（通信与信息系统专业论文）内置多频宽带小型化手机天线的研究.pdf

硕士论文内置多频宽带小型化手机天线的研究 摘要 本文的主要工作是对手机内置天线的研究。近年来，随着个人通信和移动通信技 术的迅速发展，对手机天线的性能提出了小型化、多频段和宽频带的要求。如何设计 出同时具有小型化、多频段以及宽频带的手机天线是当前天线设计的难点与热点。 本文首先介绍了电小天线的基本理论，分析了电小天线的固有缺陷及解决方法。 然后对广泛应用于移动通信系统中的单极天线及平面倒f 天线( p i f a ) 的特性进行了详 细研究，并介绍了手机天线小型化、多频带以及宽频带的各种方法，尤其是微带天线 多频带和宽频带的方法。 针对目前手机天线研究设计的热点和趋势，本文设计了四种多频宽带的小型化手 机天线，其中包括三个分别工作在g s m d c s i s m 、g s m d c s p c s 及g s m d c s p c s w c d m a 系统的内置单极天线，以及r 个工作在w c d m a i s m 系统的内置p i f a 。采 用a n s o f t 公司的三维电磁仿真软件h f s s 对四种手机天线的结构进行了仿真计算 和优化设计，同时讨论了天线几何尺寸以及人体效应对天线性能的影响。根据设计结 果加工制作了g s m d c s p c s 三频单极天线，实测结果与仿真结果吻合较好。此手机 天线的实测结果和四种手机天线的仿真结果表明，所设计的四种天线在相应的工作频 带内回波损耗s 1 1 7 5 d b ( v s w r 2 5 ) ，在水平面内具有良好的全向辐射特性，增益 大于0 d b i ，且天线尺寸较小( 单极天线均小于4 0 x 1 0 x 5n l i n 3 ，p i f a 小于4 0 x 1 0 x 7n u n 3 ) ， 符合新一代移动通信小型化多频宽带的特点，具有良好的应用前景。 最后对本文的工作进行了总结，并提出了有待进一步改善的一些问题。 关键词：手机内置天线，小型化，多频化，宽频带，单极天线，p i f a a b s t r a c t 硕i ：论文 a b s t r a c t t h em a i nw o r ko ft h i st h e s i si sa b o u tt h es t u d yo ft h ei n t e m a lh a n d s e ta n t e n n a s i n r e c e n ty e a r s ，w 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 ，t h ed e m a n df o rm o b i l e h a n d s e t sw i t hm i n i a t u r i z a t i o n ，m u l t i - b a n da n db r o a d b a n di sp r e s e n t e d ，s oh o wt od e s i g n h a n d s e ta n t e n n a sm e e t i n gt h ep e r f o r m a n c ea r et h eh o tt o p i ci nn o w a d a y s i nt h i st h e s i s ，f i r s t l y ，b a s i cp r i n c i p l eo fe l e c t r i c a l l ys m a l la n t e n n a si si n t r o d u c e d ，a n d t h ei n h e r e n c el i m i t a t i o n so fe l e c t r i c a l l ys m a l la n t e n n a sa n dt h er e s o l v em e t h o d sa r e a n a l y z e d t h e nt h e t h e o r e t i c a la n a l y s i s o fp l a n a ra n t e n n a s ，m a i ni n c l u d i n gp l a n a r m o n o p o l ea n t e n n aa n dp l a n a ri n v e r t e d - fa n t e n n a ( p i f a ) t h a t h a v er e c e n t l yr e c e i v e dm u c h a t t e n t i o nf o ra p p l i c a t i o ni nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，a r es t u d i e di nd e t a i li nt h i s t h e s i s a n dt h i st h e s i ss u m m a r i z e st h et e c h n o l o g i e so fm