電子元件天線貼片研究tiepiantx

1、天線研究第一部分天線的基本知識(shí)第二部分片天線設(shè)計(jì)1第三部分貼片天線的應(yīng)用2第四部分以及SAR 的分布38 小成員：鐘20華 劉同1 月 2 日第一部分的基知識(shí)總括天線是在設(shè)計(jì)射頻系統(tǒng)時(shí)所需考慮得最后一部分內(nèi)容。然而可不能小視天線的重要作用，輕敵將導(dǎo)致設(shè)計(jì)前功盡棄。天線作為無線傳輸?shù)囊徊糠?，它的作用概括起來說是傳送與接受電磁場(chǎng)能量。在第一部分中，的設(shè)。介紹天線的最基本知識(shí)，以指導(dǎo)接下來貼定義天線是一個(gè)具備傳輸與發(fā)送電磁能量的導(dǎo)電元件。天線能夠?qū)㈦姶拍芰哭D(zhuǎn)化為電磁場(chǎng)傳去，同時(shí)又能夠通過將空間中的電磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為電磁能量來接收電磁波。如何在同一天線上實(shí)現(xiàn)電磁能量的接收（rece i ve）與.天線的主特

2、征參數(shù)有：( t ransm i t )是天線一重要屬性天線的中心頻率 center f requency）、帶寬(bandw id th) 、天線的極化(po l ar i zat i on) 、天線增益 ga i n、輻射模型(ra i at i on pattern) 、阻抗( i mpece)。傳 線征參數(shù)Lambda Wave l engt （：米）的電磁場(chǎng)，速度為光速。即 3.00 108.在空間中VSWRdB dB dB io l tage S and i g Wave Rat i o 電壓ec i be l 分貝的引入為在用中表dBm 表示率，相對(duì)于1天線增益，以等w為基2天線

3、的理解在的里只針對(duì)天線的最基本現(xiàn)象進(jìn)行描述，因?yàn)檫@樣已經(jīng)足以滿足接下來的設(shè)計(jì)要求。圖1-1為電場(chǎng)E、磁場(chǎng)H方向圖。一根通電的直導(dǎo)線產(chǎn)生了電場(chǎng)E及磁場(chǎng)H。電場(chǎng)與磁場(chǎng)是相互垂直的。電場(chǎng)E的方向與電磁場(chǎng)的方向一致。F i . 1- 1 : 電磁波的天線可被視作一個(gè)的RLC網(wǎng)絡(luò)，他同任何的RLC網(wǎng)絡(luò)一樣，當(dāng)外電路的頻率同它的中心頻率一致時(shí)，網(wǎng)絡(luò)將產(chǎn)生諧振阻抗值。Sm i th原圖將有利于分析問題，因?yàn)樵趫A圖上能夠看到天線在各個(gè)頻率時(shí)的阻抗值，同時(shí)通過圓圖能夠非常方便的實(shí)現(xiàn)天線與傳輸阻抗匹配。要使天線工作在最有效的狀態(tài)要兩個(gè)件（1） 諧振（resonance）：當(dāng)天線工作在中心頻率時(shí)，其阻抗值為一實(shí)數(shù)即

4、為諧振阻抗。那么應(yīng)該將中心頻率設(shè)置在適當(dāng)?shù)念l率上，這樣才能在工作頻率內(nèi)獲得對(duì)的諧振抗（2） 匹配：（天線與傳輸線的匹配即指天線的阻抗與傳輸線的特征阻值相同，這樣才能使天線在接口處得到所有的電磁能量。否則，將產(chǎn)生駐波，那么將會(huì)有一部分電磁能量被反發(fā)射機(jī)。）VSWR 即 , 決定了沒有被發(fā)射機(jī)反射的電磁能量的大小。天線既可以輻射電磁能量，但是也可以將電磁能量以熱的方式消耗。（需要大的調(diào)整，的是，隨著天線上述在這里所說的僅天線的特征參數(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中很可能會(huì)做出重最接近的）3電磁 傳輸?shù)膸讉€(gè)量G G ( ) (1/24 )P/ 4rttr其中 PrPt Gt Gr只有在滿足以下幾個(gè)條件是上(單Bm)

5、 Bm dBdB接收到的功的線的發(fā)射機(jī)的增益益方才適用如 d 2D2/其中 D 是天線發(fā)射機(jī)的直徑。在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到工的距離。遠(yuǎn)區(qū)作頻率，d 至少應(yīng)為 34以由于地球表面的曲線，天線的發(fā)射與接受距離受到光在城區(qū)，可能會(huì)由于以下幾種效應(yīng)對(duì)傳造成不利影響的限制3、1、多徑效應(yīng)（Mu l i -path effect）。電磁波在多個(gè)建筑物表面發(fā)生多次反射，這樣會(huì)導(dǎo)致接收端收到多路回波（在房間內(nèi)，或者在建筑物密集的街道中接收到機(jī)信號(hào)就這類效應(yīng)）4、2、多徑（Mu l i -path fad ing）。所接收到的信號(hào)是通過不同的直射、反射、折射等路徑到達(dá)。由于電波通過各個(gè)路徑的距離不同，因而各條路徑

6、中發(fā)射波的到達(dá)時(shí)間、相位都不相同。不同相位的多個(gè)信號(hào)在接收端疊加，如果同相疊加會(huì)使信號(hào)幅度增強(qiáng)，而反相疊加則會(huì)削弱信號(hào)幅度。這樣接收信號(hào)的幅度將會(huì)發(fā)生急劇變化，從而導(dǎo)致多徑 。當(dāng)電磁波在物體表面發(fā)射以后，他將產(chǎn)生 180度的相移，發(fā)射。波與入射波疊加，將導(dǎo) 電磁波的衰減5、衰減增加（ I cr ase of attenuat i on ），當(dāng)電磁波在水泥墻之間或者窗戶之間傳2播時(shí)，衰減將加劇，參數(shù)1/ d 將被該事先指定。但是實(shí)際的測(cè)量應(yīng)該減為1/ d 3或者1/ d 4 目標(biāo)的空間范圍應(yīng)況而定天線的種類不同的天線有不同的屬性，根據(jù)實(shí)際需要來決定用何種天線?？偟膩碚f，天線的工作效率是與天線的體

