（电磁场与微波技术专业论文）新型天线在emc测试和rfid标签中的设计.pdf

北京邮电大学硕士学位论文 舢1 l l i i l l l l l l l i i l 卅m l | 1 l l m y 17 5 8 0 4 2 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注 北京邮电大学硕士学位论文 新型天线在e m c 测试和r f id 标签中的设计 摘要 天线是无线通信系统中的重要组成部件，不同的系统对天线的需 求也不一样。本文主要针对移动终端e m c 测试和r f i d 射频识别系 统的实际需求展开研究。 随着电子科学技术和移动通信的发展，手机集成了越来越多的功 能模块，这些功能模块之间必然会产生电磁干扰信号，影响手机性能、 增加手机和基站的耗电量。基于这一现实问题，研发了一套高灵敏度、 便携型的移动终端电磁兼容测试系统。这套移动终端电磁兼容测试系 统最关键的组件就是超宽带检测天线。测试系统小型化、便携化、高 灵敏度的性能要求检测天线也具有体积小、重量轻、超宽带、全向辐 射特性的特点。 本文基于移动终端e m c 测试系统的需求，设计了新型超宽带平 面椭圆形偶极子天线，缩小的天线的尺寸，展宽了普通偶极子天线的 带宽，提高了天线的性能，使得这款超宽带平面椭圆形偶极子天线能 够检测到很小的电磁干扰小信号，提高了测试系统检测手机电磁干扰 小信号的测试性能。 r f i d 射频识别系统广泛应用于管理、识别物品的领域，物品和 材质的多样性，要求r f i d 系统中作为管理、识别物品载体的标签也 具备小型化、抗金属的性能。 本文基于r f i d 标签的设计需求，设计了新型的平面分形偶极子 标签天线和平面“z 形缝隙标签天线，分别实现了小型化、抗金属 的标签天线，很好地应用于r f i d 射频识别系统中。 关键词：超宽带偶极子天线标签天线电磁兼容测试r f i d t e s t i n gf o rm o b i l eh a n d s e t sa n dr f i ds y s t e m s a se l e c t r o n i cs c i e n c ea n dt h e d e v e l o p m e n t o ft h em o b i l e c o m m u n i c a t i o n , m o b i l eh a n d s e t sn o wi n t e g r a t e dm o r ea n dm o r e f u n c t i o n a lm o d u l e s b e t w e e nt h e s ee l e c t r o n i cm o d u l e s i tw i l li n e v i t a b l y p r o d u c ee l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，r e s u l t i n gi nh a n d s e t sp e r f o r m a n c e e s p e c i a l l yi nt h ei n c r e a s i n go ft h ep o w e rc o n s u m p t i o n b a s e do nt h i s p r a c t i c a lp r o b l e m ，i ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pas e to fh i 曲s e n s i t i v i t ya n d p o r t a b l ee m ct e s t i n gs y s t e mf o rm o b i l eh a n d s e t a t h em o s tc r i t i c a l c o m p o n e n to ft h ee m ct e s t i n gs y s t e mf o rm o b i l eh a n d s e t si st h eu w b d e t e c t i n ga n t e n n a a c c o r d i n g t o m i n i a t u r i z a t i o n ，p o r t a b i l i t y , h i g h s e n s i t i v i t yp e r f o r m a n c eo ft h ee m ct e s