，通過(guò) 它們產(chǎn)生輻射。根據(jù)惠更斯( h u y g e n s ) 場(chǎng)等效原理，微帶貼片用上表面的等效電流 密度z 來(lái)表示，4 個(gè)裂縫用等效電流密度z 和磁流密度見(jiàn)表示，其對(duì)應(yīng)電磁場(chǎng)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(duì)于薄基片，頂部貼片電流z 遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jì)。類似地，沿貼片邊緣的正切磁場(chǎng)和相應(yīng)的電流密度7 。也 可忽略不計(jì)，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(duì)于長(zhǎng)度為w 、高度為h 的裂縫( 見(jiàn)圖2 2 ) ， 主模式時(shí)的裂縫電場(chǎng)e 定義為： e = 毛 ( 2 3 ) 第二章移動(dòng)通信終端天線的基本理論 ( a ) 有地平面時(shí)的工和 t ( b ) 有地平面時(shí)的丘= o 和m s ( c ) 無(wú)地平面時(shí)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(duì)于長(zhǎng)度為l 、高度為h 的另外兩個(gè)裂縫電場(chǎng)e 定義為： 瓦= 一z 瓦s i n ( ，r x l ) y ( 2 4 ) 移動(dòng)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(shí)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(gè)裂縫的輻射場(chǎng)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(gè)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(zhǎng)度l 。因此，貼片輻射等效 為兩個(gè)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(guò)等效裂縫來(lái) 分析。 第二章移動(dòng)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(duì)微帶天線進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)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(cè)天線的輻射特性及近場(chǎng)特性，通過(guò)分析與設(shè)計(jì) 相結(jié)合，減少高耗費(fèi)的邊做邊試的循環(huán)次數(shù)，弄清天線的優(yōu)點(diǎn)和局限性，幫助了 解新的設(shè)計(jì)方法、現(xiàn)有設(shè)計(jì)的改進(jìn)以及對(duì)新的天線結(jié)構(gòu)研發(fā)來(lái)說(shuō)可能有用的工作 原理。天線分析的基本方法是通過(guò)w a x w e l l 方程求解天線周圍空間建立的電磁場(chǎng)， 進(jìn)而得出其方向圖、增益和輸入阻抗等特性指標(biāo)。 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(jiǎn)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(yán)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(yuǎn)小于波長(zhǎng)的情況；( 3 ) 、空腔 模型的擴(kuò)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(yán)格而且計(jì)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(shí)際應(yīng)用時(shí)會(huì)受到計(jì)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(jiǎn)化為一維的傳輸線問(wèn)題，c m 和m n m 理論則擴(kuò)展到基于二維邊值問(wèn)題的求解，而f w 理論又進(jìn)了一步，可以分析第三 維的變化。沒(méi)有特別說(shuō)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(shí)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(jiǎn)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(zhǔn)t e m 波，而波的傳播方向則取決于饋電點(diǎn)，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(zhǎng)度l z 丸2 ( 以為波導(dǎo)波長(zhǎng)) ， 場(chǎng)沿x 方向?yàn)轳v波分布，而沿橫向?yàn)槌?shù)。( 2 ) 傳輸線的兩個(gè)開(kāi)口端等效為兩個(gè)輻 射縫，長(zhǎng)為w ，寬為h ，縫口徑場(chǎng)即為傳輸線開(kāi)口端場(chǎng)強(qiáng)，縫平面看作位于微 帶貼片麗端的延伸面上，即是將開(kāi)口面向上折轉(zhuǎn)9 0 0 ，而開(kāi)口場(chǎng)強(qiáng)也隨之折轉(zhuǎn)。 1 0 移動(dòng)通信終端天線的研究 圖2 5 簡(jiǎn)單傳輸線模型 由上述假設(shè)可以看出，當(dāng)= 以2 時(shí)，兩個(gè)縫隙的切向電場(chǎng)均為章方向，振幅 相等，等效為磁流。而接地板的作用則相當(dāng)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(kāi)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(duì)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?yàn)閭鬏斁€的等效介電常數(shù)，為傳輸線特性導(dǎo)納。 ( 2 8 ) 第二章移動(dòng)通信終端天線的基本理論 諧振時(shí)， 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(xì)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(chǎng)t e m 模。由 于空氣介質(zhì)分界面的存在，微帶線的場(chǎng)空間由兩個(gè)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(chǎng)和磁場(chǎng)所有三個(gè)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(guò)，在頻率不太高的情況下( 如1 2 g h z 以下) ，當(dāng)滿足基片厚度遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)時(shí)，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(chǎng)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(shí)傳播的是準(zhǔn)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(dòng)通信終端天線的研究 簡(jiǎn)明、直觀性強(qiáng)，計(jì)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(yuǎn)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(shuō)是漏波空腔) 。分析空腔四周的等效 磁流得到天線輻射場(chǎng)，而天線輸入阻抗可根據(jù)空腔內(nèi)場(chǎng)和饋源邊界條件來(lái)求得。 圖2 7 畫(huà)出了微帶貼片天線的磁場(chǎng)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(chǎng)壁模型 腔模理論是對(duì)傳輸線法的發(fā)展，己成功地應(yīng)用于精確計(jì)算厚度不超過(guò)介質(zhì)中 波長(zhǎng)的百分之幾的微帶天線的特性，而且這一模型使得對(duì)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(jì)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(jì)算得到的阻抗曲線較準(zhǔn)確，且計(jì)算量不算大，比較適合工程設(shè)計(jì)的需 要。