7、積有關(guān)的，同時(shí)天線的大小也與波長(zhǎng)有關(guān)。這么說來，一段很短的，工作在較低頻率下的天線，它的工作將非常低參考天線 （Re erence a tenna）該天線的輻射模式是等方向性的，也就是說它在x、y、z軸上輻射都是均勻定義它的增G=0dB i的。由于它是所分析的天線的參考標(biāo)準(zhǔn)，因而顯然，它僅僅是一個(gè)理論模型，因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中等方向輻射磁振蕩的本質(zhì)不符。雖然如此，但是它還是一個(gè)非常有用的模型，因?yàn)樗鼘樗€帶來方便。研究其4偶極子天線D i po l e a tenna）天線長(zhǎng)度是 / 2整數(shù)倍的天是諧振天線。下面就以 / 天線為例說明導(dǎo)線布如下i g1- . 2該天線的饋點(diǎn)在他的中間。其具體模型

8、如下圖所示，把該模叫做天線F g. 1- :z天線取f= 34MHZ,4 mm在實(shí)際應(yīng)用中，該極的直徑：1mmL兩則以1 7 . 5 mm極間距:6 mmm , 而 / 2 為 91 /天的總長(zhǎng)為 2 *5 .+=21=345 mm，所( / 2) .線的總長(zhǎng)0 . 93天線的抗略大于50，益接近于 2dB i .，且在E平面內(nèi)天線的輻射是全方位的（omn i -d i rectna l）。5圖16該 / 2天線在E平輻射圖。F g. 1 4 :輻射圖四分之一波長(zhǎng)天線（ uar teWave）1 波長(zhǎng)天線是最簡(jiǎn)單的天線，它只需要一根鋼絲和接地板即可。其組成4如下7所示：F g1- . 5 /

9、4天線614 波長(zhǎng)天線必須同接地板相連，接地板可以為PC板或者出口處的金屬板。不管采用的何種接地板都應(yīng)保證天線是垂直于接地板的，因?yàn)椴拍塬@得最大的阻抗值。無論如何，該阻抗值都必須保持在50 以下，如果天線水平與地面放置，阻將顯著減小。 / 4的長(zhǎng)度是理想化的，在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到天線的屬性及接地板的的幾，實(shí)際天線的長(zhǎng)度* / 4 ,k 一個(gè)0 . 93 0 . 98之間的數(shù)。同時(shí)必須注何mm2 。意天線長(zhǎng)度至應(yīng)為0 . 4圖1-8中的分析未考慮上述，僅就以理想度來計(jì)算。F g1- 6 : / 4 輻射理想情況）從上圖可以看出：與 / 2偶極子相比，該輻射模式在E平面內(nèi)看起來更加的圓潤(rùn)，因?yàn)樵搱A

10、弧度更加得高，以前面所選取的燈方向天線為參考，該天線的增益為G=-4 . 5dB i。在大多數(shù)的數(shù)據(jù)分析中，人們把四分之一波長(zhǎng)線作為參考天線，因而此=0d i環(huán)天線 （Loop）環(huán)天線的主要優(yōu)點(diǎn)是成本低，它的輻射模式是平行于地面的全方位輻射（omn i -derect i ona l）根據(jù)PC板位置決變電容值。螺旋天線（H li ca l）7螺旋天線具有很高的空間有效性，并且很容易設(shè)置。但是由于很難對(duì)這種天線做一個(gè)理論模型的定義，在大多數(shù)實(shí)際調(diào)控中，都是根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)操作。并且螺旋天線的具有窄帶特性這一特點(diǎn)，因而很難確它的諧振點(diǎn)。方向性是螺旋天線的一個(gè)非常重要的參數(shù)。同前面分析的所有天線都不同，

11、螺旋天線不具有對(duì)稱的天線增益，同時(shí)它的極化方式更類似于橢圓極化(e lli a l )貼片天線（Ped）貼片天線通常被用于高頻率的工作狀態(tài)下，它的主要優(yōu)點(diǎn)是其全方向的輻射，缺點(diǎn)為 用帶寬很窄。同其它的天線一樣，貼片天線同基底介質(zhì)的介電系數(shù)密切相關(guān)。常用的基底介質(zhì)為FR4 氧板（FR epoxy board）。但是基底的介電系數(shù)很不精確，根據(jù)來源其變化范圍 44 . 7。下面的結(jié)果將說明基底 電系數(shù)的影響貼邊為一直徑為20 . 10cm的薄圓片。其中心。F i g1-貼片天線通過上面的分析，可以看到：當(dāng)天線的填充介質(zhì)FR4不同時(shí),相同的貼片天線將工作不同的狀態(tài)。也將注意到該天線的抗并不是50 歐

12、姆，因而該天線在反饋點(diǎn)需同時(shí)要進(jìn)匹配的操。主要規(guī)則8中 頻率寬VR =輸 阻r =厚.6 mm33. 20Hz.7 MH63.5j . = 4.厚6 mm00. 05Hz.7 MH55.3j3.9中心頻率（諧振頻率） Centerf re uency）天線的中心頻率取決于天線的大小。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，天線取得比理論計(jì)算出的天線長(zhǎng)度長(zhǎng)一點(diǎn)，以便在實(shí)際操作過程中，可以通過縮短天線的長(zhǎng)度來獲得需中心頻率。帶寬（Ban w i dth）帶寬取決于天線的寬度。根據(jù)要求的信道（channe l），傳輸數(shù)據(jù)的率(data rate)，所選用的調(diào)制方式來決定帶寬的大小。如果需要一個(gè)比較大的帶寬，那么就用一根點(diǎn)