t i n gs y s t e m ，t h eu w r bd e t e c t i n g a n t e n n as h o u l dh a v et h ec h a r a c t e r i s t i cf e a t u r e so fs m a l ls i z e ，l i g h tw e i g h t ， u l t r a w i d e b a n da n do m n i d i r e c t i o n a lr a d i a t i o np a t t e m b a s e do nt h ed e m a n d so ft h ee m ct e s t i n g s y s t e mf o rm o b i l e h a n d s e t s ，t h i sp a p e rp r e s e n t san o v e lu l t r a - w i d e b a n dp l a n a re l l i p t i c a l d i p o l ea n t e n n a , w h i c hh a su l t r a - w i d e b a n df e a t u r e ，s i n a i ls i z ea n d o m n i - d i r e c t i o n a lr a d i a t i o np a t t e m t h i su l t r a w i d e b a n dp l a n a re l l i p t i c a l d i p o l ea n t e n n ac a nb ew e l la p p l i e di nt h ee m ct e s t i n gs y s t e mf o rm o b i l e h a n d s e t sa n dm a k et h es y s t e md e t e c t i n gt h em i n i m u m 12 7 d b m s i g n a l r f i d s y s t e m s a r en o w w i d e l y u s e di n m a n a g e m e n t a n d i d e n t i f i c a t i o no ft h eg o o d s a c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o n s ，t h er f i dt a g s s h o u l di nas m a l ls i z ea n dc o u l d b em o u n t e do nt h em e t a l l i cs u r f a c e h 北京邮电大学硕士学位论文 b a s e do nt h ed e m a n d so ft h er f i da p p l i c a t i o n s ，t h i sp a p e rp r e s e n t s n o v e lr f i dt a ga n t e n n a sw h i c ha l ep l a n a rf r a c t a ld i p o l ea n t e n n aa n d s h a p es l o ta n t e n n a t h ep l a n a rf r a c t a ld i p o l ea n t e n n ai sg o o df o r a t u r i z a t i o na n dt h es l o ta n t e n n ac o u l db em o u n t e d0 1 1t h em e t a l l i c s u r f a c e t h e ya r ea l lw e l la p p l i e df o rr f i da p p l i c a t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：u l t r a - w i d e b a n d ，d i p o l ea n t e n n a , t a ga n t e n n a , e m c m e a s u r e m e n t , r f i d i i i 北京邮电大学硕士学位论文 目录 第一章绪论l 1 1 移动终端e h c 测试系统研究背景1 1 2r fid 标签研究背景2 1 3 本文的主要工作安排。