但是，基本的腔模理論也要經(jīng)過(guò)修正，才能得到準(zhǔn)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(wèn)題分成獨(dú)立的兩個(gè)問(wèn)題，理論上是嚴(yán)格 的，但邊界導(dǎo)納較難確定，因此計(jì)算只能是近似的。在腔模理論中，認(rèn)為腔內(nèi)場(chǎng) 是二維函數(shù)，這在薄基片時(shí)是合理的，但對(duì)于厚基片將引入誤差。 第二章移動(dòng)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(wú)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(chǎng)分別建模：內(nèi)層區(qū)域等效為一個(gè)多端口平面電路，端口 位置全部沿四周；外層區(qū)域的場(chǎng)包括散射場(chǎng)、輻射場(chǎng)和表面波場(chǎng)，用負(fù)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(fù)載導(dǎo)納。一個(gè)給定邊緣的負(fù)載導(dǎo)納被均分到多個(gè)端口，然后這些負(fù)載再與平 面電路上相應(yīng)的端口相接，因此對(duì)于一個(gè)給定的邊緣，多端口網(wǎng)絡(luò)和負(fù)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?cái)?方形貼片、具有對(duì)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(lái)，多端口網(wǎng)絡(luò)模型又用來(lái)對(duì)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(gè)最重要優(yōu)點(diǎn)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(dòng)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(wèn)題。它通常先 求出在特定的邊界條件下單位點(diǎn)源所產(chǎn)生的場(chǎng)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(jìn)行積分而得出總場(chǎng)。因?yàn)樵赐ǔ?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(lái)求出場(chǎng)。 積分方程法是以開(kāi)放空間中的格林函數(shù)為基礎(chǔ)的，其基本方程是嚴(yán)格的。但 是，由于嚴(yán)格的格林函數(shù)要在譜域中展開(kāi)，求解積分方程有較大的難度和計(jì)算量。 因此根據(jù)具體問(wèn)題，在積分方程法中采用了一種簡(jiǎn)化的處理方法：不是通過(guò)求解 積分方程來(lái)得出場(chǎng)源( 或等效場(chǎng)源) 分布，而是基于先驗(yàn)性知識(shí)來(lái)假定場(chǎng)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(lái)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(chǎng)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是省卻了積分方程的求解，而又能獲得較嚴(yán)格的包括微帶 基片效應(yīng)的結(jié)果，只是其應(yīng)用受到場(chǎng)源分布先驗(yàn)假設(shè)條件的限制。 相對(duì)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(gè)特性：( 1 ) 、準(zhǔn)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(zhǔn)確的結(jié)果；( 2 ) 、完整性：全波技術(shù)對(duì)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(jì)算復(fù)雜性：全波方法需 要進(jìn)行大量仔細(xì)的計(jì)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(duì)于這些負(fù)載的 邊界情況，往往只能借助于全波分析方法進(jìn)行數(shù)值分析。隨著計(jì)算機(jī)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(jì)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(shí)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(wèn)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(dòng)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(duì)式( 2 1 1 ) 的求解過(guò)程如下： 在f 的定義域內(nèi)將f 展開(kāi)為一組線性無(wú)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(kāi)系數(shù)，工( 力稱為基函數(shù)或展開(kāi)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(duì)適當(dāng)定義的內(nèi)積 ，用每一個(gè)竊_ ( x ) 對(duì) 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(wèn)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(kāi)式的項(xiàng)數(shù)。當(dāng)識(shí)( x ) = l ( x ) 時(shí)，該方法通 常稱為g a l e r k i n 方法。 在一個(gè)特定的問(wèn)題中，矩量法的關(guān)鍵是基函數(shù)和權(quán)函數(shù)的選取?；瘮?shù)和權(quán) 函數(shù)的選取必須是線性無(wú)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(shí)，應(yīng)盡量應(yīng)用有關(guān)未知函數(shù)的先驗(yàn)知識(shí)，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(gè)求解區(qū)域劃分為若干個(gè)單元， 在每個(gè)單元內(nèi)規(guī)定一個(gè)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(duì)于二維問(wèn)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(duì)于三維問(wèn)題，單元 可取作四面體、六面體。每個(gè)單元的形狀都可視具體問(wèn)題靈活規(guī)定。 1 6 移動(dòng)通信終端天線的研究 通過(guò)規(guī)定每個(gè)單元中合適的基函數(shù)，就可以在每個(gè)頂點(diǎn)得到一個(gè)基函數(shù)。分 片解析函數(shù)通過(guò)這些單元間的公共頂點(diǎn)連接起來(lái)，拼成一個(gè)整體，代替全域解析 函數(shù)，通過(guò)相應(yīng)的代數(shù)等價(jià)化為代數(shù)方程來(lái)求解。 由于基函數(shù)的定義域限于本單元，在其余區(qū)域?yàn)榱悖虼嗽谒⒌木仃嚪?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(jì)算該矩陣，可以 節(jié)省9 0 的計(jì)算機(jī)內(nèi)存，而在用矩量法求解時(shí)，矩陣是滿秩矩陣。有限元法最突 出的優(yōu)點(diǎn)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(biāo)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(shí)域有限差分法 時(shí)域有限差分法簡(jiǎn)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(gè)提出來(lái)的。