13、的天線。極化（Po l ar i at i on）在工程運(yùn)用中，人們最喜歡選擇垂直極化的電磁波，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下它能夠更好的噪聲干擾。天線增 （Ga i n）在天線增益的設(shè)計(jì)上可能會(huì)產(chǎn)生是全向天線，那么它很可能會(huì)達(dá)到需要的或者是不需要的效果。如果天線所需的效果。當(dāng)天線離某物體很近時(shí)，將發(fā)生反射現(xiàn)象，從而導(dǎo)致電磁波在該某一方向磁場(chǎng)很強(qiáng)，相反磁場(chǎng)減弱。輻射方式（Ra i at i on p ttern）輻射的方式取決于天線的形狀。將接收天線置于和發(fā)射天線垂直的水平平面內(nèi)。跟增益一樣，類似于天線的其余物體也將對(duì)輻射產(chǎn)生干擾，趨膚效應(yīng)就是一好的例子。阻抗（ Imp dance）天線的阻抗同中心頻率有

14、很大的聯(lián)系。當(dāng)天線在一個(gè)合適的頻率達(dá)到諧振時(shí)，天線的阻抗將達(dá)到最小值。大多數(shù)情況下，天線的考阻抗為50 歐姆。但是天線的阻抗同周圍的環(huán)境有很大的關(guān)系，因而在測(cè)量過程中應(yīng)在同實(shí)際盡量相似的環(huán)境中進(jìn)間的關(guān)系）量。（在第四部分中著重天線的阻抗和周圍物線的匹配問題為了獲得最低的VSWR，以便達(dá)到天線中最好傳輸功率，天線的匹配問題至關(guān)重要。天線的匹配有很多種方法，最簡(jiǎn)單而又最直觀的方法，就是Sm i th圓圖。下面就是一個(gè)用圓圖來達(dá)到天線匹配（使諧振阻抗達(dá)到5）的例子。9期試課程學(xué)院1 級(jí)合班i g18 :在434MHz下，天線阻m i hs為41 . 24圓圖j 1歐姆i g1-9 :m i hs 圓

15、圖加上33nH的電感后，在434MHz的頻率下天的阻抗為50歐姆，達(dá)到匹配。電感或者電容的添加相當(dāng)于在原圖上改變了最初的點(diǎn)。更詳細(xì)地解釋與說明請(qǐng)參考電場(chǎng)與電磁波10第二部分片天計(jì)摘要在這一部分中，通過設(shè)計(jì)一個(gè)貼片天線來展示它的原理并進(jìn)行仿真。貼片天線經(jīng)常作為一種價(jià)格低廉而結(jié)構(gòu)緊湊的天線被用于各種印刷電路板上面。它是一種同向性的天線，可以作為移動(dòng)設(shè)備中的發(fā)和。主要原理由于制作簡(jiǎn)單，貼片天線非常受到歡迎。在一個(gè)需要同向性比較好的天線的系統(tǒng)中，例如移動(dòng)設(shè)備中，它是最簡(jiǎn)單的解決方案。為了獲得最佳的性能，人們喜歡把它設(shè)計(jì)成諧振偶極子的形式。這就要就偶極矩的長(zhǎng)度要略微小于半個(gè)波長(zhǎng)。不妨把它設(shè)定為0 . 4

16、7的波長(zhǎng)?？梢岳孟旅娴墓絹碛?jì)算諧振時(shí)候1/10th 0.47 0.47v / fI - ) .環(huán)境的介電系數(shù)?？梢杂孟旅婀渲?v是波的式來計(jì)算：速度，它取決于波I - 2) .其中c是真空中的光速，eff 是波在印刷電路板中主要由電路板的形狀和電路板的介電系數(shù)所決定時(shí)的實(shí)際介電系數(shù)。它可以通過下面的方程來計(jì)算一個(gè)長(zhǎng)條形狀的介質(zhì)的際介電系數(shù)：11 112hw r r (1 0.04(1)2 h對(duì)介電常)2( I -3)eff22w其中h是基底的厚，w是寬度， r 是基底 計(jì)過程要設(shè)計(jì)一個(gè)工作頻率為433MHZ的諧振偶使用在第一部分介紹的方程，極子天線。使用標(biāo)準(zhǔn)的FR-4PCB作為基底，它相

17、對(duì)電系數(shù) r=2，工作在433MHZ，厚度是 . 25mm。11期試課程學(xué)院 1 級(jí)班 11 112hwFM r r (1) 0.04(1)2 1.62I -1)eff22wh3*108 /8 1.62.37 *II -2)根據(jù)公式( I -1)可以得到諧振時(shí)極矩的長(zhǎng)度2.37 *108 25.7cm0.47433*1II -3)6所以如果想要天線工作在433MHZ，的設(shè)備長(zhǎng)度將不少于26cm。這是不實(shí)際的。為了解決這問題，采用將偶極子天線折疊的方法。使用這種方法，可以將天線的長(zhǎng)度變?yōu)樵瓉淼亩?，得到?rd 25.7 12.9 mI - 4)22這是一個(gè)比較理想的長(zhǎng)度，也是所需要的。如果的