4 第二章天线的基本理论基础5 2 1天线概述5 2 2 基本振子的辐射7 2 2 1 电基本振子的辐射7 2 2 2 磁基本振子的辐射9 2 3 天线的基本参数l l 2 4 第三章 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 第四章 4 1 4 2 4 3 4 4 第五章 5 1 2 3 1 谐振频率l l 2 3 2 2 3 3 工作带宽ll 方向特性1 2 2 3 4 增益和效率1 3 2 3 5 阻抗特性、反射系数和驻波1 3 2 3 6 天线的极化1 4 本章小结1 4 超宽带天线的研究1 5 电磁兼容测试系统对天线的要求1 5 超宽带天线概述1 7 超宽带天线的类型18 3 3 1 平面单极天线1 8 3 3 2 微带超宽带天线1 9 3 3 3 缝隙超宽带天线1 9 偶极子天线的基本概念和宽带化的发展1 9 3 4 1 偶极子天线的概述1 9 3 4 2 偶极子天线宽带化的发展2 l 本章小结2 3 超宽带平面偶极子天线的设计和应用2 4 仿真软件a n s o f th f s s10 0 介绍2 4 超宽带平面偶极子天线的设计实现2 5 4 2 1超宽带平面偶极子天线的结构2 5 4 2 2 仿真和测试结果分析2 7 超宽带平面偶极子天线的应用分析3 l 4 3 1 在移动终端e 测试系统中的应用3 l 4 3 2 在移动终端e 眦测试系统中的近场测试分析3 7 4 3 3 在移动终端e h c 测试系统中的校准耦合分析4 0 本章小结4 4 盱id 标签天线的研究4 5 盱id 标签的发展现状4 5 5 1 1r f i d 标签种类4 5 5 1 2r fid 技术标准。4 5 5 1 3r f i d 标签芯片4 5 北京邮电大学硕士学位论文 5 2r f i d 标签天线的常见类型 4 7 5 2 1 线圈型标签天线4 7 5 2 2 偶极子型标签天线 5 2 3 微带贴片型标签天线 4 7 4 8 5 3p u rld 标签天线的小型化技术4 8 5 3 1 5 3 2 弯折线偶极子。 末端容性加载。 5 3 3 增加介电常数 5 3 4 开槽曲流技术。 5 4r f i d 标签天线的抗金属技术 4 8 5 4 1金属表面对标签天线的影响。 4 9 4 9 ! ；( 1 5 4 2 抗金属标签的结构形式5 i 5 5 本章小结 六章r f i d 标签天线的设计和应用5 3 6 1 平面分形偶极子标签天线的设计5 3 6 1 i 设计原理5 3 6 1 2 设计实例5 4 6 2 平面。z ”形缝隙抗金属标签天线的设计5 7 6 2 1 结构设计5 7 6 2 2 应用分析5 8 6 3 本章小结6 5 七章结论6 6 7 1 总结6 6 7 2 未来的工作6 7 参考文献一6 8 致谢7 ( 1 攻读学位期间发表的学术论文7 l v 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 近年来信息通信领域中，发展最快、应用最广的就是无线通信技术。无线通 信，就是利用电磁波信号在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方 式。在这种通信方式中起到传播电磁波信号的就是天线，它是无线通信系统中必 不可少的部分。由于各个无线通信系统中设备应用的频率波段不同，因此天线设 计也不同。本文基于移动终端电磁兼容测试系统和r f i d 射频识别系统的实际需 求，研究并设计实现应用于这两个不同通信系统的新型天线。 1 1 移动终端e m c 测试系统研究背景 如今，手机已经不再是奢侈品，逐渐成为主流的日常消费品。据统计，全球 人均手机占有率已经超过5 0 。中国是目前世界上手机生产规模最大的国家，也 是手机用户最多的国家，最新调查报告显示，截至2 0 0 9 年底，全国手机用户已 经达到7 4 亿，而且这个数目还在以惊人的速度持续增加。 传统的手机功能比较单一，仅具有语音通话功能，硬件结构简单。在无线通 信技术、电子科学技术和多媒体技术发展的推动下，手机集成的模块越来越多， 功能进一步扩大，具有照相、蓝牙、彩屏、音乐、导航等功能的手机逐渐占据了 市场的主导地位。集成化、多功能化、智能化已经成为手机未来的发展方向。 随着手机集成模块的增多，突然死机不得不重新开机的问题层出不穷，这是 由手机内集成模块之间的电磁兼容性( e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ，e m c ) 问 题引起的。