i n i a t u r i z a t i o n ，m u l t i - b a n da n d b r o a d b a n do ft h ep l a n a rh a n d s e ta n t e n n a s ，e s p e c i a l l yi n c l u d i n gt h et e c h n o l o g i e so f m u l t i b a n da n db r o a d b a n do fm i c r o s t r i pa n t e n n a s i nt h i st h e s i s ，t h r e ec o m p a c ti n t e r n a lm u l t i - b a n dm o n o p o l ea n t e n n a s ( g s m d c s i s m ， g s m d c s p c sa n dg s m 仍c s p c s 、c d m a ) a n do n ed u a l - b a n dp i f a ( w c d m a i s m ) a r ep r e s e n t e d s i m u l a t e dr e s u l t sa r ec o m p u t e db yt h es o f t w a r ea n s o f th f s s a n dt h e i n f l u e n c eo fc o r r e l a t i v ed i m e n s i o np a r a m e t e r sa n dl a s e ri n t e r a c t i o na r ed i s c u s s e da l o n gw i t h t h es i m u l a t e dr e s u l t s t h eg s m d c s p c sm o n o p o l ea n t e n n ai sm a d ea n dm e a s u r e d ，a n dag o o da g r e e m e n t b e t w e e nm e a s u r e m e n ta n ds i m u l a t i o ni sa c h i e v e d f r o mt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l to ft h e g s m d c s p c sm o n o p o l ea n t e n n aa n dt h es i m u l a t e dr e s u l to ff o u rh a n d s e ta n t e n n a , t h e s e a n t e n n a sh a v ee n o u g hb a n d w i d t hf o rc o v e r i n go p e r a t i o nb a n d sa c c o r d i n gr e t u ml o s sl e s s t h a n 一7 5d b s w r 2 5 ) ，h a v ea p p r o x i m a t e l yo m n i d i r e c t i o n a lr a d i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ， a n dt h eg a i nl a g e rt h a n0 d b i a n dt h e s em o n o p o l ea n t e n n a so c c u p ys m a l lv o l u m el e s st h a n 4 0 x10 x 5m m 3 ，a n dt h ep 姒l e s st h a n4 0 xlo x 7i n i n 3 s ot h e s ea n t e n n a ss u i t a b l ef o rn e w g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o na p p l i c a t i o n s ，a n ds h o u l db eh a v eg o o da p p l i c a t i o n s a tl a s t ，w es u m m a r i z et h er e s e a r c ho ft h et h e s i sa n dp r o p o s es o m en e e d e di m p r o v e d p r o b l e m su l t e r i o r l y k e y w o r d ：i n t e r n a lh a n d s e ta n t e n n a s ，m 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 d ，m o n o p o l e a n t e n n a ，p i f a u 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 一_ 、h 研究生签名：选3 ：! 