（电路与系统专业论文）用于移动终端的新型天线技术研究.pdf

摘要 摘要 本文主要针对移动终端天线进行研究。近年来，随着无线通讯技术的迅速发 展和无限通讯网络的普及，对移动终端( 如笔记本，手机) 天线的小型化和多频 段特性的要求也日益凸出。如何针对特定工作环境，设计出同时具有多频段小型 化以及宽频带的移动终端内置天线是当前天线设计的热点。缝隙天线、倒l 天线 ( i l a ) 、倒f 天线( i f a ) 和平面倒f 天线( p i f a ) 正被广泛应用到各种移动终端 设备中。缝隙天线具有共形特性。缝隙天线可同时采用微带背后馈电和同轴电缆 跨接的方式馈电，其中同轴线内导体与外导体分别焊接到缝隙两侧，保证了设计的 多样性；倒l 天线( i l a ) 和倒f 天线( i f a ) 则有小型化，易实现多频段等优点； 平面倒f 天线( p i f a ) 设计理论已经越来越成熟。 本文主要工作可归纳为以下几点： 1 简要介绍了无线通讯网络和移动通讯发展概况，以及平面倒f 天线( p i f a ) 缝隙天线、倒l 天线( i l a ) 和倒f 天线( i f a ) 的最新研究进展。 2 简要介绍了天线的性能指标，如方向性系数和辐射效率等。 3 简要介绍了用于天线分析的数值方法，即有限时域差分法、矩量法和有限 元方法。 4 介绍了倒l 天线( i l a ) 、倒f 天线( i f a ) 和缝隙天线的基本结构和原理。 5 我们设计了六种工作于笔记本电脑的小型化多频段天线。针对超薄笔记本 电脑，我们设计并给出了三个分别工作在b l u e t o o t h w i 凇x w l a n 、 b l u e t o o t h w l a n 、g s m p c s u m t s 的内置倒f 天线，并利用三维电磁仿真软件c s t 对以上结构进行了仿真研究；针对金属外壳的笔记本电脑，我们设计并给出了微 带馈电的工作在b l u e t o o t h w l & n 的缝隙天线和同轴电缆跨接馈电的同样工作在 b l u e t o o t h w l a n 的缝隙天线，给出了仿真和实测结果，并同时对跨接馈电缝隙天 线进行了进一步小型化研究。 关键词：倒l 天线，倒f 天线，缝隙天线，小型化，多通带 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i st h e s i sm a i n l yf o c u s e so nt h ed e s i g no fa n t e n n af o rp o r t a b l ed e v i c e s i nr e c e n t y 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 nt e c h n o l o g i e s a n d 而d e s p r e a d i n go fw i r e l e s sc o m m u n i e a t i o nn e t w o r k s ，t h ed e m a n df o ra n t e n n a s u s e di n p o r t a b l ed e v i c e s ( p o r t a b l ec o m p u t e r , m o b i l ep h o n e ) 晰t hm i n i m l z a t i o na n dm u l t i b a n d h a sb e e ne x t r e m e l ys t r o n g h o wt od e s i g nm i n i m i z e da n dm u l t i b a n di n t e m a la n t e n n a s w h i e l aw o r ki nc e r t a i nc i r c u m s t a n c e si sah o tt o p i cn o w a d a y s s l o ta n t e n n a s ，i n v e r t e dl a n t e n n a s ，i n v e r t e dfa n t e n n a sa n dp l a n a ri n v e r t e dfa n t e n n a sh a v eb e e nw i d e l yu s e di n v a r i o u sp o r t a b l ed e v i c e s s l o ta n t e n n ai sc o n f o r m a l t h i sk i n do fa n t e n n ac o u l db ef e d b ym i c r o s t r i po nt h eb a c ka n dc o a x i a lc a b l ew i t hi t sc e n t r a lc o n d u c t o ra n do u t e r c o n d u c t o rc o n n e c t e dt ob o t hs