18、頻率設(shè)定為900MHZ，天線的長(zhǎng)度將被減少為6 . 2cm。（假設(shè)在這個(gè)頻率范圍內(nèi)介質(zhì)的介電系不變的）結(jié) A.仿真F i gurII I 0ADS 擬的天線形狀12期試課程學(xué)院 1 級(jí) 合班因?yàn)樯厦娴挠?jì)算是建立在一定的假設(shè)上的，例如天線的物理長(zhǎng)度會(huì)隨著折疊正好變?yōu)樵瓉淼亩种?，現(xiàn)在將進(jìn)行仿真，找出天線在433MHZ發(fā)生的長(zhǎng)度。時(shí)F i gure是PCB的頂III -1是底部視圖。要使用的模型F i gurII -2和F i gureIII -3分別F i gurIII - 1 俯視圖的部分）F i gurIII - 2 俯偶極子）F i gurIII - 3圖（基底）13期試課程學(xué)院 1 級(jí)

19、 合班經(jīng)過多次仿真之后，在433MHZ時(shí)的諧振長(zhǎng)度( )被定。在 r=2的時(shí)候，它的長(zhǎng)度是205mm。天線和基底之間的距離( )是3cm.F i gureIII -4顯示的是S11參數(shù)。在433MHZ的時(shí)候，增益是-17dB1標(biāo)記。F i gurIII 4S11 ,14期試課程學(xué)院 1 級(jí) 合班F i gure III -5顯示的是在同樣的參數(shù)選擇下的Sm i th圓圖。兩個(gè)方框中上面的一個(gè)表示的是433MHZ。圓環(huán)說明天線在這個(gè)頻率是諧振的。另外也說明了 是穩(wěn)定的。F i gurIII -Sm i tar t ,30mmF i gure歐姆。非常III -6顯示的是天線的輸入阻抗Z11。從圖

20、中可以讀出輸入阻抗是40 50歐姆。15F i gurIII 6 Z11 ,=30mm那么天線參數(shù)是怎么影響這些特性的呢？為了找到做了一系列的仿真。首先是天線和基底的距離b被減少到了2cm.預(yù)期將得到一個(gè)比較弱的諧振增益,F i gureIII -7中，S11值從-17dB(b是3cm)增加到. 3dB.F i gurIII 7 S11 ,1期試課程學(xué)院 1 級(jí)班F i gure III -8中看到圓環(huán)變小了，這說明諧振變?nèi)?。最后F i gur27 . 5 III -9說明在諧振時(shí)的輸入阻F i gurIII -Sih圓圖,mmF i gurIII 9Z11 , b=20mm17期試課程學(xué)院

21、1 級(jí)班如果把發(fā)射源遠(yuǎn)離基底會(huì)發(fā)生什么情況？F i gureII -10 , F i gure I I -11和 F i gure III -12中展示了仿真的結(jié)果。距離b被變成了4cm.F i gureIII -10可以看見諧振頻率被搬移到了比較低的頻率段上。S11從-17dB減小到-17 . 7dB,這個(gè)改變的程度不是很大。同樣，Sm i th圓圖也沒有大的改變。輸入阻抗甚至有輕微的減少。從這個(gè)分析結(jié)果可以說明，b的值選擇3cm是比較合適的并且如果有適當(dāng)?shù)脑鲩L(zhǎng)并不會(huì)帶來效率的提高，只會(huì)占用空間。F i gure III - 0 S11 ,=40mm18期試課程學(xué)院1 級(jí)合班F i gure

22、III - 1Smth圓圖,0mmF i gure III - 2Z11 ,0mm19下面來其他參數(shù)，如基底的寬度和天線的長(zhǎng)度的比率關(guān)系等。讓我們伸展基底的寬度，F(xiàn) i gure III -13所示，然后來看仿真的結(jié)果。天線的長(zhǎng)度保持205mm不變。天線和基底的距離還是3cm?；椎拈L(zhǎng)度c變5mm。F i gure III - 13視圖F i gureII -14 , F i gure III -15F i gure III -16中看到仿真的結(jié)果。諧振頻率從433MHZ降到了424MHZ。這暗示基底也在天線的工作中起作用。諧振時(shí)的S11從17dB降到3dB。F i gureIII - 1S1

23、1 , mm20在Sm i th圓圖中F i gure III -15）可以看到很明顯的諧振的現(xiàn)象（是一個(gè)更大的圓環(huán)）。輸入阻抗是56 . F i gureI -16）F i gureIII - 1Sih,mm圓圖F i gure III - 6Z11 ,265mm21期試課程學(xué)院 1 級(jí)混合B.的如果比較以上的結(jié)果就會(huì)發(fā)現(xiàn)，天線的長(zhǎng)度a決定了諧振的頻率。天線的基底也對(duì)天線有影響。所的兩個(gè)參數(shù)，天線和基底的距離b和基底的長(zhǎng)度c都影響了諧振頻率。天線離基底越遠(yuǎn)，諧振頻率越低。基底越寬，諧振頻率越低。那么這就提出了一個(gè)問題，部分是不是也是一個(gè)天線？另外，基底影響著諧振的強(qiáng)度和輸入阻抗，天線離基底越

24、振越強(qiáng)。C.果的證實(shí)為了證實(shí)于時(shí)間有限，的理論和仿真結(jié)果，準(zhǔn)備用實(shí)際天線來進(jìn)量。但是由期末，我只在這里介紹一下準(zhǔn)備的試驗(yàn)方案，希望以后能機(jī)會(huì)實(shí)施。F i gure I I -17 和 F i gure III -18是對(duì)試驗(yàn)構(gòu)想中的天線進(jìn)行的設(shè)計(jì)。利用比較簡(jiǎn)陋的材料設(shè)計(jì)出來天線的形狀F i gure III -17是第一個(gè)天線仰視和俯視圖F i gure天線參數(shù)。III -18是第二個(gè)天線的仰視和俯視。Tab lIII -1是設(shè)F i gure II - 17 天線 ( 1和俯視圖22期試課程學(xué)院1 級(jí)合班F i gure II - 18 天線( 2 )和俯視圖Tab lIII - 1線的參數(shù)