垒 伊孑年细巧日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：乱：圣 硼稻月2 ：7 日 硕士论文内置多频宽带小型化手机天线的研究 1 绪论 1 1 移动通信的发展概况 随着现代通信技术的不断进步，移动通信业务以前所未有的速度向前发展。移动 通信从上世纪二十年代起步，至今大致经历了六个发展阶段【1 1 - 4 1 。 第一阶段：从上世纪二十年代中期至四十年代，这是移动通信的早期萌芽阶段。 在此期间，初步进行了一些传播特性试验，在短波的几个频段上建立了一些专用的、 简单的移动通信系统，如1 9 2 1 年开通的美国底特律警察移动通信系统，工作频率是 2 m h z ，到四十年代提高到3 0 4 0 m h z ，电台既庞大笨重且有很大功耗，并使用尺寸 较大的天线。此阶段的特点为专用系统开发，工作频率较低。 第二阶段：从四十年代中期至六十年代初期，这是移动通信的初期发展阶段。公 用移动通信业务开始问世。此阶段的特点是从专用网向公用网过渡，接续方式为人工， 网的容量较小。 第三阶段：从六十年代中期至七十年代中期，这是移动通信系统的改进和完善阶 段。这一阶段的特点是公用移动电话规模逐步扩大，采用大区制组网，中等容量，使 用了4 5 0m h z 频段，频道间隔缩d , n2 5k h z - 3 0k h z ，实现了信道自动选取和自动 接续，并开始使用便携式移动终端。 第四阶段：从七十年代中期至八十年代中期，这是蜂窝移动通信诞生与蓬勃发展 的阶段。随着移动通信业务的发展，用户数的增长和频率资源有限的矛盾越来越尖锐。 七十年代，美国贝尔实验室提出了蜂窝网，即小区制的概念。由于实现了频率再用， 系统容量大大提高。在此期间有贝尔实验室于1 9 7 8 年底研制成功的移动电话系统 ( a m p s ) ，日本的8 0 0 m h z 汽车电话系统、西德的c 网( 频段为4 5 0 m h z ) 、英国全地 址通信系统( 9 0 0 m h z ) 、加拿大的4 5 0 m h z 移动电话系统以及瑞典等北欧国家的 4 5 0 m h z 移动通信网投入使用。 第五阶段：从八十年代中期至九十年代中期，这是数字蜂窝系统诞生、移动通信 产业的成熟期。模拟蜂窝网虽然取得了很大成功，但也暴露了一些问题。例如，频谱 利用率低，移动设备复杂，费用较高，业务种类受限以及通话易被窃听等，最主要的 问题是其容量已不能满足日益增长的移动用户的需求。解决这些问题的方法是开发新 一代数字蜂窝移动通信系统。1 9 9 1 年g s m 数字蜂窝移动通信系统投入使用，后被世 界上众多国家所采用，现已成为世界上拥有移动用户数量最多的移动通信系统。除 g s m 外，还有美国的i s 5 4 、i s 9 5 ( 窄带c d m a ) ，以及日本的p d c 等数字蜂窝移动 通信系统，这些统称为第二代蜂窝移动电话系统。 第六阶段【3 】：2 1 世纪初，这是第三代移动通信系统的诞生期。随着多媒体通信的 l i 绪论 硕：j ：论文 兴起，因特网、信息高速公路的普及，移动通信业务已不能只局限于话音通信和低速 数据通信，为此国际电联( r r u ) 着手制定了新一代蜂窝移动通信标准。这个名为 i m t - 2 0 0 0 的第三代蜂窝移动通信标准已于2 0 0 0 年正式颁布，欧洲提出的与g s m 兼 容的w - c d m a 、美国提出的与i s 9 5 兼容的c d m a 2 0 0 0 ，以及我国提出的t d s c d m a 均被i t u 正式确定为第三代移动通信标准。第三代移动通信系统区别于第一代和第 二代移动通信系统，它能实现全球无缝漫游、具有支持高速多媒体业务的能力( 最高 速率达2m b s ) 。 我国从八十年代初开始建成模拟蜂窝移动通信系统，九十年代以来，第二代数字 式移动通信系统出现，我国嘉兴地区在1 9 9 2 年引入第二代数字式移动通信g s m 系 统，目前g s m 系统己经覆盖了全国绝大部分城市和农村地区。我国移动通信业已走 过了2 0 个年头，移动通信业继续保持着高速发展的态势：2 0 0 7 年，我国手机用户数 量已经超过5 亿，约占全球手机用户数的六分之一；t d s c d m a 的商用建设由中国 移动在奥运八城市的建网拉开了序幕。 1 2 手机天线的发展趋势及课题意义 近年来，移动通信终端设备手机成为了全球发展速度最快的通信产品，其强 劲的发展势头令其他电子消费产品难以望其项背。2 0 0 6 年全球手机的销量超过9 9 0 8 亿部，比2 0 0 5 年的8 1 6 6 亿部增加2 1 3 t 5 1 。在全球手机产业中发展最快的当属中国 的手机产业，从1 9 9 8 年开始到2 0 0 7 年，我国手机产业年增长率始终保持在5 0 以上， 远高于其他电子产品。2 0 0 7 年全球手机整机产量在1 l 亿部左右，而中国手机整机产 量占到了世界的4 0 4 5 。