i d e so ft h es l o t ，w h i c hp r o v i d ed i v e r s i t i e sf o ra n t e n n a d e s i g n s i n v e r t e dl a n t e n n aa n di n v e r t e dfa n t e n n ah a v et h em e r i t so fm i n i m i z a t i o na n d m u l t i b a n d ，w h i l et h ed e s i g nt h e o r yf o rp l a n a ri n v e r t e dfa n t e n n ah a sb e e ng r e a t l y i m p r o v e d 1 1 1 ew o r kf o rt h i st h e s i sc o u l db es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 w 7 i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sa n dd e v e l o p m e n tf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n h a v eb e e ni n t r o d u c e db r i e f l y r e c e n tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f 凡凡球s l o t a n t e n n aa n dp i f aa r cp r e s e n t e d 2 皿1 ep e r f o r m a n c ei n d e x e sf o ra n t e n n ah a v eb e e np r e s e n t e db r i e f l y , s u c h 瑟 d i v e r s i t ya n dr a d i a t i o ne f f i c i e n c y 3 1 h eh u m e r i c a lm e t h o d sf o ra n t e n n aa n a l y s i sa r ei n t r o d u c e d ，i - e f d l d ，m o m a n d 删 4 1 h eb a s i cs t r u c t u r e sa n do p e r a t i o np r i n c i p l e sf o r ai f aa n ds l o ta n t e n n ah a v e b e e ni n t r o d u c e d 5 s i xm i n i m i z e da n dm u l d b a n da n t e n n a sh a v eb e e nd e s i g n e df o rp o r t a b l e c o m p u t e r s f o rt h eu l t r a - t h i np o r t a b l ec o m p u t e r s ，t h r e ei n t e r n a li n v e r t e dfa n t e n n a s ( b l u e t o o t h 侧m a x ，、l a n ，b l u e t o o t h w l a na n dg s m e c s m m s ) h a v eb e e n p r o p o s e d 1 1 l es o t t w a r ec s t i su s e dt os i m u l a t ea n di n v e s t i g a t et h et h r e ea n t e n n a s f o r t h ep o r t a b l ec o m p u t e r sw i mm e t a lc o v e l t 8 ，0 1 1 es l o ta n t e n n a ( b l u e t o o t t a w l a n ) f e db y n a b s l r a c i m i c r o s t r i po nt h eb a c ka n da n o t h e rs l o ta n t e n n a ( b l u e t o o t t g w l a n ) f e db yc o a x i a lc a b l e a l ep r o p o s e d s i m u l a t e da n dm e a s u r e dr e s u l t sf o rb o t hs l o ta n t e n n a sa l ep r e s e n t e d m e a n w h i l e ，a ni n v e s t i g a t i o na b o u tf u r t h e rm