25、結(jié)論在上述過程中，設(shè)計(jì)了一個(gè)工作頻率為433MHZ的諧振偶極子天線從仿真的結(jié)果可以看到，這種天線非常適用于可以動(dòng)設(shè)備的和接收端。在今后的研究中，進(jìn)一步的研究基底的面積和形狀對(duì)天線工作的影響，研究提高天線效各種方法。23天線( 1天線( )基底 料F - 4 P BF4 PC基底 度. 25m25 mm寬度 a)180 mm80 cm和基 距離 (b1mm第三部分片天線的應(yīng)用915傳輸概述了有關(guān)貼片天的許多原理,以上已經(jīng)在這部分介紹一個(gè)將設(shè)計(jì)貼片天線應(yīng)用在信號(hào)發(fā)送系統(tǒng)的例子。同時(shí)，這也是在日常生活中使用最多的無線電數(shù)字的裝備的重要組成部分部分。在多數(shù)情況下, 這部分天線的體積必須是非常的小從而保

26、證附近設(shè)備的工作。慮到這一點(diǎn)，設(shè)計(jì)的天線必須是在具有最佳的工作性能的同時(shí)只占據(jù)最小的空間。與此同時(shí)，這塊天線必需品有最佳的側(cè)面輻射模式以至于獲得最大的方向性和效率。綜合考慮以上所有些設(shè)計(jì)需求,。.設(shè)計(jì)了一個(gè)微帶印刷的共面的 的設(shè)計(jì)研究微帶印刷的共面的貼片天線的設(shè)計(jì)在提供了必需的性能指標(biāo)的同時(shí)也滿足工程上空間和結(jié)構(gòu)的需求。接下來需要考慮的就是在設(shè)計(jì)研究過程盡量使的印刷的偶極子到最大的方向性。天線的方向性是描述為最大的輻射的方向與所有方向的球面波輻射之。換句話說, 方向性表示了輻射在規(guī)定方向的強(qiáng)度。從定義上講，方向性是天線角最大輻射功率與總的輻射功率的比值。這三個(gè)變量指標(biāo)對(duì)偶極子天線能否達(dá)到最佳性

27、能起到了重要的作用。為了完成第 個(gè)設(shè)計(jì)要求, 偶極子的兩個(gè)極子將會(huì)印刷在分開的面板上。圖3-1顯示了從垂直和水平兩個(gè) 向看的情況。24期試課程學(xué)院1 級(jí)混.F i g3-1基本上，兩個(gè)極子的偏移量讓兩者的輻射模式互相。|結(jié)果，前端輻射部分變得更加強(qiáng)烈和更具方向性,從而增加雙極子的總的效應(yīng)。基本雙極子的方向性參照量是2 . 15分貝。設(shè)計(jì)的第三點(diǎn)需要注意的是天線的總的性能。這包括諧振頻 ,反射系數(shù)天線阻抗, 和電壓駐波比(VSWR)。最初的設(shè)計(jì)期待是的諧振的頻915兆赫, S11的值約為1012分貝, 這個(gè)值非常重要。另外電壓駐波比VSWR小于1 . 7 .在這項(xiàng)目的計(jì)研究部分,決天線的尺寸,

28、質(zhì)量和性能以達(dá)到的設(shè)計(jì)目的。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)將是對(duì)稱的半-波偶極子印制在一塊二位板上。4設(shè)計(jì)方法主要的設(shè)計(jì)和仿真是高級(jí)設(shè)計(jì)統(tǒng)(ADS) 和它的附屬工具。由Ag il ent于設(shè)計(jì)仿真, 模擬和觀察天線的性的這款工具供應(yīng)卓越的設(shè)計(jì)能。在使ADS之前,首先要建立一個(gè)天線模型。圖3-2表示的是偶極子底面和一些最設(shè)計(jì)尺寸。25期試課程學(xué)院1 級(jí)班F i g3-2偶極子的長(zhǎng)度是最重要的值，考慮到這個(gè)天線設(shè)計(jì)成半波型。接下來，考慮天線的導(dǎo)線。在大多數(shù)的天線設(shè)計(jì)中，導(dǎo)線都設(shè)計(jì)成為四分之一波長(zhǎng)線。同時(shí)，考慮到微帶線的距離和尺寸，為了恰好符合底面天線的比例。所以，必須有一塊 EM連接板，其到導(dǎo)線的距離是結(jié)合板厚度的5倍

29、。.這樣將會(huì)提供足夠的空間給EM耦合.。最后，考慮極子的厚度。剛開始，并不覺得這一點(diǎn)特別重要，影響的。但是在后面的實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，它對(duì)整個(gè)天線的性能還是有首先，設(shè)計(jì)的頻率是915兆赫，相應(yīng)的波長(zhǎng)是327納米。使用這些值，我們向ADS輸出一個(gè)初始圖層，接下來，向頂圖層輸入極子的上半部分內(nèi)容，再輸?shù)玫搅送暾奶炀€設(shè)計(jì)ADS入極子的下半部分內(nèi)容，最后，將兩個(gè)圖層拼合圖形。并且在合并的圖層上面，所有導(dǎo)線的分布都是正確的。見圖3-3是形。的圖26期試課程學(xué)院1 級(jí)合班F i g兩層之間的部分稱為FR ，參數(shù)e 3-3h = 59m l和er =4 . 3，在接上端口后進(jìn)行仿真，嘗試檢測(cè)天線設(shè)計(jì)中哪些變量

