微帶天線的小型化技術(shù)研究課件

微帶天線的小型化

技術(shù)研究內(nèi)容引言微帶天線的小型化技術(shù)1.采用高介電常數(shù)的材料2.短路加載3.開槽開縫4.有源捷變結(jié)論引言通信系統(tǒng)的發(fā)展方向小型化多功能高性能

傳統(tǒng)手機(jī)天線目前存在著缺點(diǎn)集成度低增益不高人體特定吸收比(SAR)偏高解決以上問題的有效方法－內(nèi)置微帶天線低SAR較高平均有效增益手機(jī)外形設(shè)計(jì)多樣化未來手機(jī)天線技術(shù)的發(fā)展方向之一微帶天線的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)微帶天線是由一塊厚度遠(yuǎn)小于波長的介質(zhì)板（稱為介質(zhì)基片）和（用印刷電路或微波集成技術(shù)）覆蓋在它的兩面上的金屬片構(gòu)成的,其中完全覆蓋介質(zhì)板一片稱為接地板,而尺寸可以和波長相比擬的另一片稱為輻射元。微帶天線最常用的兩種饋電方式一種是側(cè)面饋電,也就是饋電網(wǎng)絡(luò)與輻射元刻制在同一表面,另一種是底饋,就是以同軸線的外導(dǎo)體直接與接地板相接,內(nèi)導(dǎo)體穿過接地板和介質(zhì)基片與輻射元相接。微帶天線的輻射原理(傳輸線法)輻射元的長為L,寬為W,介質(zhì)基片的厚度為h輻射元、介質(zhì)基片和接地板視為一段長為L的微帶傳輸線傳輸線的兩端斷開形成開路場分布側(cè)視圖微帶天線的小型化技術(shù)1.采用高介電常數(shù)的材料

微帶天線的諧振頻率近似與成反比天線諧振頻率固定時(shí)，尺寸與成反比介電常數(shù)增大，天線的尺寸將減小微帶天線的增益和帶寬隨介電常數(shù)增大而減小

天線（b）通過使用較厚的基片來彌補(bǔ)提高介電常數(shù)而導(dǎo)致的帶寬的下降

兩種介電常數(shù)的GPS微帶天線，工作在同一頻率1.575GHz天線（a）的介電常數(shù)為，基片厚度

天線（b）的介電常數(shù)為，基片厚度

2.短路加載

2.1PIFA與PILA

矩形微帶天線的場分布

矩形微帶貼片天線一般工作在模

貼片下電場分布如圖所示

沿軸將天線短路，不會(huì)改變天線的場分布與常規(guī)天線相比，尺寸減小了50％同軸探針饋電和微帶線饋電的天線叫平面倒F型天線（PIFA）

和平面倒L型天線(PILA)短路面局部短路，可使貼片的面積進(jìn)一步減少

2.PIFA天線

雙L型PIFA天線

一個(gè)L型貼片單元由同軸探針直接驅(qū)動(dòng)另外一個(gè)L型貼片位于驅(qū)動(dòng)單元的附近兩個(gè)貼片的諧振頻率略有不同通過兩個(gè)貼片單元之間的耦合，使天線的帶寬提高了一倍

PIFA與PILA以及他們的變形在移動(dòng)通信終端中被大量使用兩種變形的PIFA雙頻天線

3.變形的PIFA雙頻天線

天線在GSM和DCS頻段的帶寬分別是200MHz和180MHz進(jìn)一步去掉電流密度較小的部分貼片不會(huì)影響天線的性能進(jìn)一步減小天線的體積

圖b是去掉一部分貼片后的天線結(jié)構(gòu)，天線的帶寬分別是180MHz和220MHz。

2.2短路探針

PIFA和PILA的接地面進(jìn)一步減小，可以用短路探針來代替在80年代初期，短路探針就被用來調(diào)諧天線諧頻率采用同軸探針饋電時(shí)，若附加短路探針并靠近饋電探針時(shí)可以在很大程度上減小貼片尺寸

工作原理同軸饋電探針之間形成強(qiáng)耦合，等效于一個(gè)并聯(lián)電容在諧振頻率附近，微帶天線可等效成并聯(lián)諧振電路因此利用短路探針可以使天線在低于諧振頻率處達(dá)到阻抗匹配圓形貼片面積減小約90％，帶寬降低0.6%采用三角形貼片單元，短路探針加載后面積小于常規(guī)天線的5％

三角形貼片的0場位于軸距底邊處，與矩形和圓形貼片相比，有很大的調(diào)整范圍

短路探針的位置愈靠近貼片的周圍天線的面積減小的越厲害饋電的位置愈靠近短路點(diǎn)帶來制造工藝上的困難對輸入阻抗的特性影響非常敏感天線的阻抗帶寬非常窄在許多場合并不適用