i n i m i z a t i o no nt h es l o t 、a n t e n n af e db y c o a x i a lc a b l eh a sb e e nm a d e k e y w o r d s ： i n v e r t e dla n t e n n a ,i n v e r t e dfa n t e n n a ,s l o ta n t e n n a ,m i n i m i z a t i o n , m u l t i b a n d m 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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 为获得电子科技大学或其它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 确的说明并表示谢意。 签名：盘益叠日期：2 d f o 年s 月了7 日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：叠蕴至：导师签名：至竺墨垒宽 日期：2 olo 年岁月弓j 日 第一章绪论 第一章绪论 随着i t 科技的发展，和人民生活水平的提高，手机笔记本电脑个人掌上电脑 等电子产品越发普及，成为人们生活中不可缺乏的一部分。随着我国对无线局域 网络的加速建设和移动通讯的发展，各种个人移动设备的天线设计也成为了必需， 其中对于天线的小型化和多频段特性要求尤胜。缝隙天线因其良好的共形特性备 受关注，但在多频段的设计和带宽拓展方面仍需突破。平面倒f 天线因其良好的 小型化和多频段设计特性，直被广泛应用到移动终端通讯设备的设计中。 1 1无线通讯网络 笔记本电脑、掌上电脑和现在具有上网功能的手机等看通过无线通讯网络接 入互联网或者局域网。无线网络是相对于有线网络而言的。与有线网络相比，它 有着如下的优点： 1 不用布线。在现在的公司办公室或者学校的教研室，电脑网络的布线始终 是一项繁琐的任务，同时在建筑内走线布线也会影响室内的美观。无线网络很好 的解决了这个问题。 2 成本较低。与有线网络相比，无线局域网络无需电缆，通过无线传输将电 脑等终端设备连接起来，既方便，同时也节约成本。 3 良好的移动性。有线局域网络通过电缆访问局域网或者互联网，而公司员 工或者科研工作者也相应的被压缩了活动空间。在无线局域网络中，通过无线终 端设备，如笔记本电脑和个人掌上电脑，人们可以很方便的实现移动办公。 4 较强的扩充性。有线网络的可扩充性较弱。当我们要增加新的用户的时候， 当原来的中转设备，如路由器端口不够用时，此时便不得不重新布置线缆，变得 繁琐。相比之下，在无线网络中，只需增加适配卡就可以解决。当网络出现瓶颈 时，只需增加接入点实现扩充。 更广泛的用途。有线网络因为其自身的局限性，只能局限于室内有限的空间。 与之相比，无线局域网络既可以应用于室内，也可以应用到室外。如我校正在着 力打造的校园无线网络，让同学们在学校的任何一个角落都可以轻松连接到互联 网。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 移动通讯发展概况 手机和掌上电脑等移动终端设备主要应用在移动通讯系统中。以下我们简要 介绍移动通讯的发展概况。 随着现代通讯技术的不断成熟和进步，移动通讯业务正以前所未有的速度迅 猛发展。移动通讯自上世纪二十年代以来，至今已经大致经历了如下发展阶段： 第一阶段自上世纪二十年代中期开始，直到四十年代，为移动通讯技术的早 期萌芽阶段。在这段时间内，人们先后进行了一系列具有探索性质的传播特性试 验，并且在几个频段上建立了一些相对比较简单的移动通讯系统，如早期应用于 美国警务系统的移动通讯系统。一直到上世纪四十年代，通讯系统工作频率才得 到提高。但是该阶段的通讯设备既庞大笨重也极其耗电耗能，因为使用的频段较 低，其使用的天线尺寸也相对较大。该阶段所使用的通讯系统的特点为专用性较 强，未得到普及，且工作频率较低。 第二阶段自四十年代中期开始，直到上世纪六十年代初期，此时移动通讯得 到了初步的发展。移动通讯业务也开始逐渐转向民用。此阶段移动通讯的特点是 正逐步从政府专用或军用转向民用，但是其转接方式依然采用人工，通讯网络的 容量相对较小。 第三阶段自六十年代中期开始，直到上世纪七十年代中期，此时移动通讯系 统得到了进一步的改进，并且逐渐完善。在该阶段移动通讯系统的特点为用于民 用的通讯业务正不断增长，公用移动通讯规模不断扩大，并且移动通讯网络采用 分区制，网络容量较之以往明显增加，使用的频段增多，各个频道之间的间隔不 断缩小，人工接续方式被淘汰，整个通讯系统实现了频段的自动选取以及自动接 续，并且便携式移动终端设备也已经出现。 第四阶段自七十年代中期开始，直到上世纪八十年代中期，在这个历史时期， 移动通讯技术获得了长足进步和迅猛发展。在过去几十年，移动通讯业务不断发 展，移动通讯用户数量不断增长，与此同时，频率资源则极其有限。针对这一状 况，美国贝尔实验室提出了小区制的概念，实现了频带的复用，从而使移动通讯 系统的容量获得极大提高。