30、會(huì)影響最后整部天線的工作性能。通過反復(fù)的測(cè)試，將會(huì)對(duì)天線的性找到了控制天線性能的幾個(gè)參數(shù)。能否設(shè)置好這些參數(shù)，27仿真結(jié)果圖3-4顯示了反射系數(shù)對(duì)最的影響:線F i g3-4對(duì)天線的最終形態(tài)仿真的結(jié)果和預(yù)期的基本吻合。正如圖中顯示的那樣，歸一化阻抗為1 . 407 -3 . 325 事實(shí)上，這個(gè)阻抗的實(shí)部為65歐姆，并且它的虛部是0 . 82，以上都是在916 . 7兆赫茲的情況下。在仿真時(shí)，為了一些其他的更加重要的的考慮使相位差并不是為0。因此，我認(rèn)為該阻抗的實(shí)部電阻值已經(jīng)滿足了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的要求。一個(gè)諧振頻率為919兆赫茲下的負(fù)反饋增益-15 . 25 .這一個(gè)結(jié)果超出了設(shè)計(jì)和指標(biāo)。此天線的效

31、率是百分之91 ,天線益是2 18 dB i ,向性2 . 4 dB 這三個(gè)量使在設(shè)計(jì)之初認(rèn)為的對(duì)天線性能影響最大的參數(shù).圖3-6就顯示了仿的輻射模式。8期試課程學(xué)院1 級(jí)班F i ge 3-590度橫截面的交線取決于這個(gè)偶極子的長(zhǎng)度。在圖中實(shí)際的極子根據(jù)長(zhǎng)度從0度變化到180度。圖形分析顯示該球體前端突出部分的寬度約為100度并且其最大密度為90度。這一點(diǎn)同樣可以從圖3-5的偏振圖中分析得到。最大的水平和垂直偏振的最大值都是在9產(chǎn)生。天線的設(shè)計(jì)最終比預(yù)先希望的標(biāo)準(zhǔn)還要更好。所以，為出現(xiàn)這種結(jié)果的原因，以及一些在設(shè)計(jì)天線過程中總結(jié)出來的規(guī)律，同時(shí)段。還探索將天線性能更高為了達(dá)到天線設(shè)計(jì)的性能要

32、求，首先一點(diǎn)是天線的方向性，同時(shí)找到所有有作用的參量也是十分重要的。首先，偶極子的長(zhǎng)度是一個(gè)可以調(diào)整的參量。簡(jiǎn)單說來，如果說這個(gè)偶極子是半波結(jié)構(gòu)，那么這個(gè)偶極子的就應(yīng)該恰好是波長(zhǎng)的一半。因此，它是被調(diào)整過變得小一點(diǎn)，比如波長(zhǎng)被除以2 . 3，這樣可以滿足精確性。天線的實(shí)際的饋線大約是波長(zhǎng)的十四分之一,這一點(diǎn)和常用的四分之一波長(zhǎng)線不一樣。認(rèn)為，這個(gè)將是最重要響天能的參量。在設(shè)計(jì)中決定使用50歐姆的饋線。這一點(diǎn)剛好和平常的做法相反，因?yàn)?9果和人們會(huì)認(rèn)為饋線越大則EM和底板的耦合越好。但是，在實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)并們所想的那樣。檢驗(yàn)了試驗(yàn)中的分配電流，使用很大的饋線和使用50歐姆的饋線相比較，幾乎所有的耦

33、合都發(fā)生在饋線的邊帶上。事實(shí)上，最合適饋線尺寸是3mm和50歐姆的阻抗值。同時(shí)饋線的長(zhǎng)度也大幅的降低了。這樣的設(shè)計(jì)是考慮了空間的合理使用和提供了更大的可選擇內(nèi)的阻抗。耦合板是饋線的一部分，他并非一開始那么重要。耦合板的寬度總是保持在截止基片的5倍，而且天線的性能隨之變化很小。最后，最終要的天線結(jié)構(gòu)的一個(gè)參量就是偶極子的厚度。合適的值將是16mm或者是波長(zhǎng)的一半。這個(gè)數(shù)值大約是偶極子寬度的十分之一。他的重要性在于可以大幅度的提高偶極子的面積，即是每毫米的增加將會(huì)帶來百分之7的面積增加。而且天線面積的增加將直接影響輻射的功率從而影響線的效率。增加偶極子的寬度和厚度同時(shí)也改變了天線裝置的結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)中

34、的寬度大約是長(zhǎng)度的百分之十一。繼續(xù)增加寬度的值將會(huì)導(dǎo)致偶極子更像是一個(gè)貼片而不是一個(gè)極子。換句話說，認(rèn)為增加寬度的結(jié)果可以類比于一個(gè)雙向陣列天線。如果這兩個(gè)量是耦合的，那么饋線與反饋的相似，就會(huì)是一個(gè)陣列天線?？紤]到這個(gè)問題，人們就可以使用這種技術(shù)來縮短饋線的長(zhǎng)度并且可以通過改變信號(hào)的相角來控制前端的方向性。使用同一個(gè)原理，將偶極子結(jié)構(gòu)分開一個(gè)很小的距離將會(huì)有助于增強(qiáng)前端的方向性。所以目前的設(shè)計(jì)都是使主要的強(qiáng)度讓側(cè)面在30到0度之間。通過平整輻射模式可以增加輻射功率密度。為了做到這一點(diǎn)，參考了前面關(guān)于陣列天線的部分，使用相角的改變來控制前端。另一個(gè)平整輻射模式的上端和底部的方法是增加。通過增加