各模块在同一空间同时工作时，总会在它的周围产生一定强度的电磁 场，这些电磁场通过一定的途径( 辐射、传导) 把能量耦合给其他模块，使其他 模块不能正常工作，同时这些模块也会从其他模块产生的电磁场中吸收能量，使 自己不能正常工作。事实上，这种电磁干扰现象不仅存在于各模块之间，同时也 存在于集成电路内部、电子元件与电子元件之间，甚至存在于手机与手机之间。 电磁干扰会提高手机射频信道噪声的幅度，降低各模块的兼容性，导致增大手机 和基站的能耗，增加不必要的经济支出，造成电磁环境污染。倘若一台手机一天 仅仅增加了0 0 1 元的能耗，那么7 4 亿手机用户天就额外增加了7 4 0 万元的支 出，这对社会经济造成了巨大的影响。 因此，研制一套高灵敏度、便携型的移动终端e m c 测试系统，准确地检测 手机中的电磁干扰小信号，是当下手机厂商的研究热点，也是研究难点。在移动 标签就会发出适当的响应，籍以识别时友军还是敌军。到了6 0 年代末期，基于 r f i d 技术的电子物品防盗( e a s ：e l e c t r o n i ca r t i c l es u r v e i l l a n c e ) 系统成功应用， 开启商用射频识别技术的大规模应用。之后，这一技术逐渐在多个领域广泛应用， 比如自动汽车识别( a v i ：a u t o m a t i cv e h i c l ei d e n t i f i c a t i o n ) 系统、车辆收费系统 ( e t c ：e l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o n ) 、电子门票、物流管理、身份识别等。 我国近年来对射频识别技术及其应用展开了大量的研究，先后实现高速公路 r f i d 不停车收费系统、射频识别公交卡、射频识别电子车票等。2 0 0 6 年，国家 科学技术部同国家发展改革委员会、商务部、信息产业部、交通部等十五个部委 共同出台了 中国射频识别技术政策白皮书，为我国的r f i d 产业发展提供了 系统性指南。2 0 0 7 年4 月底，信息产n k 部发布了关于发布8 0 0 9 0 0 m h z 频段射 2 北京邮电大学硕士学位论文 频识别( i 强i d ) 技术应用试行规定的通知，规定我国u h fr f i d 技术的试用 频率为8 4 0 - 8 4 5m h z 和9 2 0 - - 9 2 5m h z 。这些举措为我国r f i d 技术的研究和产 业应用指明了方向，奠定了良好的基础。 r f i d 系统主要由读写器( r e a d e r ) 、标签( t a g ) 和中间件( m i d d l ew a r e ) 组成，如图i - 1 所示。 标签巾问件 图1 1r f i d 系统组成 其中，读写器是进行信息收集的设备，包括天线、发射机、数据处理模块以 及数据接口等部分。标签是携带唯一识别码( u i d ，u n i q u ei d e n t i f i c a t i o n ) 并标 识不同物品的设备，由标签天线和标签芯片。中间件位于读写器后端，将读写器 送来的信息进行加工处理并提供给索取这些信息的人或者系统。 从r f i d 系统组成中可以看出，作为通信信号的传播载体，标签天线是r f i d 系统中的重要组成部分，其性能的好坏直接影响到r f i d 系统的整体性能。 r f i d 系统的带宽受限于标签天线的带宽，而标签天线的带宽又与自身的阻 抗特性有关。标签芯片内的前端电路由电阻、电容和二极管构成，所以其输入阻 抗并非常规的5 0 f 2 或7 5 q ，而是几十欧姆的电阻值和负几百欧姆的电抗值，为 了使天线和标签芯片达到最大能量的传输，实现复阻抗共轭匹配，是r f i d 标签 天线异于普通天线的设计要求。 r f i d 系统的读写距离受限于标签天线的增益，增益高，读写距离就远，因 此高增益是标签天线的重要要求。 同时，r f i d 电子标签粘贴在各种不同的物体上，这些物体根据其自身的物 质构成将显现出差异很大的特性，其中金属物体( 或表面) 对电子标签天线的影 响最为严重。因此，具备较好的抗金属影响能力的电子标签天线，将具备较好的 抗拒其他物质影响的能力，更能适应多样的r f i d 应用环境。 因此，设计一款高性能的r f i d 标签天线，有利于r f i d 系统整体性能的提 高，使其应用于更多的领域，实现产业规模化，扩大经济效益和社会效益。 