基于小区制的概念，贝尔实验室研发的移动通讯系统、 加拿大的移动通讯系统、日本的汽车通讯系统、英国的全地址通讯系统以及北欧 国家的移动通讯系统相继投入实际使用。 第五阶段自八十年代中期开始，直到上世纪九十年代中期，在这一历史时期， 诞生了数字通讯系统，同时移动通讯技术也日益成熟。传统的模拟通讯系统虽然 2 第一章绪论 广泛应用，并且满足了市场需求，但同时也显示出其弊端。例如，无法有效利用 各个频段，移动通讯设备较复杂，维护费用昂贵，但最重要的问题是随着移动通 讯业务的不断增长，用户的不断增加，传统模拟通讯系统的容量难以满足日益增 长的需求。随后研发的数字移动通讯系统则很好地解决了以上问题。数字移动通 讯系统已经在世界范围内获得了广泛的应用，现如今数字移动通讯系统已经拥有 最多的移动通讯用户。g s m ，日本的p d c 以及美国的c d m a 等数字移动通讯系统， 为典型的第二代蜂窝移动通讯系统。 第六阶段即为本世纪初，在这一时期，第三代移动通讯系统也开始逐步产生 和发展。随着互联网、多媒体通讯以及信息高速公路的普及和广泛应用，移动通 讯系统也必须更新以适应较高速率的数据通讯。国际电联已经推出新一代移动通 讯标准，即第三代移动通讯标准。我国的t d - s c d m a 、美国的c d m a 2 0 0 0 以及欧洲的 h d m a 均为典型的第三代移动通讯标准。该移动通信系统的特点在于较高的数据 处理速率，并且可实现全球漫游。 无线通讯系统主要工作在如下几种频段： 1 g s m ( 全球手机通讯系统) ，工作频段为8 8 0 9 6 0m h z 。 2 d c s ( 数字通讯系统) ，工作频段为1 7 1 0 1 8 8 0m h z 。 3 p c s ( 个人通讯服务系统) ，工作频段为1 8 8 0 一1 9 0 0 脚z 。 4 u m t s ( 全球移动通讯系统) ，工作频段为1 9 2 0 - - 2 1 7 0m h z 。 5 w i b r o ( 无线宽带接入服务) ，工作频段为2 3 0 0 一2 3 9 0m h z 。 6 b l u e t o o t h ( 蓝牙) ，工作频段为2 4 0 0 - - 2 4 8 4 g h z 。 7 s d m - b ( 数字卫星多媒体广播) ，工作频段为2 6 0 5 2 6 9 0 姗z 。 8 w i 姒x ( 全球微波互联接口) ，工作频段为3 4 0 0 - - 3 6 0 0m l l z 。 9 w l a n ( 无线局域网络) ，工作频段为5 1 5 0 - - 5 3 5 0 心z ，5 7 2 5 - - 5 8 7 5m h z 。 各种手机或者笔记本天线都被要求工作在其中一个或多个频段。 1 3plf a 天线的研究现状 文献 1 给出了一个电容加载的平面倒f 手机天线，该天线工作在1 8 g h z ，工 作带宽为1 7 8 m h z ，通过电容加载的方式将p i f a 的谐振长度从四分之一的波长减小 到小于八分之一的波长长度，有效地减小了天线长度。文献 2 中给出了一个工作 频段为9 0 0 和1 9 0 0 m h z 的双通带手机天线。通过使用h i l b e r t 结构，该天线与普 通平面倒f 天线相比，体积减小了5 0 。该天线可以方便的应用在手机塑料外壳 3 电子科技大学硕士学位论文 的内表面。文献 3 中给出了新型的多频段平面倒f 天线，该天线设计中综合了各 种多频段和宽频带天线设计技术。该天线包含一个四分之一波长的驱动贴片，该 贴片与馈电端直接相连，并通过该贴片对主辐射贴片耦合馈电。在主辐射贴片上 开有四个缝隙，用以实现天线的多频段特性。文献 4 1 给出了一个放置在p c m c i a ( 个人笔记本电脑网卡) 上的工作在u l a n 频段的平面倒f 天线。该天线由两个 短路面相对的p i f a 组成，且体积较小。文献 5 给出了一个可重构的电小平面倒f 天线，该天线同样是通过电容式加载，并成功地将可重构天线应用n d , 型的无线 通讯设备中去。文献 6 对p i f 天线结构中地板对天线性能的影响进行了分析。 文中给出了地板大小对天线辐射频率、带宽、增益和辐射方向图的影响。该分析 对于设计p i f a 要求较小地板时具有很好的参考价值。 7 j 给出了一种用于笔记本 电脑的并且工作在w l a n 频段的小型平面倒f 天线。该天线由一个梯形馈电贴片和 两个工作在不同频段的谐振单元组成。文献 8 中给出了一个用于手机的双通带平 面倒f 天线，为了减少天线的尺寸，天线的辐射单元采用折线形。该天线通过在 辐射贴片上开槽获得，并将原始贴片天线与折线形天线进行了对比。 1 4 缝隙天线的研究现状 本小结给出了缝隙天线在移动终端设备中的研究和应用现状。 文献 9 给出了一个应用在翻盖手机的双频带折叠型单极子缝隙天线，该天线 的工作频带覆盖了1 j b y a n 中的五个频段，g s m 8 5 0 9 0 0 1 8 0 0 1 9 0 0 u m r i s 。该天线长 度为6 0 咖，可以很方便地印制在翻盖手机的转轴处。