35、一系列線性不見并且調(diào)整相角，在不見之間相角，間距和數(shù)目可以更加精確的控制輻射模式。但是，認(rèn)為電流范圍必須要求對(duì)前端有90度以致在某些情況下凈電流將會(huì)發(fā)生相移，或者阻斷。介質(zhì)基片同樣對(duì)天線的性能有重要的影響。如果使用另一塊介電系數(shù)更大的介質(zhì)基片，整個(gè)天線的性能將會(huì)大幅改變。另外，其他的材料提供了更加一致的結(jié)果。FR4包含的就有玻璃（er=6）和樹脂(er=3 . 2) .不幸的是，F(xiàn)R4的開發(fā)還并沒有非常完善。因此，材料中總是會(huì)有混雜物，這樣會(huì)導(dǎo)致工作中的不一致，尤其是在在同面板的設(shè)計(jì)中。改變介質(zhì)在某一個(gè)固定區(qū)域上面的質(zhì)同樣可以幫助提高天線的性能。同樣，對(duì)于微帶天線，限制它和空氣介質(zhì)的接觸，可以

36、有助于縮小其尺寸。另一種使用的技術(shù)是將微帶天線遷入兩塊介質(zhì)板之間。硅處理技術(shù)將會(huì)用于發(fā)展考慮的制造業(yè)可能性，以上都是為了是天線獲得更小的尺寸和更好的結(jié)論進(jìn)行這個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目的是為了設(shè)計(jì)一個(gè)傳輸天線用于無限數(shù)字傳輸。合理的器件尺寸和必要的性能決定了相對(duì)稱共面微帶貼片偶極子天線設(shè)計(jì)。這個(gè)天線滿足了所有事先預(yù)期的指標(biāo)。盡管還有很多方面可以通過改變參量來進(jìn)行增強(qiáng)，但是現(xiàn)在的設(shè)計(jì)已經(jīng)足夠 足技術(shù)要求。30第四部分以 AR摘要也許印刷偶極子天線在日常生活中最廣泛的應(yīng)用就是移動(dòng)了。人們?cè)絹砗?jiǎn)單針對(duì)這個(gè)越關(guān)心電磁輻射對(duì)的影響。在進(jìn)行初探。的最后一部分，研究和移動(dòng)終端的關(guān)系。將頭部假設(shè)為一個(gè)長(zhǎng)方形的物體，它的附

37、近有一個(gè)貼片天線。貼片天線的介電系數(shù)在諧振頻率上是給定的使用FDTD （時(shí)域有限差分）方法，計(jì)算出天線饋點(diǎn)處和模型的電場(chǎng)大小。然后使用這些數(shù)據(jù)來分別計(jì)算指定吸收率（SAR）和天線的輸入阻抗。在計(jì)算中，變換(DFT)（參考數(shù)字信還用到了離散理）鍵詞:SAR (S ec i f i c Abs rpt i ote)DFT (D screteour i er Transforon) i nFDTDF i n i te D i f eren e T i me簡(jiǎn)介在過去的幾年中，蜂窩被廣泛的使用，隨之而來的是人們對(duì)電磁波是否會(huì)危害健康的關(guān)注。事實(shí)上，蜂窩的頻段都在微波波段，并且在使用的時(shí)候是貼近的，這里

38、面有兩個(gè)重要。第一就是中能沉積，質(zhì)人們通常使用SAR(指定吸收率)來描述電磁波能量的輻射。SAR的定義為在量的有損耗的中，電磁波的消散速率。另一個(gè)問題是在操作的時(shí)候，對(duì)本身一些性能指標(biāo)的影響。天線的特性由于的存在受到了多方面的影響，如輸入阻抗變化，輻射形式和輻射效率等。其中天線的輻射效率由于天線的功率中國(guó)體吸收了一部和國(guó)家技術(shù)有所降低。已經(jīng)建立了一個(gè)針對(duì)移動(dòng)設(shè)備對(duì)的影響中衡量SAR大小的標(biāo)準(zhǔn)移動(dòng)電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)（見附件）。最近的一些文章和物上面也通過試驗(yàn)的方法來研究蜂窩對(duì)的影響，并給出了一些更為準(zhǔn)確的說法。這里法。所介紹的是一種用模型來模擬實(shí)際情實(shí)驗(yàn)方為了研究的方便，人的頭部用一個(gè)充滿了特定電導(dǎo)率

39、的液體的長(zhǎng)方形模型來代替，它的附近有一個(gè)半波長(zhǎng)的偶極子天線。使用FDTD方法進(jìn)行處理并數(shù)據(jù)。31通過改變天線和模型的距離和模型中溶液的體積來模仿實(shí)際人們使況。的情設(shè)模型的參數(shù)為：長(zhǎng)80cm,寬50cm,高20cm.（如下圖）。模型有一個(gè)厚度為1cm的外殼，外殼的介電常數(shù)和電導(dǎo)都低(r = 4 , 0 . 009 S/ m) .模型中填充了19cm高的液體（用來模仿的組織）。在和模型面積最大的那個(gè)面的平行方向放置一個(gè)半波長(zhǎng)極子天線。F i g re 4-的模型使用FDTD方法來計(jì)算所研究范圍內(nèi)的場(chǎng)量。下面兩個(gè)公式是使用這種法時(shí)的前提： mi (4-1)(4 2)其中 dh 是空間的量，在各個(gè)上是