解決辦法－采用多個(gè)短路探針短路點(diǎn)和饋電點(diǎn)的距離明顯增大如果采用空氣介質(zhì)，帶寬可達(dá)到10％

短路探針的存在，H面的交叉極化電平明顯提高解決方法－平衡饋電

用兩個(gè)關(guān)于原點(diǎn)對稱的短路探針饋電處的相位相差180度交叉極化電平降低了20dB交叉電平的提高以增加天線的面積為代價(jià)是常規(guī)短路加載圓形貼片面積的2.7倍

平衡饋電小型化圓形微帶天線

2.3電阻加載

電阻加載小型化微帶天線

增大阻抗帶寬的一種途徑是將短路探針替換成電阻加載加載一個(gè)1歐姆的電阻矩形天線的諧振頻率從1900MHz降低為710MHz10dB阻抗帶寬是9.3%,大約為常規(guī)矩形貼片的4.9倍，短路加載天線的6.6倍在明顯增加帶寬的同時(shí)，又增大了歐姆損耗，因此降低了天線效率

研究實(shí)例1.矩形電阻加載小型化天線2.三角形電阻加載小型化天線嵌入式微帶線饋電的方式隨著電阻值的增大，諧振頻率降低，帶寬增大電阻值等于3.9的情況下，與常規(guī)三角形天線相比尺寸大小降低為7.9%而天線的帶寬達(dá)到19％，是常規(guī)三角形天線的10倍。3.開槽開縫

微帶天線諧振頻率與貼片的等效諧振長度成反比增大貼片的等效長度可以降低天線諧振頻率在貼片和接地板上開槽和開縫增大天線有效諧振長度進(jìn)行開槽或開縫是一種比較有效的方法

開縫前后矩形微帶天線貼片電流的分布

開縫后電流的流向發(fā)生改變延長了電流經(jīng)過的路徑等效延長了天線的諧振長度，降低了天線的頻率當(dāng)縫隙遠(yuǎn)離輻射邊時(shí)，這種現(xiàn)象更加明顯

研究實(shí)例1.小型化的口徑耦合微帶天線利用貼片天線的兩個(gè)正交模，使天線實(shí)現(xiàn)雙頻工作在中心開“十”字縫隙，使天線的兩個(gè)頻率降低天線的尺寸減小了40％通過傾斜的正交縫，同時(shí)激勵(lì)起這兩個(gè)模

口徑耦合雙頻雙極化微帶天線

2.小型化的圓極化天線沿方形天線的四邊有四個(gè)窄槽水平方向的槽只對垂直方向的電流起作用垂直方向的槽只對水平方向的電流起作用水平方向和垂直方向的槽的長度不同饋電位置位于兩個(gè)對角線上，從而使微帶天線的兼并模分離，產(chǎn)生圓極化這種形式的天線比常規(guī)圓極化天線面積減小了36％，并且圓極化帶寬有一定程度提高小型圓極化天線

3.小型化蝶型天線

相當(dāng)于在矩形的兩個(gè)非輻射邊開兩個(gè)三角形的槽

面積比矩形貼片面積減小60％以上

小型化蝶型天線

4.接地板開縫小型化微帶天線接地板平行于貼片輻射邊有兩個(gè)對稱的縫接地板上電流發(fā)生彎曲，進(jìn)而影響貼片上的電流分布諧振頻率降低為矩形貼片的76％展寬天線的頻帶，帶寬達(dá)到3.1%(矩形貼片2.7％)

接地板開縫小型化天線

開縫和開槽通過電流彎曲增加天線的等效長度電流的彎曲會(huì)使交叉極化電平增加一種能有效增加天線的有效長度而不增加交叉極化的方法就是采用折合貼片

小型化折合微帶天線

5.小型化折合微帶天線

貼片單元不再位于一個(gè)平面上向上或者向下彎曲成一定的形狀不會(huì)出現(xiàn)縱向的電流交叉極化電平降低到20dB以下天線在水平面的投影面積降低了37%。

4.有源捷變

口徑耦合頻率捷變天線

加載電阻，電感和電容，或者開縫、開槽，都能使天線的諧振頻率降低通過有源的方式，使這些參數(shù)連續(xù)發(fā)生變化，就能使頻率捷變

研究實(shí)例1.口徑耦合頻率捷變天線口徑耦合頻率捷變天線

兩個(gè)用變?nèi)荻O管代替固定電容電容值隨偏壓的變化而變化，引起電容的連續(xù)變化這種天線的頻率可在1GHz的范圍內(nèi)變化2.CPW饋電有源捷變天線

CPW饋電的天線的諧振頻率隨開路縫的長度而變化連續(xù)改變縫隙的長度就能連續(xù)改變天線的頻率在開路縫里嵌入兩個(gè)P