文献 1 0 介绍了用于工作频 段为3 - s g h z 移动设备的四分之一波长超宽带缝隙天线。该天线对于地板尺寸大小 的变化不敏感，同时我们可以通过调整缝隙大小和背馈微带线的长度来改变其工 作频段。文献 1 1 给出一个新型的内置手机天线。该天线由两个印制单极子缝隙 组成，缝隙位于手机系统地板边缘。该天线工作在两个中心频率分别为9 0 0 和 2 1 0 0 m h z 的较宽的频段，同时具有较小的面积。文献 1 2 给出一个可以应用在超薄 笔记本电脑的多频段印制单极子缝隙天线。该天线由三个工作在各种四分之一波 长模式的单极子缝隙组成，并由一个阶梯状的微带线对其进行背馈。该天线工作 频段可覆盖v f r w a n 的五个有效频段，并拥有较小的面积。文献 1 3 介绍了一个三维 环形缝隙天线，该天线具有小型化和频带宽的特点，并工作在1 6 4 4 2 4g h z 和 4 5 5 6 2 1g h z 两个频段。文献 1 4 介绍了一个可用于无线通讯的五边形缝隙天 线。该天线由微带线从背面对其馈电同时实现了较宽的频段，工作频段为2 6 5 4 第一章绪论 1 1 3 0g h z ，阻抗带宽为1 2 4 。文献 1 5 介绍了超宽带的多边形缝隙天线，通过 使用一条寄生微带和寄生缝隙，可在工作频段中制造一个良好的阻带。该天线所 占平面面积较小同时具有辐射全向性，可用于各种终端移动设备。文献 1 6 介绍 了一个共面波导馈电的平面缝隙天线，同时使用t 形电路对其馈电端进行耦合， 使其同时工作在o 8 8 一o 9 6g h z 和1 7 l 1 8 8g h z 两个频段。 1 5 倒l 天线( il a ) 和倒f 天线( if a ) 的研究现状 本小节介绍了倒l 和倒f 天线在移动终端设备中的研究和应用现状。 文献 1 7 介绍了一种馈电可转换的倒f 天线，一个双引脚的二极管被用来实 现天线两种工作状态间的转换。该天线的工作频段包括8 2 4 - - 8 9 4m h z ，8 9 0 - - 9 6 0 m t l z ，1 7 1 0 - - 1 8 8 0 删z ，1 8 5 0 一1 9 9 0 瑚z 。文献 1 8 介绍了一种用于蓝牙或无线局 域网络的内置倒f 天线。该天线印制在个人掌上电脑画笔支架的内侧，在频段 2 4 - 2 4 8 5g h z 电压驻波比小于2 ：l 。文献 1 9 研究和设计了一个印制在p c m c i a 卡上的倒f 天线。该天线具有体积小、易于加工、高效率和全向性等特点，工作 带宽2 5 0m h z 。文献 2 0 研究了工作在5 2g h z 的双印制倒f 天线系统，分析了二 者分离和结合的工作机制。同时文章研究了天线的位置摆放和地板对天线性能的 影响。文献 2 1 给出了一个平面印制倒f 天线，该天线可用于笔记本电脑内，同 时工作在w i f i 和w i m a x 频段。该类型天线紧贴笔记本电脑外壳，文章对其进行 各种仿真研究。文献 2 2 介绍了一种宽频带的印制倒f 天线，该天线结构简单同 时宽度较窄，可作为笔记本电脑的内置天线，工作频段覆盖了w i - f i 和w i m a x 频 段。 1 6 论文的主要工作和内容安排 从以上论述可知，随着无线通讯网络的不断普及，移动终端天线也将得到越 来越广泛的应用。在工程设计中，移动终端天线的小型化和多频段特性具有很大 的实际意义。本文的设计过程大致如下，根据具体的天线工作环境，首先进行天 线类型的选择，其次设计了工作在该工作环境中的天线，最后通过调整天线结构， 使其覆盖相应频带，同时满足小型化和多频段的特性要求。 论文内容如下安排： 第一章作为绪论，简要介绍了无线通讯网络和移动通讯的发展概况，介绍了 5 电子科技大学硕士学位论文 平面倒f 天线、倒l 和倒f 天线和缝隙天线的研究现状。 第二章介绍了倒l 天线、倒f 天线和缝隙天线的基本理论和分析方法。 第三章简要介绍了天线的性能指标，如方向性系数和辐射效率等。 第四章简要介绍了用于天线分析的数值方法，有限时域差分法、矩量法和有 限元方法。 第五章设计了应用于超薄笔记本电脑的倒f 天线，给出了三个具体天线结构 形式，其中一个为三频带天线，另两个为双频带天线，并对其进行仿真研究。 第六章设计了应用于金属外壳笔记本电脑的缝隙天线，给出了微带背面馈电 和同轴电缆跨接馈电两种具体天线形式。给出了天线的具体结构，仿真和实测结 果，并且对跨接馈电的缝隙天线进行了迸一步小型化研究，并给出了仿真结果。 最后结论，对全文工作进行了总结。 6 第二章天线的性能指标 第二章天线的性能指标 天线作为射频终端，主要作用为在自由空间传输和接受信号，实现无线传输 功能，如下几个指标可用来描述天线的辐射特性。 2 1方向特性 天线的方向特性可以由方向性系数和方向图等参数来进行描述。 天线方向图描述了自由空间中电场或者磁场强度的分布情况，本身为三维立 体图形。在工程应用中，我们利用天线最大辐射方向在两个垂直平面上的投影描 述天线的方向特性，得到e 面和日面的方向图。其中e 面平行于电场矢量，日面 平行于磁场矢量。方向图中的参数有：前后辐射比、主瓣宽度和副瓣宽度等。