3 北京邮电大学硕士学位论文 1 3 本文的主要工作安排 根据移动终端e m c 测试系统和r f i d 电子标签的实际应用需求，本论文设 计实现了新型的适用于e m c 测试系统的超宽带平面天线和适用于r f i d 射频识 别系统的标签天线，阐述分析了新型天线在各自工作环境下的应用。 本论文主要分为七个章节，具体内容如下： 第一章是绪论，介绍了移动终端e m c 测试系统和r f i d 电子标签的研究背 景及需求，说明了论文的结构。 第二章主要叙述了天线的基本理论知识和判断天线性能的重要参数。 第三章介绍移动终端e m c 测试系统对天线的要求，在这需求下阐述了超宽 带天线的基本要求和发展类型，研究了偶极子天线宽带化的发展过程。 第四章介绍天线设计的仿真软件环境，提出一款新颖的超宽带平面椭圆形偶 极子天线，分析天线的结构特点、具体实现，给出了详细的测试数据，进而分析 天线在移动终端e m c 测试系统中应用。 第五章介绍r f i d 标签的发展、r f i d 芯片的特点，着重分析研究r f i d 标签 天线的类型和设计的关键技术。 第六章详细阐述两款新型r f i d 标签天线的结构设计，分析标签天线在r f i d 射频识别系统中的应用。 第七章是结论部分，对本论文的主要内容做出概括性总结。 1 8 3 1 年，英国科学家法拉第发现电流可以产生磁场。1 8 6 5 年，英国科学家 麦克斯韦预言了电的任何波动可以在远处产生感应即电磁波的存在，并且电磁波 能够从产生的地方以光的速度辐射出去。1 8 8 7 年，德国物理学家赫兹采用终端 加载的偶极子作为发射天线、谐振方环作为接收天线，建立了第一个天线系统， 证明了电磁波的存在。1 9 0 1 年，马可尼开创了越洋通信，成为第一个在无线电 系统中使用天线的人。之后，天线技术飞速发展，广泛地应用于移动通信、广播- y 电视、雷达、导航、卫星、气象、遥感等领域。 显然，天线的作用首先在于辐射和接收无线电波。但是能辐射或接收电磁波 的东西不一定都能用来作为天线。任何高频电路，只要不被完全屏蔽，都可以向 周围空间或多或少地辐射电磁波，或从周围空间或多或少地接收电磁波。但是任 意一个高频电路并不一定都能用做天线，因为它的辐射或接收效率可能很低。要 能够有效地辐射或接收电磁波，天线在结构和形式上必须满足一定的要求。例如 像平行双导线传输线这样的封闭结构就不能用作天线，因为双导线传输线在周围 空间激发的电磁场很微弱。图2 - i 表示由平行双导线传输线演变为天线的过程。 终端开始的平行双导线传输线的线上电流呈现驻波分布，如图2 1 ( a ) 所示。在 两根互相平行的导线上，电流方向相反，线间距离d 远远小于波长，他们所激发 的电磁场在两线外部的大部分空间由于相位相反而互相抵消。如果将两线末端逐 渐张开，如图2 1 ( b ) 所示，辐射将会逐渐增强。当两线完全张开时，如图2 - l ( c ) 所示，张开的两臂上电流方向相同，它们在周围空间激发的电磁场只在一 定方向由于相位关系而互相抵消，在大部分方向则或者互相叠加，或者部分叠加、 部分抵消，使辐射显著增强。 天线辐射的是无线电波，接收的也无线电波，然而，发射机通过馈线送入天 线的并不是无线电波，接收天线也不能把无线电波直接经馈线送入接收机，其中 必须进行能量的转换。图2 - 2 是无线电通信时，从发射机到接收机信号通路的简 单方框图。在发射端，发射机产生的已调制的高频振荡电流( 能量) 经馈电设备 传输到发射天线( 馈电设备可随频率和形式的不同，直接传输电流波或导引电磁 图2 2 无线电通信系统中的信号通道 从上述过程可以看出，天线除了能有效地辐射或接收无线电波外，还能完成 高频电流或导波( 能量) 到同频率无线电波( 能量) 的转换，或者完成无线电波 ( 能量) 到同频率的高频电流或导波( 能量) 的转化。所以，天线还是一个能量 转换器。一个好的天线，就是一个好的能量转换器。 6 电基本振子又称电流元，它是指一段高频电流直导线，导线全长讲“名， 其半径a 名，线上电流处处等幅同相，用这样的电基本振子可以组成实际的复 杂天线。根据电流连续性原理，在电基本振子两端将同时积存大小相等、符号相 反的时变电荷，因此电基本振子又称电偶极子。如图2 3 ( a ) 所示，电基本振子 的中心在球坐标系的坐标原点，刃沿z 轴方向。利用矢量磁位么求电基本振子的 辐射场。 将体电流元转换成线电流元 d d v = e 础( 2 1 ) 彳= 譬降气= 巳一g o l d l p 啪 (22)44 刀毒， 2 n r 球坐标中 j = e , a ，+ a 一 彳，：a zc o s 口：l u o l d lp 一。