（通信与信息系统专业论文）无线局域网中天线的研究与设计.pdf

重庆邮电大学硕十论文 摘要 摘要 随着社会的发展，无线局域网通信在人们的生活中发挥着愈来愈重要的作用。 无线局域网的工作频段有i e e e8 0 2 1 l b g 规定的2 4 g h z 频段( 2 4 4 4 8 4 g h z ) 、i e e e 8 0 2 1 l a 规定的5 2 g h z 频段( 5 1 5 5 3 5 g h z ) 和5 8 g h z 频段( 5 7 2 5 5 8 2 5 g h z ) 。天 线作为无线局域网通信的终端，也必须进行不断的创新、发展。现在，各种通信 电路都趋向于小型化集成化发展，这些都给天线设计者带来了相当大的挑战。因 此，无线局域网双频段小型化天线的研究具有非常重要的意义。 在无线局域中比较常见的天线有平面倒f 天线和平面单极子天线两种。这些 天线的小型化设计都是采用的传统方法，有基于辐射理论的提高介质的介电常数， 基于镜像原理的短路加载，和改变电流路径的曲流技术等。这些技术都有效的减 小了天线辐射贴片的尺寸。无线局域网中常见的多层贴片技术、单层单贴片和单 层双贴片等双频段技术都可以产生满足无线局域网要求的双频天线。本文对近几 年无线局域网双频段天线的小型化技术进行对比，并着重对无线局域网双频天线 的小型化进行设计分析，创新设计了一种在微带馈线上加开路微带枝节的技术，使 双频天线整体尺寸变小，达到小型化的目的。 本文中设计的极小型无线局域网双频段天线是建立在l m m 厚的聚四氟乙烯介 质基板上，采用5 0 欧姆的微带线进行馈电的。天线的辐射部分采用的是一种新型 的两个同心开口环相连接的结构来产生两个频段的谐振，满足w l a n 通信的应用。 辐射部分的尺寸只有不到8 拳8 m m 2 ，采用微波电路的匹配理论来减小天线的介质基 板和地板的尺寸，从而使天线的总尺寸减小。文中对天线没有微带臂时的阻抗进 行分析，创新设计出了一种在天线的微带线两边加开路微带枝节的方法，将天线 的较高工作频段的阻抗匹配到w l a n 所需要的频段。通过电流分析以及对开路微 带臂的长度参数扫描，最终得出天线所加开路微带臂的最佳长度为2 m m 。这样， 天线的总尺寸缩小为9 2 4 l m m 3 ，比所阅读文献中的此类最小天线的一半还小。 最后，加工实物，对天线的回波损耗、方向图和增益也分别进行了仿真和测 量。在天线的实物测量结果中，天线的回波损耗小于1 0 d b 的两个工作频段都满足 w l a n 的要求。天线的方向图在工作频段的x - z 平面上的辐射具有全向特性。天 线在两个高工作频段的增益也适当的满足要求。 关键词：微带天线，小型化，无线局域网，双频 重庆邮电大学硕十论文 a b s t r a e t a b s t r a c t w i t ht h es o c i a ld e v e l o p m e n t ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nb e c o m e sm o r ea n dm o r e i m p o r t a n ti np e o p l e sl i v e s t h e2 4 g h zw l a ns y s t e mo c c u p i e st h ef r e q u e n c yb a n d f r o m2 4 g h zt o2 4 8 4 g h zf o ri e e e8 0 2 1l b ga n dt h e5 g h zw l a ns y s t e mo c c u p i e s t h o s ef r o m5 1 5 g h zt o5 。3 5 g h za n df r o m5 7 2 5 g h zt o5 8 2 5 g h zf o ri e e e8 0 2 1 1 a s i m u l t a n e o u s l y a n t e n n a a st h et e r m i n a lo fw l a nc o m m u n i c a t i o nm u s tb e d e v e l o p m e n t a n di n n o v a t i o n n o w , a l lk i n d so fc i r c u i t st e n dt om i n i a t u r i z a t i o n a n di n t e g r a t i o n t h e s eh a v eb r o u g h tac o n s i d e r a b l ec h a l l e n g et ot h ea n t e n n ad e s i g n e r t h e r e f o r e ，t h es t u d yo fd u a l b a n dw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r ka n t e n n a sh a sv e r y i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e p l a n a ri n v e r t e dfa n t e n n aa n d p l a n a rm o n o p o l ea n t e n n aa r e t h et w om o s t c o m m o na n t e n n a si nw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k m i n i a t u r i z a t i o no ft h e s