副 瓣电平表示副瓣最大值比上主瓣最大值，前后辐射比表示前向辐射场强比上后向 辐射场强。方向图很直观的描述了自由空间中电磁场的分布情况。 方向性系数则描述了天线辐射能量的集中程度。方向性系数d 可如下定义， 假设天线和一个无方向点源的辐射总功率相同，天线最大辐射方向某处场强平方 与点源在该处的平方的比，表示如下 4 矿 d = i 耳_ 二一 ( 2 1 ) 【f ( 夙纠1 2s i n 8 d s d 9 上式中，f ( e ，扔表示天线归一化方向性函数。 2 2 辐射效率 天线的辐射效率玑可定义为天线的辐射功率比上输入功率，描述t x 线进行 能量转换的效率。天线的效率小于l ，天线的输入功率转化为辐射功率和损耗功率。 其中损耗功率由如下几部分组成：金属损耗、介质损耗和电磁损耗等。 2 3 电压驻波比 在无线通讯中，当天线输入端与馈线的阻抗不匹配时，会产生能量的反射， 7 电子科技大学硕士学位论文 并且与向前传递的能量汇合形成驻波。人们引入驻波比( v s w r ) ，用来反映其中正 向波与反向波状况。 厢陟疋= r r = ( 1 + 七) ( 1 一” ( 2 2 ) 其中k = ( r 一，) 俾+ ，) ，当足为负值则表示相位相反) 。r 和，分别表示输出和输 入阻抗。当r = ，- 时，则k = 0 ，v s w r = 1 实现完全匹配，该情况为理想状况。在 实际工程中，电压驻波比总是大于l 。 2 4 回波损耗 回波损耗用来表示信号的反射性能，表明入射功率的一部分反射返回到信号 源。可表示为， r = 一1 0 l o g 皇芝 ( 2 3 ) g h 其中断表示反射功率，鼠表示入射功率。回波损耗值越小，则表示天线匹配越 差。当r = o d b ，则全反射；当r = ，则完全匹配。 2 5 阻抗特性 天线的输入阻抗可定义为输入电压与输入电流之比， p矿 乙= 黄= 手= 民+ 矾 ( 2 4 ) i 工如l工h 在实际工程中，应该努力确保天线输入阻抗与馈线的特征阻抗相匹配。天线 的输入阻抗由如下因素确定：天线结构、天线尺寸和介质的介电常数等。 当我们将天线与馈线相连接，理想情况为天线输入阻抗值为纯电阻且大小等 于馈线的特征阻抗。此时，天线馈电端便没有功率反射，且馈线上无驻波。实现 天线输入端匹配的重点在于减小或去除输入阻抗中的电抗值，并且使其电阻值接 近馈线特征阻抗。 2 6 天线的极化 天线按极化特性分类，可分为线极化天线、圆极化天线和椭圆极化天线。同 时以地面为参照面时，线极化分为垂直线极化和水平线极化。圆极化同时也可以 细分为左旋圆极化与右旋圆极化。当我们沿着电磁波传播的方向看过去时，电场 8 第二章天线的性能指标 矢量旋转方向为顺时针方向，则称之为右旋极化，相反时则称之为左旋极化。在 同一个天线收发系统里，接受天线和发送天线的极化方式应该相同。当入射电磁 波的极化方式与接受天线的极化方式相同时，我们称之为极化匹配，同时极化效 率为1 。当极化效率小于1 ，则极化失配。 2 7 天线带宽 天线带宽可以分为：绝对带宽、相对带宽和倍频带宽。其中绝对带宽可表示 为， 鲈= 缸一厶 ( 2 5 ) 其中怎表示工作频段的最高频率，厶表示工作频段的最低频率。相对带宽为绝 对带宽2 比上工作频段的中心频率五，可表示为 r = 垒二垒= 2 笪( 2 6 )= 三磐l 埋生= 2 二，_( 一) 氏1 q 倍频带宽为最高频率比上最低频率， 口= 篮 ( 2 7 ) 丘 其中0 b ，该定义多用于超宽带天线的描述中。 9 电子科技大学硕士学位论文 第三章天线分析的数值方法 随着电磁技术和电脑辅助设计e d a 的发展，各种各样的电磁仿真软件也正得 到更广泛的应用，例如z e l a n di e 3 d ，c s t ，a n s o f th f s s ，安捷伦a g i l e n t 等。以 上电磁仿真软件以时域有限差分法( f d t d ) 、有限元方法( f e m ) 或者矩量法( m o m ) 等全波分析方法作为运算内核，同时具有界面友好、建模简单和参数方便可调等 优点。全波分析方法中首先基于边界条件得到积分方程，解得源分布，而后由积 分求得总场分布。由于实际工程中模型的复杂，求解积分方程以及对场进行积分 都要用到数值计算法，如有限元方法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) ，时域有限差分 法( f i n i t ed i f f e r e n c et i m ed o m a i n ) ，传输线矩阵法( t r a n s m i s s i o nl i n em a t r i x m e t h o d ) ，矩量法( m e t h o do fm o m e n t ) 。 在商业仿真软件的实际应用中，我们可以根据实际工程要求确定所需要使用 的天线类型，在仿真软件中进行建模，通过电脑对天线结构进行仿真，根据仿真 结果再对天线结构进行调节，或者同时可以应用遗传算法或粒子群算法与仿真软 件联合使用，进行联合优化。通过仿真和调节等一系列工作，最后得到满足性能 指标的天线结构。 