附c 。s p 4 彳p ：一么：s i n 秒：一1 u o l d l 打s i np 4 1 0 以= 0 由电流所产生的矢量磁位，再通过式( 2 - 4 ) 得到式( 2 5 ) ， b = v a 疗：上v j 鳓 7 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 北京邮电大学硕士学位论文 根据麦克斯韦第一方程v 疗= ，垃相得到式( 2 - 6 ) 雷：l v 疗( 2 - 6 ) j c o s 将式( 2 3 ) 代入式( 2 - 4 ) 和式( 2 5 ) 得到电基本振子的电磁场为式( 2 7 ) 。 纠等再c o s t + 斟啪 纠箦再咖 研1 殄两1 ，毗式( 2 - 7 ) 可 擎 近似得到式( 2 1 0 ) 岛：，婴陋s i n 曲一步 叫瓦1 蔷8 1 眦。 日妒= j 瓦l d s i n 国一步 e r 0 h r = h 8 = e ，= 0 ( 2 1 0 ) 可见，远区场的性质与近区场完全不同。场强只有两个相位相同的分量( e o ， 虬) ，坡印廷矢量平均值为 = 1 2 r e 陋日】= 圭趾k 日；- ， ( 2 ) 有能量向外( ，方向) 辐射，所以电基本振子的远区场是辐射场。 2 2 2 磁基本振子的辐射 引入了磁流、磁荷后，麦克斯韦方程可以写成如下对称的形式： ， 北京邮电大学硕士学位论文 弧f l = 占o a - m e t + j a v m 一警一l r 6 = p v 雪= p u ( 2 1 2 ) 其中，瓦、p u 分别为磁流密度和磁荷密度。 根据线性媒质中的电磁场叠加定理，电流、电荷好磁流、磁荷共同产生的场 疗可以分解为当电流、电荷单独存在时产生的场色、f - i , 和当磁流、磁荷单 在时产生的场己、矾之和，即总场为： 辱2 冬+ 龟 ( 2 1 3 ) 、h = i - i , + h 。j 代入式( 2 1 2 ) ，得到式( 2 1 4 ) 、式( 2 1 5 ) ， v h 。= j + 歹嬲o e 。l 眠0 一御t ；( 2 “) v d 。= p i v 豆：0 j 比较式( 2 - 1 4 ) 和式( 2 - 1 5 ) ，发现这两个方程式对偶方程，对偶量是丘和 矾，见和一露，了和厶，p 和几，占和风。因此，根据电基本振子的辐射 场，按照对偶定理，可以得出磁偶极子的辐射场，如式( 2 1 6 ) 所示。 l o h 掣瓦吖掣t o “ = = = = 一以一l一以一以 北京邮电大学硕士学位论文 耻告压c o s + 斟呐 即- ，箦岳s m t + 万1 一斟啪 h 。= 0 e r | e e = 0 = - ，瓦i d ls ；n + 势爷 2 3 天线的基本参数 ( 2 1 6 ) 影响天线性能的参数有很多，主要是针对发射状态规定的，以衡量把高频电 流( 或导行波) 能量转变成空间波能量以及天线定向辐射的能力。天线的特性参 数主要反映其远区场的特性，包括方向特性、阻抗特性和极化特性。在天线设计 过程中，考虑最多的是谐振频率、阻抗、增益、辐射方向图、极化、效率和频宽 等。发射天线还有最大额定功率，而接收天线则有噪声抑制参数。 2 3 1 谐振频率 天线一般在某一频率谐振，并在此频率为中心的一段频带上有效，这个频率 就是天线的谐振频率。它与天线的电长度有关。电长度通常是指传输线物理长度 乘以自由空间中电磁波传输速度与在传输线中速度之比。天线的电长度通常由波 长来表示。 天线可以在与目标波长成分数关系的长度所对应的频率下谐振。有些天线有 多个谐振频率，另一些则在很宽的频带上相对有效。 2 3 2 工作带宽 天线的工作带宽是指天线的主要性能参数满足设计要求时的频率范围，有相 对带宽、带宽比、倍频程带宽三种不同的表示方法。 相对带宽表示为天线满足性能的频带范围内上限频率和下限频率之差与中 心频率之比，即 ( 2 1 7 ) 即 ( 2 1 8 ) 之比与 ( 2 1 9 ) 带天线 频带宽 与之对 输入阻 驻波系 天线的方向性是指在远区相同距离的条件下，天线的辐射特性与空间方向的 关系，通常用方向函数和方向图表示。由于方向函数是描写天线的辐射特性在空 间的相对分布情况的数学表示式，不能直观地反映天线的方向性，所以实际上大 多采用天线的方向图表示天线的方向特性。 天线的方向图是一个三维空间的分布图形，直观地描述电( 磁) 场在空间的 分布情况。