ea n t e n n a su s e t r a d i t i o n a lm e t h o d s ，s u c ha s ：i n c r e a s et h ed i e l e c t r i cc o n s t a n to ft h ed i e l e c t r i cs u b s t r a t e a c c o r d i n gt or a d i a t i o nt h e o r y ；s h o r t c i r c u i tl o a da c c o r d i n gt oi m a g et h e o r y ；i n c r e a s e t h el e n g t ho fc u r r e n tt e c h n o l o g y , e t c s o m et e c h n o l o g i e sa r eu s e dt om e e tt h ed u a l - b a n d w l a nc o m m u n i c a t i o n ，d o u b l el a y e rs u b s 仃a t et e c h n o l o g y , d u a lp a t c hi ns i n g l el a y e r a n ds i n g l ep a t c hi ns i n g l el a y e r e t c i nt h i sp a p e r , s o m er e p o r t e dd u a l b a n d 、耽a n a n t e n n a sa r ea n a l y z e d a n dm i n i a t u r i z a t i o ni st h ef o c u so fo u ra n a l y s i s an e w t e c h n o l o g y ( a d do p e nm i c r o s t r i pi nf e dm i c r o s t r i pl i n e ) i sd e s i g n e d ，t h a tm a k es m a l l e r s i z eo ft h ed u a l - b a n da n t e n n a , a n da c h i e v et h ep u r p o s eo fm i n i a t u r i z a t i o n i nt h i sp a p e r ，a nu l t r a c o m p a c td u a l b a n dp r i n t e da n t e n n ai sp r o p o s e d c o n n e c t i v e a n dc o n c e n t r i cd o u b l e s p l i tr i n g s ( c c d s r ) a r eu s e dt og e n e r a t et w or e s o n a n t f r e q u e n c i e si nw i r e l e s s l o c a la r e an e t w o r k ( w l a n ) f r e q u e n c yb a n d s ms i z eo f r a d i a t i o np a r ti sl e s st h a n8 宰8 m m 2 1 1 1 es i z eo ft h eg r o u n da n dp c bi sr e d u c e db y m a t c h i n gt h e o r yo fm i c r o w a v ec i r c u i t s m a t c h e di m p e d a n c ei sa n a l y z e dw h e na n t e n n a w i t h o u tt u r n i n ga r i n a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i s o fm a t c h e di m p e d a n c e ，an e w t e c h n o l o g yi su s e d n l i st e c h n i q u ei sa d d i n go p e na r m si nm i c r o s t r i pf e dl i n e a n d a c c o r d i n gt oc u r r e n ta n a l y s i sa n dt h ep a r a m e t e rs w e e po fl e n g t ho fo p e nm i c r o s t r i pa r m ， 2 m mi st h eo b t a i n e dv a l u eo fo p e nm i c r o s t r i pa r n lf o ro u ro p t i m i z e da n t e n n a 1 1 1 e d i m e n s i o no ft h i sa n t e n n ai s o n l y9 宰2 4 l m m 3 ，m u c hs m a l l e rt h a nt h o s er e p o r t e d a n t e n n a s i i 重庆邮电大学硕十论文 a b s t r a c t f i n a l l y , a c t u a la n t e n n ai sp r o c e s s e d ，a n dr e t u r nl o s s ，r a d i a t i