随着无线通讯的发展，人们对天线的性能也要求颇高，天线一方面要有足够 的带宽，同时需要满足足够小的尺寸要求，设计时间也是越短越好。使用商业仿 真软件实现天线可以有效的提高设计效率，缩短研发周期，已经是必然趋势。但 是商业软件依然有其局限性，我们有必要对时域有限差分法、矩量法、有限元方 法等数值计算方法有所了解。 3 1时域有限差分法 时域有限差分法是基于差分方程，将麦克斯维方程组转换为差分方程，并同 时对一定空间和一定时间上的电磁场进行数值采样。该数值方法是对电磁场比较 完备的数值模拟方法，有很强的实用性。将环路定律用于环路c 1 ，可得 ) i i d 蠲= q 日以 ( 3 1 ) a 百磊 假设场量的环路中点值等于场量在该边平均值，同时利用中点差分取代时间偏导， l o 第三章天线分析的数值方法 e + 1 ( u ，尼+ 争亍霹o ，歹，七+ 争 乞l 缸 + 竺兰! ! ：! 二圭：! 二芝二竺兰! ：兰：圭：竺：芝 ( 3 2 ， 致2 ( f ，j 一寺，露+ 二) 一2 0 ，歹+ 寺，尼+ 习i + 已二_ 鲁。鱼一i ( x y1 缈 j 由f a r a d a y 环路定律同理可得， o + 扣三舻丢小三，力 + 垒睁二趋：竺二竺二趋竺 + 一a x ) i 同时为了使数值结果稳定，网格划分应满足 f 芦： ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) 空间步长 t 1 0( 3 - 5 ) 当边界条件确定后，便可以求解具体的问题。时域有限差分法可以应用于不 均匀、色散、有损耗的介质问题，同时广泛应用于微带结构。同时该数值计算方 法可以方便的得到场的瞬态分布，可以描述天线的瞬态特性。时域有限差分法同 时也可以方便的获得天线的宽带特性，可以提高计算的效率。在本文中，我们将 用到电磁仿真软件c s t ，该软件内核实质为f d t d 方法。 3 2 矩量法 该数值计算方法将连续方程离散化，可同时适用于微分和积分方程。矩量法 电子科技大学硕士学位论文 可以求解线性非齐次方程，如下 题门= g ( 3 6 ) 其中l 【】为线性算子，g 是己知函数，厂为未知函数。可以将厂在展开为线性无关 丘( 功的组合， 厂= 五( 力 ( 3 7 ) n - - i 其中a 。表示系数，五( 功为基函数。通过公式迭代可得 口 五( 功】= g ( 3 8 ) n = 1 ( 功为l 值域内的权函数集合，定义内积 ，利用w m ( 功对上式取内积，可 得如下形式 】【】= g 。】( 3 - 9 ) 其中乙w 肼( x ) ，g m ( 功。 求解该矩阵可得口一，通过公式迭代可获得原问题的近似解。在解决实际问题 时，该数值计算方法的重点在于选取基函数与权函数。权函数与基函数必须满足 线性无关的条件，同时基函数应能较好的逼近未知函数。以该算法作为运算内核 的仿真软件有z e l a n di e 3 d 、s o n e t 、m o m e n t u m 等。 3 3 有限元方法 有限元方法是一种用于求解微分或积分方程组的数值计算方法。该数值方法 目的在于消除微分方程，化微分方程为代数方程，或者由常微分方程对偏微分方 程进行逼近，可用欧拉法等数值方法求解。 在实际应用中，往往把待求解的区域进行细分，得到尺寸较小的单元即有限 元。在二维平面，将区域划分为三角形。在三维空间，则将空间区域划分为四面 体。对于二维平面中的三角单元，其位函数形式如下 圪( x ，y ) = a + b x + c y ( 3 1 0 ) 其中a ，b 和c 为未知常数。当假设三角单元内位函数线性变化，则单元区域内的 电场不随位置的变化而变化。 e = - v 圪= - - ( b 吼+ c a y ) ( 3 1 1 ) 在实际工程中，通常依靠电脑自动划分单元。当电脑自动划分时，一般先根 据待解空间的形状将其细分为四面体，尔后再将四面体进一步划分为小的基本单 元，最后将若干四面体联合实现整体的细分。 1 2 第三苹天线分析的数值万法 假设最基本的三角单元拥有节点1 、2 和3 ，其位函数分别为v e ! 、圪：和吃， + 刚黝弘 仔坳 | = 跏纠 m k = e 倪i ( x , y ) v n ( 3 1 4 ) 其中 啦= 去【( 屯乃一毛儿) + 魄一虹+ 魄一屯) y 】( 3 - 1 5 ) = 去【( 毛m x , y 3 ) + 如一乃扣+ ( 毛一毛 y 】( 3 - 1 6 ) 吗。寺【( 五儿一屯咒) + “一儿弦+ ( 恐一五) y 】( 3 - 1 7 ) 彳= 去【( 而一五) 魄一m ) 一( 而一五) 魄一m ) 】 ( 3 1 8 ) 形= 吾p l 西。1 2 凼一l ，j e l v v , 1 2 凼 ( 3 1 9 ) 形= 告rp 弘】 ( 3 2 0 ) c ( 。) 为元系数矩阵。以上为细分单元的能量方程，当我们对各个子单元的能量求 月 一 形= 形= 去 v l f 【c 】【y 】 ( 3 2 1 ) 【v 】= 【k 砭巧”圪】 ( 3 2 2 ) 刀为节点数，【c 】为全局系数矩阵，n 为单元数。其中【c 】为对称矩阵。