通常用天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面内的方向图来表示 天线的方向性，即e 面和h 面方向图。e 面是平行于电场矢量的平面，h 面是 平行于磁场矢量的平面。描述天线方向图的参数有：主瓣宽度或称半功率波瓣宽 度、副瓣电平( 副瓣中的最大值与主瓣最大值之比) 、前后辐射比( 前向与后向 辐射场强之比) 等。辐射特性包括场强幅度、相位、功率密度及极化等， 1 2 北京邮电大学硕士学位论文 2 3 4 增益和效率 增益是指在相同的输入功率下，天线最大辐射方向的辐射场强度模值的平方 与参考无方向性点源天线的辐射场强度模值的平方之比，通常以g 表示，即 拈瞀纯棚) ( 2 - 2 0 ) 增益经常用分贝表示为 g 汹) = l o i g g ( 2 - 2 1 ) 方向系数是指在相同的辐射功率下，天线最大辐射方向的辐射场强度模值的 平方与参考无方向性点源天线的辐射场强度模值的平方之比，通常以d 表示，即 肚簪僻桐) ( 2 - 2 2 ) 天线的增益和方向系数是两个相似的物理量，他们之间关系为： g = d r ( 2 2 3 ) 其中，7 是天线的效率，反映了天线在能量转换上的效率，是度量天线转换 能量有效性的重要参数。它是天线的辐射功率与天线的输入功率之比，即 刁= 每 像2 4 ) 如果天线的效率小于1 ，表示天线的输入功率一部分转换为辐射功率，另一 部分变成了损耗功率。损耗功率包括天线系统中的导线损耗、介质损耗、网络损 耗，在天线周围物体和大地中的电磁感应引起的损耗等。通常，长中波天线的辐 射效率较低，超短波和微波天线的效率较高。 2 3 5 阻抗特性、反射系数和驻波 天线输入阻抗是天线馈电点处的电压与电流之比，通常它是一个复阻抗( 包 含实部的电阻分量和虚部的电抗分量) ，是频率的函数。输入阻抗值取决于天线 自身的结构、电尺寸、馈电的形式和外部环境等。 当天线的输入阻抗与所接的馈线的特性阻抗不相等时，在天线的输入端就会 有反射波的存在，影响天线能量转换的效率，因此天线的阻抗匹配对于天线的最 终性能很重要。通常用反射系数、电压驻波比等参数来描述阻抗匹配好坏程度。 反射系数是天线输入端入射电压和反射电压的比值，用r 表示。即 ， 北京邮电大学硕士学位论文 f =( 2 2 5 ) 其中z 船是天线的输入阻抗，z 0 是传输线的特性阻抗 工程实际运用中，通常用输入回波损耗墨表示反射系数，为招数值，即 s l = 2 0 1 9 f ( 2 2 6 ) 电压驻波比( v o r a g es t a n d i n gw a v er a t i o n ，v s w r ) 是波腹电压和波节电 的比值，其实是反射系数的另一种表达方式，即 w w d l + 1 1 1 坯豚2 端 l l r l 一般取s c h l ：s t a r t1 0 0 0 0 0l k a h z s l o p1 0 伪0 0g h z c 0 1 嚏c h ls 1 1c2 p o r t l c l 图4 - 1 3 肛l o 0 g h z 范围内检测天线不加负载的s l l 参数 毯f i l et r a c e c h a nr e s p o n s em a r k e r a n a l y s i s s t i m u l u s l 舾l i t yh e l p= 归j 列 t r a c e m a r k e r 5i1 0 5 8 9 5 0 0 0 0 0g h z 圈露嬲嘲 i n n j d * j 目i i “疆 5 哪1 ：b 4 91 5 0 0 0 0 h zb 3 1 0 3 d b 2 ： 9 9 1 f ) 9 0g h zb 5 2 9 1d b s l l 3 ：6 伪4 ( ) g h z9 1 0 9 s d b 啪d 蠢：7 9 0 2 1 0 0 0) h h zd 7 3 2d b 5 ：1 矗蛐) g h z1 l j n 7 d b r 5 2 1 a n 誓 s 1 2 1 咖 s 2 2 删 1 咖 、，- 一 口咖 11 a 厂、jf ，j 。 、fm 叭咐 州口2 i r e c e k e e m m v i c l 翳 勺咖 1 争j|j _ 咖 - 5 叫 l ( ： ：s t a n1 0 脚m h z 一跏p1 0 0 0 0 0g i - i | z 鲫tc hls t lc2-r时lol 图4 1 4o l o 0 g h z 范h 爿内手机打开摄像头靠近检测天线时的s l l 参数 北京邮电大学硕士学位论文 施r l et r a c e c h a nr e s p o n s e m a r k e r a n a l y s i s s u m u l u s u 6 咐h e l p 一 创型 t r a c e1 m a r k e r51 9 3 9 3 5 0 0 0 0 0 0 0m h z 目曩辫黪嘲 舯1 ：8 4 9 1 6 0 0 0) m h z0 1 o 。