它是一種時(shí)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(jì)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(biāo)系中展成為六個(gè)標(biāo)量場(chǎng)的分量方程，然后將問(wèn)題空間沿三 個(gè)軸向分成很多網(wǎng)格單元，每個(gè)單元長(zhǎng)度作為空間變?cè)?，相?yīng)得出時(shí)間變?cè)?，?有限差分式表示關(guān)于場(chǎng)分量對(duì)時(shí)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(chǎng)初值和計(jì)算空間的邊界條件，可以得到包括時(shí)間變量的m a x w e l l 方 程四維數(shù)值解，通過(guò)傅立葉變換可得到三維空間的譜域解。 時(shí)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(wèn)題，而且時(shí)域有限差分法易于得到計(jì)算空間場(chǎng)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(guò)程，利于改進(jìn)天線 的性能。此外，時(shí)域有限差分法選用適當(dāng)?shù)募?lì)源，通過(guò)一次時(shí)域計(jì)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(diǎn)計(jì)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(wú)線電設(shè)備的重要組成部分，天線性能的好壞直接影響無(wú)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(duì)于無(wú)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(dòng)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(duì)微帶 天線電路特性參數(shù)和輻射特性參數(shù)的測(cè)量都是建立在對(duì)天線輸入端口s 參數(shù)的測(cè) 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(dú)立的部分進(jìn)行簡(jiǎn) 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(jiǎn) 稱方向圖) 是用來(lái)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(chǎng)強(qiáng)、相位或者極化。若不特別說(shuō)明，輻射方向圖 是指功率通量密度的空間分布或場(chǎng)強(qiáng)振幅的空間分布，即功率方向圖或場(chǎng)強(qiáng)方向 圖。 在三維坐標(biāo)中，方向圖描繪的一個(gè)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(huà)起來(lái)復(fù)雜，實(shí)際中常采用平面方向圖( 用e 面和h 面 方向圖) 來(lái)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(shuō)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(gè)方向( 矽，) 輻射的功率密度s ( o ，) 與 完全無(wú)方向性的天線( 理想點(diǎn)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(wú)方向性天線來(lái)說(shuō)輻射功率放大的倍數(shù)，也 可以理解為，在同一點(diǎn)產(chǎn)生相同的輻射場(chǎng)時(shí)，無(wú)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(lái)說(shuō)，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(méi)有特別說(shuō)明的情況下，所 說(shuō)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(xiàng)重要指標(biāo)，天線在某方向的極化是該方向輻射電磁波的極 化( 對(duì)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(shí)入 射平面波的極化( 對(duì)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(shuō) 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(diǎn)電磁波的電場(chǎng)定義為該電磁波在這一點(diǎn)的極化。電場(chǎng)的指向就是 該電磁波的極化方向。電場(chǎng)矢量的指向不隨時(shí)間變化的電磁波稱為線極化波。電 場(chǎng)矢量隨時(shí)間變化的矢量軌跡為一個(gè)圓或者橢圓的電磁波稱為圓極化波或橢圓極 移動(dòng)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(chǎng)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(gè)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(wú)方向性、無(wú)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(diǎn)，該天線的電場(chǎng)強(qiáng)度與理想點(diǎn)源天線在同一處產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度相同的情況下， 理想點(diǎn)源天線的輸入功率與該天線的輸入功率之比。 通常所說(shuō)的天線增益是指天線的線性增益，通過(guò)簡(jiǎn)單的公式推導(dǎo)可以得到增 益的表達(dá)式： g = d - r ( 2 1 5 ) 其中，7 為天線效率。也就是說(shuō)，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(biāo)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(yán)格理論解外，大多數(shù)天線 只能采用近似求解或者實(shí)驗(yàn)測(cè)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?、整個(gè)系統(tǒng)的性 能指標(biāo)及穩(wěn)定性程度等。對(duì)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(jì)中一個(gè)需特別注意的問(wèn)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(shí)，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(dòng)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(duì)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(jī)等提供給天線的功率： 反射功率乓：指天線反射回來(lái)的功率； 輸入功率只：指收發(fā)機(jī)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(jī)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(duì)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(lái)定義微帶天線的帶寬。在許多場(chǎng)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(jiān)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(duì)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(dòng)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(shuō)明儲(chǔ)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