随着手机普及率的提高，手机因功能增加已由纯通讯产 品转型成为消费性电子产品，不少消费者购买手机的动机主要受其功能与设计造型所 吸引。但功能与造型设计的多样化，不能导致改变或降低无线通讯的效能。手机天线 研发设计便需在不同的外型要求下，仍然具备高效能、低辐射、低成本、小尺寸、适 合搭配等特性。此外，人们越来越注重手机的通话质量以及手机辐射可能对人体造成 的伤害，而天线是影响这两个方面的重要因素，因此很有必要对手机天线进行分析研 究。 研制小型乃至电小天线，以适应于现代技术，使天线能在很小的手持基面上工作， 而且还要使天线满足电性能指标，特别是带宽和效率指标，这也就对天线设计提出了 更高的要求。手机天线未来的发展趋势必将是内置化、多频化、宽频化和小型化【6 】 1 0 。 手机天线可以根据天线所处的位置分为外置天线和内置天线两大类【刀。早期受制 造工艺的影响只能采用外置天线，这种天线的优点是频带范围宽、接收信号比较稳定、 制造简单费用相对低，对手机的形状也不敏感：缺点是天线暴露于机体外容易损坏、 天线靠近人体时导致性能变坏、不易加诸如反射层和保护层等来减小天线对人体的辐 2 硕士论文内置多频宽带小型化手机天线的研究 射伤害等。随着制造工艺的改进以及外置天线所具有的无法克服的缺点，内置天线很 快被手机制造商所重视，它具有一些非常诱人的优点，比如可以做得非常小【8 】，不易 损坏对垂直和水平极化波都很敏感，更重要的是可以安装多个，很方便组阵，从而实 现手机天线的智能化，这一点对未来的移动通信系统来说非常有用。 随着制造工艺的不断改进，内置天线不仅已达到实用化，而且越来越被人看好。 最常用的几种内置天线为微带贴片天线，平面倒f 天线，单极天线，陶瓷天线。微带 贴片天线一】重量轻、尺寸小、低轮廓、便于共形，制作成本低，可以大批量生产，但 由于尺寸小所带来的频带窄、效率低、损耗较大、功率容量较小、介质基片对性能影 响大等，这些缺点也大大限制了他们的应用；平面倒f 天线的主要特点是带宽窄，高 度低( 6 - 8 r a m ) ；单极天线在同样的性能指标要求下可以比平面倒天线做的更小，形 式简单，制作容易，带宽宽；陶瓷天线可以做的很小，但制作困难，费用高，由于介 电常数高而使得天线增益并不高。 移动电话最初只能工作于单一频率。在欧洲和亚洲采用的通常是欧洲g s m 委员 会规定的9 0 0 m h z ( g s m 9 0 0 ) 或1 8 0 0 m h z ( d c s l 8 0 0 ) 两个频率中的一个。然而， 开发和制造同时支持两个频率的手机所带来的规模经济效益，以及漫游功能为网络运 营商带来的可观的利润，共同导致了可同时支持两个频率的双频g s m 手机的诞生。 由于在相当分散的美国移动电话市场上缺少统一的标准，1 9 0 0 m h z ( p c s l 9 0 0 ) 的 g s m 频率在美国的应用启动很慢。然而，随着运营商开始看到采用统一技术的全球 漫游能够带来巨大的利益，最近几年来美国进行了很大的努力使g s m 网络扩展并覆 盖整个美国。虽然许多新的移动电话仍采用双频方式，但三频手机将逐渐成为事实上 的g s m 标准，即单个手机可支持目前世界上使用的所有三种g s m 频率，这对于那 些频繁来往于洲际间的商务人士正是所需要的【8 】。 对于运营商而言，三频段网络的构筑，则彻底地缓解了g s m 9 0 0 所存在的频段 与容量的问题，使得网络进一步优化，热点地区的话务量高峰得到有效缓解，接通率 更高，从而使业务量大大提升。三频手机的出现，对于用户而言，感受无疑将是最深 的，同时又将是最实际的，因为使用三频手机，通过三频网络的漫游，掉话现象将大 大减少，打进打出将更加自由。三频手机可以使用户自由地在五大洲1 2 0 个国家进行 通信。 随着3 g 网络的正式推出，设计与现有技术和频率后向兼容的3 g 手机所带来的 更多挑战已迫在眉睫。更重要的是，除了与移动电话网络通信以外，未来的移动电话 还必须能够与许多其它设备和网络进行通信，而它们采用的技术包括蓝牙、 i e e e 8 0 2 1 l b ( w u 斟) 【1 4 】和g p s 等，这进一步对下一代通信设备( 包括p d a 、网络 产品、新型因特网家电和众多其它设备) 的天线设计提出了更多要求。 为了扩大系统容量或者是实现多模通信，实际的通信系统往往需要在多个频段上 3 l 绪论硕l j 论文 实现，在安装多个天线不合适的情况下，多频天线的使用就非常重要了。表1 2 1 是 常见的无线通信系统及其频段。常见的双频或多频系统包括：g s m d c s ，g s m p c s ， g s m d c s p c s ，g s m d c s p c s 刖m t s ，g s m d c s i s m 等。 因此，双频、多频天线成为近年来天线的研究热点【l l 】f 13 1 ，在这些研究中，除了 基础理论方面的讨论外，随着全球通信产业的高度发展而带来的应用研究则主要包含 了能工作于双频、多频带的天线设计以及能增加频宽的天线设计。能工作于双( 多) 频带的天线可以用为收发共用的天线，以处理同步进行接收与发射的两( 多) 个分离 频段的信号。 