40、相同的率下波長(zhǎng)， dt 是時(shí)的微分量，c 是P REV ( f )I ( )* ，min是最高inss光速。使用FDTD方法，并假設(shè)在除了縫隙之外的地方電場(chǎng)的切向分量為零?？p隙處的壓的表達(dá)式為t 2 /(22 )vs (t) cos(2)(4-3)c32模型的建的研究期試課程學(xué)院 1 級(jí) 合班2其中 2fc確定了高脈沖寬度，中心頻率?？p隙處的電流 Is 利用定律得到（電流是在一個(gè)小的圓弧上）(4-4)s根據(jù)FDTD方法對(duì)（4-4）離化處理，得到 (4-5) :I (t)(H n1/2 (i, j1, k ) H n1/ 2 (i, j, k ) H n1/ 2 (i, j, k ) H n 1

41、/2 (i 1, j, k )dhsxxyy(4-5其中 HxH磁場(chǎng)的x分， i,j, 分是x, y, z軸的自變量。N是時(shí)間變量。上面等式成立的條件是偶極子在z方向，且dh在各向都相同。在得到了上述縫隙處的電壓和電流的表達(dá)式之后，可以計(jì)算出天線的輸入阻抗Zin( f )。用離散到再次頻率變換的方法得Vs( f )Is( f )，然后由下述共識(shí)得入阻抗：s ()()in4-6)()s同樣，每一點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度 Etot 都可以在時(shí)域中用下的方程來計(jì)算| | |2|2|2|(4-7)totxyz是場(chǎng)x y達(dá)式。z 方向的分量，然后進(jìn)行離散Ex總y Ez變換，得到頻域中計(jì)算結(jié)果1011(4-1) ,

42、(4 2 中令dh =. 0, d= 1 .在方sec， f=1GHZ。首先計(jì)算輸入阻抗，利用方(4-3) , (4-5) , (4-6)，得到一個(gè)13cm的偶極子天線在freespace in 73.27 j0.34 ，接近諧振。Z頻率等于982MHZ的時(shí)候的輸入阻抗為選擇脈沖寬度2 2 為(1000dt)2 保證中心頻率旁邊有一個(gè)比較小的帶寬。在這個(gè)比3較小的帶寬范圍內(nèi)變的，由此可以簡(jiǎn)可以假設(shè)頭部模型的介電系數(shù)和電導(dǎo)率都是恒定不的模型。再次回F i gure4-1。假設(shè)頭部模型在諧振頻率為982MHZ的時(shí)候具有不變的介電系數(shù)和電導(dǎo)，別為r =2 03和 = 1 . 02 S/ m。再次使用

43、FDTD參數(shù)設(shè)置和空間中一樣，為了達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，時(shí)間設(shè)定3000dt sec。利用方(4-5) , (4-6)計(jì)算天線的輸入阻抗，其中天線和頭部的模型的距離在不斷的變化。計(jì)算過程略去，下結(jié)果：Tab可以從上面的表中看到，在頭部模型附近的輸入阻抗和 抗相比有很大的變化，為了更好地進(jìn)行比較，利用下面的式子空間中的輸入阻射系數(shù)：freespaceZ ininfreespace(4-8)inin以距離 為橫坐標(biāo)， 的絕對(duì)值為縱坐標(biāo)，描點(diǎn)，得到面坐標(biāo)圖：34d ( m)i()9 . 66 + j 9 . 733 . 79 + j 5 . 193 . 52 + j 1 . 261 . 01 + j 4

44、. 659 . 58 + j 6 . 020 . 05 + j 4 . 995 . 61 + j 1 . 697 . 14 + j 5 . 635 . 47j . 5816 . 61j 1 . 98期試課程學(xué)院1 級(jí)合班F i gud曲線.可以很清楚地看到，隨著d增加， | | 的值在減小。所以可以推斷，經(jīng)過了一定的距離之后，天線的輸入阻抗不再受頭部模型的影響，它的值將等于還可看到， | | 隨d的變化基本在空間中的值。并且呈線性的。在計(jì)算了| |和d關(guān)系之后，繼續(xù)研究頭部模型中產(chǎn)生的SAR的大小。于此有關(guān)的量是天線和頭部的距離和模型中液體的深度。利下面的公式：|2|tot(4-9)liqui

45、d其中 Etot 是通過（4-7）得到的總的電場(chǎng)強(qiáng)度，并且經(jīng)過了DFT變換。液的導(dǎo)率是 = 1 . 02 S/ m，密度為l quid = 1000 kg / m3 。首先考慮模型y=0處x-z平面的情況。對(duì)于每一個(gè)d計(jì)算出平均的SAR值。同樣對(duì)于模型的y=1 , y=2 , y=3 , y=4計(jì)算出對(duì)應(yīng)的平均SAR值。然后用天線的輸入功率對(duì)這些SAR值進(jìn)行歸一化。輸入功的公式如下：P ( f )I ( f )*(4-10)inssVs( f )Is( f )是空間中的電壓電流值（用DFT處理過的頻域量）所得的值（ f=982M）如下圖：35期試課程學(xué)院1 級(jí)合班F i gu4-3 .可以明顯

46、地看到，隨著d的增加，SAR值明顯的減少，類似于指數(shù)函數(shù)。同樣可以看到，y=0處的SAR值明顯的比另外幾層的值大。在d比較小的地方尤其明顯?？梢酝茢啵赿10的地方，SAR小以被忽略。為了更直觀地反映SAR值隨著液體深度y的變化情況，取d=1-4，以y的變化為橫軸，將這四個(gè)不同距離下的SAR值反映在圖表上：F i ge4-4 .橫軸y是模液體的深度同樣可以看到，隨著深度y的加大，SAR值呈指數(shù)形式的減小。從y=3開始的SAR值已經(jīng)很小，所以不計(jì)。36期試課程學(xué)院 1 級(jí)混合總結(jié)在這一部分中，研究了在頭部模型附近的天線的性能以及在頭部模型中所的SAR值的情況。使用FDTD方法，架設(shè)在頭部模型的附近有一個(gè)半波長(zhǎng)的偶極子天線，