当区域中 1 3 电子科技大学硕士学位论文 罢= 0 ，七= 1 2 ，2 ，刀 ( 3 2 3 ) a 圪 。 代入( 3 - 2 1 ) 化简得 k q = o ( 3 2 4 对上式求解可得全局系数矩阵，最终解得空间场分布。人们通常用到的电磁仿真 软件a n s o f th f s s 的运算内核便是基于矩量法。 1 4 第四章移动终端天线的基本理论 第四章移动终端天线的基本理论 4 1倒l 天线与倒f 天线研究 随着当今对无线移动传输设备需求的增长，系统设计中对天线小型化的需求 也越来越高。无线设备的尺寸往往由电池和天线的尺寸所决定。总的来说，四分 之一波长单极子天线由于其较高的辐射效率和宽频特性，被广泛应用到各种可移 动无线设备中。尽管如此，单极子天线总是突出到机外。我们希望无线设备中的 天线具有小型化特点，不易被看见，同时满足性能指标。这也对天线的小型化、 较宽工作频段、易于阻抗匹配、辐射全向性和高辐射效率提出了要求。 能应用到无线设备中的小型天线有倒l 天线( i l a ) 和倒f 天线( i f a ) 。倒l 天线由一个短的单极子加上项部一个水平电线组成。倒l 天线和它的一些变体结 构如图4 - 1 给出。如图4 - 1 所示，l 为倒l 天线，2 为倒f 天线，3 为平面倒f 天 线，4 为双倒f 天线。本小节则着重研究倒l 天线和倒f 天线。 倒l 天线 倒f平面倒f 天线天线 图禾l 倒l 天线及其变体结构 4 1 1倒l 天线的远区辐射场 双倒l 天线 图4 - 2 给出了一个倒l 天线，该天线满足电小特性，由一个终端馈电的单极 1 5 电子科技大学硕士学位论文 子和作为电容加载的水平电线组成。如图4 2 所示虚线部分，为天线的对地镜像， ， 可当成天线结构的一部分用于简化计算 2 3 。同时计算工程可以通过旋转笛卡尔 坐标进一步简化，如图4 3 所示。 图4 - 2 倒l 天线及其镜像 静 图4 - 3 倒l 天线及其镜像 在图4 3 中，倒l 天线的垂直单元位于x 轴，它的水平部分及其镜像则在z 方向，拥有相反的电流方向。在每个旁支上的电流分布可看成是正弦分布。其分 布为， 1 6 第四苹移动终端天线的基本理论 厶( z ) = ts i i l 七犯一z ) 】c o s ( 胁) 乙( 4 - 1 ) 2 ( z ) = ls i n k ( t - z 。) 】c 0 s ( 砌) 一；) ( 4 - 2 ) z 3 ( z ) = z , e o s 缸。 s i n ( e z ) a 工( 4 - 3 ) 通过使用( 4 - 1 ) 到( 4 - 3 ) 的电流分布，每个旁支的场分布可通过计算磁电位矢 量和与有关的辐射矢量相结合来确定。旁支l 在z 轴方向上并拥有正向电流。旁 支1 上的远场磁电位矢量为， 4 = 杀r 泐p 翩们如杀i 枷瞰“粉( k h ) e i n 卿怯泠4 ) 其中，= 0 i 丽。通过( 4 4 ) ，z 轴方向线源的电场可写为， e = j t o g s i n e s i n ( k h s i n o e o s # ) & a o ( 4 - 5 ) 将( 4 - 4 ) 代入( 4 - 5 ) 可得， 州掣杀 i n eos(kh)smssin(kh-sino-cos)i,s i n k ( l - z ) e 融出( 4 - 6 ) 肚脚杀 s加刚忱 ( 4 6 ) 中的积分可用如下公式计算， j s i n ( a + b = ) i e “d x - b 2 + c 2 c s i n ( 口+ b x ) - b c o s ( 口+ 缸) 】( 4 - 7 ) 将( 4 - 7 ) 应用到( 4 - 6 ) 可得， 易= 等孚s 逾口( 跚c o s ( 砌) 【南c o s 秒s 姒灶一舷) + 七c o s ( 乜一乜) ) 】吉 其中s n = s i n ( k h s i n ( a ) c o s ( 彩) 。当我们计算和简化公式，可得到倒l 天线旁支1 的电场口分量，结果如下 易一罴t 孚州砌) 品 e j c e m # _ 伽s 觚衄乜) _ c o s ( 】( 4 删 因为该单元是z 方向的，e = 0 。通过对称原理，我们可以知道旁支2 上电流所产 生的场与旁支1 完全相同。旁支3 上的电流所产生的场总结如下， 易一_ 一i j c 磊o z 等s i l l ( 地) c 0 s 口c o s 妒( p ，咖 ) ( 4 9 ) 日= 簇等s m ( k , l ) s 蛳f ( o 删 ( 4 1 0 ) 其中， 朋肿，= 墅坚警等等产 在上式中c o s = c o s ( 肋s i n ( o ) c o s ( ) ) ，s i n 如上所定义。 当t = l = l ，l = 2 4 ，h 名，倒l 天线的各个旁支的电场表达式可得到简化。 1 7 电子科技大学硕士学位论文 旁支1 和2 的场司以重新表达为 易一_ 一丽( r i gl 孚砌州咖( t 石c o s 讣巾吒c 0 ：s 伊删) 】( 4 - 1 1 ) 并且日= 0 。由旁支3 上电流所产生的场如下 易一_ 丽j ( o l 孚砌训州 (