表1 2 1 常见无线通信系统及其工作频段 通信系统频段 g s m ：g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n8 8 0 - 9 6 0 m h z d c s ：d i g i t a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 1 7 l o 一1 8 8 0m h z p c s ：p e r s o n a lc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e s1 8 5 0 1 9 9 0 m h z u m t s ( 3 g ) u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m 1 9 2 0 2 1 7 0m h z i s m ：( 包括w i a n 、b l u e t o o t h )2 4 0 0 2 4 8 4 m h z g p s ：g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m1 5 7 5 4 2m h z 此外，为了实现大容量高速率的无线通信，系统所占的无线带宽都很宽。常规的 平面天线很多都是窄带的天线，不能满足目前通信系统的要求，例如，u m t s 的带宽 达到2 5 0 m h z ( 相对带宽为1 2 2 ) ，常规结构的微带天线是很难达到这个带宽的； 而且超宽带通信( u l t r a - w i d e b a n d ：u w b ) 的迅速发展也对天线的带宽设计提出了更高 的要求。为了适应目前无线通讯中越来越高的带宽要求，宽频带平面天线的设计一直 是天线设计中的热点和难点。 由于个人通信系统的发展，各种通信终端天线的需求持续增加。手机、蓝牙、无 线局域网等终端对天线的小型化和紧凑性有很高的要求，在这些应用中，小尺寸的天 线是十分必要的。高速发展的市场需要更小更便于携带的微型化手机。以手机重量为 例，1 9 8 4 年为8 5 0 克，1 9 9 1 年为2 0 0 克，现在约为1 0 0 克。体积也朝着微型化发展， 人们希望使用像手表，钢笔一样的袖珍手机。在这个大形势下，手机天线微型化势 在必行【15 1 。 日益缩小的手机天线外形尺寸对天线而言就代表着压缩了天线的高度和空间，而 一支效率良好的天线必须要有足够的高度和空间去拓展频宽和效率。虽然天线的设计 趋势是越来越小，但是天线本身的大小仍存在其物理限制，如果天线的体积在标准点 之下，随着体积的逐渐缩小，其接收效果也会同样越趋弱化。因此，天线的小型化设 计同样是当今手机天线研究的热点和难点。 本文正是立足于目前手机天线的发展趋势，针对当前手机天线研究的热点，综合 应用多种小型化、多频化及宽带技术，设计出四种适合于现代移动通信系统的平面内 硕士论文内置多频宽带小型化手机天线的研究 置小型化多频宽带手机天线。 1 3 本文的主要工作与内容安排 在本课题中，本人首先通过大量阅读近年来微带天线及手机天线方面的文献资 料，并且从中获得了不少的天线理论和设计方面的知识。这些工作，在本论文的前几 个章节有较详尽的阐述。随后，本人对有关的电磁仿真软件诸如h f s s ，i e 3 d 等进行 了细致的学习和实践。在进行手机天线设计的过程中，针对目前手机天线研究设计的 热点和趋势，设计出了的四个多频宽带的小型化手机内置天线，其中包括三个分别工 作在g s m d c s i s m 、g s m d c s p c s 及g s m d c s p c s w c d m a 系统的内置单极天 线，以及一个工作在w c d m a i s m 系统的内置p i f a 。 论文内容安排如下： 第一章：绪论。本章阐述了移动通信的发展概况：详细介绍了手机天线的发展趋 势及课题意义；介绍了本文的主要工作及本文大纲。 第二章：手机天线的基本理论。介绍了电小天线的基本理论及理论极限，以及电 小天线的固有缺陷及解决方法；介绍了单极天线分析方法和倒l 天线的阻抗与辐射特 性：介绍p i f a 的工作原理，最后对p i f a 的特性进行了分析。 第三章：手机天线的小型化、多频宽带技术的研究。详细讨论手机天线小型化、 多频带以及宽频带的各种方法，其中包括微带天线的多频带以及宽频带的各种方法。 第四章：手机内置单极天线的设计。结合手机天线的设计指标，设计了三种工作 在g s m d c s i s m 、g s m d c s p c s 及g s m d c s p c s w c d m a 系统的平面单极天线， 并且分析了天线参数和人体效应对天线性能的影响。对g s m d c s p c s 三频单极天线 进行了加工及测试。 第五章：手机内置p i f a 的设计。结合手机天线的设计指标，设计了一种工作在 w c d m a i s m 内置平面p i f a 。 第六章：总结与展望。总结了全文的工作，并提出了一些有待改进的地方。 