广i 23 0) g h z仃暑1 9d 8 3 = 3 d 0 ( ) 0 0) g h z 1 7 嚣1 9d 8 柚舯 4 ：7 9 9 2 1 0 0 0 m h z7 矗4 7 6d b ) 5 ：g 3 5 0 0 0 h z 1 3 2 2 b d b t 肇r 一| 攫i 舯 a 加o笏m 妇s r r _ i i 1 咖 錾i i t o 棚_ ? h a t e r r - 、， 、- 产 一加d 彰 i f r 一 、 n 广 、 ；m 撖争r 棚舯 一 ， f u v v ih a r k e r t a l ：f l e | 习咖 ， 沂| ；： ；：巍蜘 - 咖 ， 锄； 5 0 加 f a v o d t 甚 i c h l ：s t a r t1 0 0 0 0 0m h z s t o p3 0 0 0 0 0g h z c o n t c h ：s 1 1口2 - p o r tl c l 图4 - 1 3 肛3 0 g h z 范围内，手机不加负载的s 1 l 参数 激r l et r a c e c h a nr e s p o n s em a r k e r a n a l y s i ss t i m u l u s 恤脚h e l p一 睁 x | t r a c e 1 r 51 9 3 9 3 5 0 咖咖m h z 目e 麓l 斓i 1 ：目鹎1 8 。a o) h z口0 9 9 0d b 2 ：3 d ( i f x ) ( ) g h z1 6 - 5 1 7d b 。h a t e r 4 广j 3 ： 3 d 0 0) g h z 6 5 1 7d b 4 0 4 ：7 9 9 2 l o) m h 22 0 2 9 0d b s ： * 埯0 5 ) h h z1 4 d 9 7d b 。* s 广| 舯 2 咖 ! m a , 蓐r | ：r ”| 1 咖 荔h a k | n7r - | 伽- 。，h a l - i j 5 - 8 r - | 、， 、一 、，。， 矿 1 0 h a r m 拿r 、 o一a厂一 、 p ；7 、 1 2 哪 v ：焉h a k e r 孵t a b l e | z 。 y ? io f fi 3 d 肿 - 4 0 0 0萎等j | - , 5 0 肿 事 c h l ：s t a r t1 0 0 0 0 0m h z s t o p3 d 嘲g h z c o n tc h1 。s 1 1口2 - p o dl c l 图4 1 60 - 3 o g h z 范围内手机打开摄像头靠近检测天线时的s l l 参数 北京邮电大学硕士学位论文 4 3 3 在移动终端e m o 测试系统中的校准耦合分析 从上述移动终端e m c 测试系统的测试数据可以看出，这套测试系统具有高 灵敏度的检测性能。在测试系统刚刚搭建完成时，为了确保系统能够正常工作， 尤其是超宽带平面椭圆形偶极子天线能够在测试系统中正常工作、检测信号，测 试系统在屏蔽室用矢量网络分析仪a g i l e n te 8 3 6 3 b 做了一次校准测试。 搭建的校准测试系统包括g 校准小天线、超宽带平面椭圆形偶极子检测天线 ( 以下简称接收天线) 、屏蔽箱、测试用射频线。校准测试系统连接如图4 - 1 7 ( a ) 所示。在箱体内，如图4 1 7 ( b ) 所示，屏蔽箱内基本采用平面吸波材料， 中部测试区域除底部仍采用平面吸波材料，其它方向采用尖锥形吸波材料。标准 小天线和接收天线在箱体内的相对位置如图4 1 7 ( c ) ( d ) 所示，标准小天线架 在泡沫塑料上置于屏蔽箱内，通过测试用射频线a 连接到矢量网络分析仪。 ( a ) 校准测试系统( b ) 箱体内吸波材料图示 c o ) 箱体内接收天线和标准小天线位置 ( d ) 标准小天线放在泡沫支架上 网4 1 7 校准测试系统 北京邮电大学硕士学位论文 从校准测试系统的架构分析，这套校准测试系统的链路损耗厶与测试用射 频连接线的损耗t 以及两个天线之间的耦合损耗l 有关，它们之间的关系是 l，畜l。+l。(4-1) 其中，测试用射频连接线的损耗三。