5 2 手机天线的基本理论硕j ：论文 2 手机天线的基本理论 2 1 电小天线的研究 移动通信的发展推动了天线技术的发展，典型的例子就是小型天线的发展。民用 移动通信的快速增长，特别是个人移动通信终端的增加，要求研制小型移动设备和小 型辐射系统。 2 1 1 电小天线的定义及电指标 所谓电小天线是指在工作频带内，天线的最大几何尺寸远小于工作波长的天线。 根据h a 、h e e l 一1 6 】的定义，电小天线为能被半径为2 2 7 r ( 约为0 1 6 2 , ) 的球包围的天 线，即天线的最大尺寸满足： ，三 ( 2 1 ) 2 万 其中，是天线的最大尺寸，兄为空间波长。在球内的区域，天线主要是储能， 而在球外主要是辐射能。当然，这个定义也并不是绝对的，不同的作者根据研究要求 所给出的定义不同。手机天线的最大尺寸，约为4 0 m m 甚至更小，对于工作在g s m 9 0 0 的天线而言，其空间波长名为3 3 3 m m ，满足式( 2 1 ) 对电小天线的定义，因此，手机 内置天线基本上都是电小天线。 当天线的尺寸与工作波长相比很小的时候，其实质就是一个带有少量辐射的电感 器、电容器或者两者的组合。和集总参数元件不同的是，它具有一定的辐射，尽管辐 射能量非常小。电小天线的电指标主要通过：方向性、效率、增益系数、工作频带宽 度以及品质因数来表达。电流元和磁流元的方向图均为“8 字型，方向系数d 等于 1 5 ( 1 7 6 d b ) 。由于电小天线的尺寸很小，一般而言，其方向图就是电流元或磁流元 的方向图，方向系数d 约等于1 5 。 对一般天线而言，效率的定义为： 刁。：旦：上：土 ( 2 2 ) ” 兄p + 昱母+ r 式中是e 辐射功率，昱是损耗功率，吃是输入功率；耳为辐射电阻，也为损耗 电阻。对于一般天线而言，在损耗功率中主要考虑的是天线本身的铜损耗和介质损耗。 然而对于电小天线，馈线和匹配网络中的损耗是相当严重的问题，因此在考虑电小天 线的时候，同时应该考虑馈线和匹配网络的效率，即： 刁5 玑仇5 志2 熹 c 2 3 ) 其中，协为匹配电路的效率，罡和罡：分别为天线和匹配网络的损耗功率；而也。 硕士论文内置多频宽带小型化手机天线的研究 和r ：，分别是天线、馈线和匹配网络上的损耗电阻。 对于提高电小天线的增益，由增益系数公式我们知道应该提高方向系数和天线的 效率。从理论上讲方向系数并无上限，但是要提高方向系数，必然要牺牲效率，这是 一个矛盾。从增益上看电小天线属于低增益天线。 天线的工作带宽定义为天线在辐射方面的特性基本上满足设计中所规定要求的 频带宽度。对于电小天线而言，一般说当频率略有变化，其方向性、极化特性等变化 不大，主要变化的是输入阻抗。因此，电小天线的工作频带主要由输入阻抗特性来确 定。根据c h u t l 7 1 的定义，天线的q 值是指 d ：2 6 0 w “( 2 4 ) 只， 其中，w a v 是指储存在天线周围的驻波电场能量或磁场能量中的大者，p 吖是指天 线的时平损耗功率。 电小天线q 值问题的研究之所以如此重要，是因为对电小天线而言，其q 值一 般都比较高，而q 值的大小与天线的频带宽度直接相联系。根据文献【1 8 】的严格推导， 对大的q 值，带宽矽与品质因数q 的关系如式( 2 5 ) ，即天线的带宽矽与品质因数 q 成反比，q 值越低，频带越宽，而这正是现代天线设计所需要的。因此，如果己经 估算出天线的q 值，则可以确定天线的频带宽度，这可为电小天线的设计提供依据。 q 砉 c 2 剐 其中，厶为中心频率，鲈为工作带宽。 2 1 2 电小天线q 值和增益的理论极限 2 1 2 1 电小天线q 值的理论极限 电小天线的结构千姿百态，不同的外形结构和不同尺寸所得到的q 值完全不同。 为了能够对给定最大尺寸任意外形的天线q 值做出一般的低限评估，这就产生了有 关电小天线q 值问题的各种分析研究。 最早关于电小天线尺寸与辐射特性关系的研究可以追溯到四十年代中叶， w h e d 一1 6 1 最先提出了用集总分析的方法分析电小天线，并引入辐射功率因子( 等于天 线的电阻与电抗的比值) 的概念，用以描述天线的辐射。采用简单的集总等效电路， 他推导出辐射功率因子等效于天线带宽与效率的乘积。 c h u t l 7 】将w h e e l e r 的工作更加一般化了，他借助于一个包围天线源的虚拟球，通 过展开源在虚拟球表面产生的球t e 和t m 波模，推出了一个描述天线阻抗的等效电 路，见图2 1 2 1 ，其中k 为波数，a 为包围整个天线的最小球半径，c o 表示真空中的 光速。经过一系列计算，推导出一个包围虚拟球的理想天线q 值的理论表达式。当 2 手机天线的基本理论硕士论文 n = l 时，得到的是最低次t m 模或t e 模的等效电路，如图2 1 2 2 所示。 利用c h u 给出的公式，可以求出对于最低次t m 模或t e 模的品质因数，即q 值，这一q 值也就是电小天线的理论极限，其表达式为： q 2 面1 + 丽2 ( k a ) 2 ( 2 6 ) 式( 2 6 ) 的结果包含了展开计算中的一些近似因素，有作者【1 9 】在此后的研究中，推 出了对于这类线极化天线最小可能q 值更为严格的表达式，即 q 2 高+ 玄 q 7 ) 。( 妇1 3妇 当c a 1 时，式( 2 6 ) 和式( 2 7 ) 的结果是一致的，其q 值近似地与( k a ) 3 成反比， 这表明，天线相对于波长的尺寸越小，其品质因数越高，频带越窄，且天线性能随着 尺寸的减小而进一步恶化。 口口 ，z c 0 ( 2 n 一3 ) c o c 图2 i 2 1t m 。球面波的等效网络 c 2 图2 1 2 2 无限小偶极子 球面波的等效网络 其实，式( 2 7 ) 的结果完全可以通过c h u 给出的严格的等效电路来推导出这里给出 简单的推导。由图2 1 2 2 所示的一阶等效网络，在c i 和c 2 两点间的阻抗为 乙c 2 - - - - 而j a m 五 ( 2 8 ) 8 总的输入阻抗为z ：- j c o + 旦 6 1 0 ) c o + j a m 设v - 1 贝蔓j e 乜容c 。上的电压为 圪= 象= 再c o 而( c o + j a c o ) 电容c 0 存储的电抗能量为 形=瓦a孬二2(c虿02丽a20)2)= 瓦ai 丽l + ( i k a ) 丽2 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 硕士论文内置多频宽带小型化手机天线的研究 又单位电阻r = l 所消耗的功率为 尸= 掣= - 圪2 l - 石粕= 器 旺 根据q 值的定义： q = 2 缈堡p = 击+ 石1 ( 2 1 3 ) c h u 的理论是从模式分析法进行严格推导的，所得到的结论至今仍为电小天线经 典性依据。但也应该指出，c h u 的方法只能限制在球面波模，而且需要一些近似处理， 除少数简单结构的天线外，要由此得出某一具体电流分布和其它各项具体指标是极其 困难的。而且对于式( 2 1 3 ) 给出的q 低限值，除非所有电流元充满所包围的球形区域， 否则也是很难达到的。 在w h e e l e r 和c h u 的基础上，h a r r i n g t o n 2 0 】进一步将这种讨论延伸到同时存在t e 模和t m 模的情况，即研究了对于由电偶极子和环元相组合的一般天线。结果表明， 如果能够同时激励相等的t e 和t m 模式，则较之单独地激励t e 或t m 模式，可以 降低q 值，得到较宽的工作频带宽度。 c o l l i n 2 1 1 和f a n t e 【2 2 】针对电小天线的o 值问题进行了更为严格的理论计算，其方 法更具一般性。c o l l i n 的理论仅适用于t e 模或t m 模，而f a n t e 理论适用于既包含 t e 模又包含t m 模。这些理论的基本出发点是：在任意天线周围无限大空间中的电 场能量或磁场能量不能代表用于计算o 值的电抗能量，应通过减去与辐射部分相关 联的时平能量来分离出储存在天线周围的驻波电场能量和磁场能量，才可以用于计算 天线的q 值。 以上的各种理论都是从一般电磁理论严格推导出来的，具有相当的普遍性，但推 导过程复杂。m c l e a l l 【1 9 】采用了一种更加直截了当的方法，得到了与式( 2 1 3 ) 完全相同 的严格的电小天线q 值极限表达式。s t e n 2 3 】等在m c l e a n 的基础上又将o 值极限问题 进一步深入化，研究了电小天线置于有导电平面存在的情况，求出了比m c l e a n 更具 普遍性的q 极限值。 综上所述，低q 值的天线技术对天线的设计有着深刻的冲击作用，代表着天线 的宽频带和高效率，开展这方面的理论和实验研究受到了广泛的重视，是电小天线研 究的前端课题。 2 1 2 2 电小天线增益的理论极限 h a r r i n g t o n 2 0 1 求出了一个非常有用的公式，可用于估算电小天线增益的上界。 g = ( k a ) 2 + 2 k a ( 2 1 4 ) 式( 2 1 4 ) 用于对一般电小天线增益的估算是十分简单而有益的，但当天线非常小 时。这一上限值很难达到，这是由于当天线尺寸相对波长变得很小时，损耗激剧增加， 9 2 手机天线的幕本理论 硕l ：论文 效率大大降低。 由以上分析可看出，我们在设计天线时，在考虑天线带宽和增益极限的同时，也 要考虑两者的制约关系，因为他们的乘积是一定的【1 6 】，带宽的增加是以增益的牺牲为 代价的，反之亦然。 在理论上增益带宽乘积存在极限的情况下，我们只能尽量争取让天线的带宽增益 乘积趋近这个极限值，而不能超越它。 2 1 3 电小天线的固有缺陷及解决方法 由于天线是一种转换导波能量为辐射波能量的或相反过程的器件，而这种过程是 直接与工作的波长相关联的。由尺寸减小带来的天线性能的下降是显而易见的，电小 天线的固有缺陷及相应的解决方法如下。 ( 1 ) 工作频带窄及其解决方法 由式( 2 6 ) 和式( 2 7 ) 可知，天线的q 值与尺寸成反比，因而当天线的尺寸和 波长相比很小时，天线的q 值就会很大。由式( 2 5 ) 可知，电小天线的带宽与品质 因数q 成反比，q 值越大，频带越窄。也可以理解为天线的q 值很大，则天线储存 的能量比辐射出去的能量还多。这些没有辐射出去而储存的能量导致了天线的输入阻 抗主要为电抗。这又使得天线仅能在很窄的频带内得到匹配。因此电小天线的工作频 带比较窄，这就意味着工作频带宽度是在设计小天线中应当重视的问题。 对电小天线设计而言，要获得大的带宽，必须降低天线的q 值，由式( 2 7 ) 可 知，降低天线的q 值最有效的方法是增加天线的尺寸。在手机天线设计中，这一点 具有非常重要的含义，必须保证为手机天线预留足够的空间。在设计天线的结构时， 最容易犯的错误就是以为内置天线附近空间很大，可以放些马达、音腔、摄像头、金 属圈进去，因为那里有足够的空间，而手机板上其余部分空间已经不足。实际上，当 在电小天线附近放置具有金属材料等物体时，它不仅缩小了天线实际占用的空间，导 致极限带宽的下降；而且增大的损耗电阻，造成辐射效率的降低。这些情况在手机天 线设计中应尽量避免，或做慎重考虑。 ( 2 ) 辐射效率低及其解决方法 由于电小天线电尺寸很小，因此其辐射电阻尺，低，假定天线本身不存在损耗， 尽管其辐射电阻降低，总可以通过适当办法消除天线的输入电抗成分，并变换其电阻 为适当的数值使其与发射机或接收机匹配，从而有效完成能量转换功能。但遗憾的是， 不仅天线本身存在热损耗，而且馈线和匹配网络也会引入损耗。一般来说在提到天线 效率时并不考虑r ：，但当天线的辐射电阻r ，很低时，必须将心：计入，由式( 2 3 ) n - j 知，既使r ：很小也会导致天线效率刁的降低。因此对小天线来说，辐射效率低也是 其突出的问题。 l o 硕十论文内置多频宽带小型化手机天线的研究 由式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) 可知，提高天线的辐射效率主要包括增大辐射电阻足、减小天 线的损耗电阻r ，以及减小馈线和匹配网络上的损耗电阻j r ，。另外，为了保证功率有 效馈送到天线上，减少天线邻近物体及地面条件变化对天线的影响，保证匹配。 手机设计时降低匹配电路损耗电阻的措施有：尽量不使用匹配元件或使用低耗匹 配元件；尽量使r f 模块靠近天线馈电点，缩短馈线的长度；尽量使用p c b 阻抗线而 不要使用同轴电缆等。 在手机天线中，对天线性能影响最严重的环境因素就是扬声器、马达和金属装饰 环。扬声器不仅由于其中的旋磁物质改变辐射场结构，而且对接收频段是一种强烈的 噪声源。如果使用p i f a 内置天线形式，应尽量避免将扬声器、马达装在天线辐射单 元下方，绝对不允许将两个扬声器同时装入天线辐射单元和地面之间。金属装饰环不 能在天线的投影面上方，并且与天线的最小间距应大于6 m m 。 尽管电小天线有诸多的缺陷，但是在很多情况下，电小天线又是无线系统主要的 选择对象。比如，要求天线系统具有移动性和尽可能具有隐蔽性时，常常就要选择电 小天线。 ， 2 2 单极天线的理论分析 2 2 1 单极天线的基本原理 平面单极天线是移动通信终端中常用的一种天线形式，具有良好的阻抗特性和辐 射特性。单极线天线的研究历来有着深入的研究，基本上提供了整个线天线理论的框 架和细节。图2 2 1 1 是四分之一波长单极天线的典型结构。天线只有对称阵子的一 半，天线的另一半用地的镜像来代替。单极天线的分析可以借助于对称阵子的分析来 进行，在无限大导电平面上的单极天线产生的辐射场，可直接应用自由空间中对称阵 子的计算公式进行计算，即： l4 图2 2 1 1四分之一波长单极天线 日：塑c , o s ( f l h s i n a ) - e o s f l h ：0 雯( 1 - - c o s f i b ) f ( 口) 9 r s i n j i l c o s 口 ，s i n j l l 、 。 式中口为仰角，为相移常数，f ( a ) 为方向函数， ) l _ 、，l，l 2 手机天线的摹本理论 硕上论文 f 似) ：c o s ( f l hs i n o c ) - c o s f l h ( 2 1 6 ) 、7 ( 1 一c o s ) c o s 口 由f 位) 可知，水平平面的方向图是一个圆，全方向性的，垂直平面内的方向图 取决于单极天线的高度。 对于单极天线而言，有效高度表示了其辐射的强弱，因此有效高度是单极天线的 一个重要指标。假设天线上的电流为正弦分布，依据有效高度的定义， 吃= 拈加丢嚣 他 当h 五时，上式简化为： j 1 1 ：! t 锄丝垒 ( 2 1 8 ) p 22 这是必然的，因阵子很短时，电流近似三角形分布，故有效高度为实际高度的一 半。当h = 兄4 时，允= 2 h n 。 单极天线的高度较低时，输入阻抗呈现为阻容性，高容抗，低阻抗。若提高天线 的电高度，则辐射电阻增大，损耗电阻下降，输入容抗也降低。单极天线的电高度往 往低于四分之一波长，辐射电阻只有几个欧姆，为保证达到一定的辐射效率，在提高 辐射电阻的同时还应该设法降低损耗电阻。 研究表明矩形以及其他类似平面结构的单极子天线具有一定的宽带特性 5 8 】。另 外，当单极天线在形状发生改变，如成折叠型时，天线的输入阻抗和带宽能够得到提 高，但是其全向辐射特性不会改变。 2 2 2 倒l 单极型天线 为了适合现代移动通信携带方便的发展趋