o np a t t e ma n dg a i no f a n t e n n aa r ea l s os i m u l a t e da n dm e a s u r e d ，r e s p e c t i v e l y i nt h ea c t u a lm e a s u r e m e n t r e s u l t so fa n t e n n a , t h e 一10 d bb a n dw i d t h ( sll l o d b ) q u a l i f yt h ec a p a c i t yo ft h i s a n t e n n ai nw l a nf r e q u e n c yb a n d s ( 2 4 5 2 5 8 g h z ) ；l e a r n i n gf r o mt h e s er a d i a t i o n p a t t e m s ，x - zp l a n ep a t t e r n s a r eq u a s i - o m n i d i r e c t i o n a l l ya n dq u a s i - s y m m e t r i c a l l y ； m o d e r a t eg a i na n dl o wc o s tm a k et h ea n t e n n ae x c e l l e n c ef o rp o t e n t i a la p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：a n t e n n a ，m i n i a t u r i z a t i o n ，w l a n ，d u a l - b a n d i i i 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 无线局域网天线研究背景与意义 天线的研究可以追溯到1 9 世纪末。1 8 6 4 年，英国科学家m a x w e l l 完整地给出 电磁场满足的方程组，对宏观电磁现象进行了统一而简洁的描述，从此，人们对 电磁场的认识进入了一个崭新的阶段【1 1 。1 8 9 7 年，德国人h r h e r t z 用实验方法验 证了电磁波的存在，他用火花间隙发生器，设计了源与接收装置，形成了最早期 的天线2 埘。 天线是无线通信系统中的重要组成部分，雷达、手机、电脑，卫星、收音机 等无线广播、通信、导航系统都是利用天线来完成电磁波的接收和发射的【4 1 。在最 基本的无线通信系统中，天线在系统中作为一种能量转换器。对于发射天线，天 线应将电路中的高频电流能量或传输线上的导行波能量尽可能多地转换为空间的 电磁波能量辐射出去。对于接收天线，天线应将接收到的电磁波能量最大限度地 转换为电路中的高频电流能量传送到接收机。这就要求天线与发射机源尽可能有 好的匹配，或与接收机负载尽可能好的匹配。- - n 好的天线就是一个好的能量转 换器【5 1 。 无线局域网( w l a n ) 的迅猛发展，已经在医院、工厂和学校等场合得到了广泛 的应用。随着开放办公的流行和手持设备的普及，人们对移动性访问和存储信息 的需求越来越多，因而w l a n 将会在办公、生产和家庭等领域获得更广泛的应用， 但是如何将无线局域网的各个频段集成到一个天线器件上，并且达到很小的尺寸。 这就为w l a n 天线提出了新的要求，也是w l a n 天线的新发展方向。 人们对w l a n 天线的要求主要体现在频带的范围更广，体积更小，便于安装， 架设和携带，同时具有较高的效率。然而，在较低频段，传统的半波长天线尺寸 仍然太大，带宽仍然太窄，而且天线小型化后由于辐射面积变小，使得它的带宽 更窄，增益变小，这些缺点制约了它的应用。解决上述缺点对天线都有重大的意 义。所以w l a n 天线的研究是一个热剧6 】。 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 2 无线局域网天线国内外研究现状 1 2 1 微带天线的提出 随着无线局域网通信的发展，天线的种类形状也越来越多。根据特殊的应用 不断地提出和发展一些新型的天线，如一直在发展和研究的单脉冲阵列天线、相 控阵天线、阵列天线、自适应天线、智能天线、有源天线，超宽带天线、天线小 型化等。微带天线作为微波天线的一种由于其独有的特点越来越受人们的关注。 一个带有金属地板的介质基片上面加辐射片或者辐射条就组成了最基本的微带天 线。早在1 9 5 3 年g a d e s c h a m p s 就提出了微带天线的概念，但是第一批微带天线 的研制又等到了2 0 年以后由j q h o w e l l 和r em u n s o n 等研究者设计出，自此以 后微带天线飞速发展，成为现代社会通信设备终端天线中非常重要的一部分。 微带天线与常规天线相比具有较多优点【7 】： ( 1 ) 设计成本低，体积小，重量较轻，易于共形。 ( 2 ) 形状多样，可以不同形状具有相同性能。 ( 3 ) 馈电方式多样化，可以采用同轴馈电，微带也可以采用共面波导。 ( 4 ) 易于集成，能与射频电路有源、无源器件集成。 微带天线也有以下一些缺陷： ( 1 ) 频带窄，增益低，多数微带天线只能向半个空间辐射能量； ( 2 ) 阵列馈电结构中的欧姆损耗较大；激励起的表面波效应影响了天线性能： ( 3 ) 在高介电常数基片上制造的微带天线虽易于和m m i c 射频前端电路集 成，但采用高介电常数基片会导致交叉极化和较窄的带宽等。 1 2 2 微带天线现存的问题 微带天线由于其独特的结构形式和众多的优异性能，已经得到了越来越广泛 的应用，然而，其先天性的缺点又让其在很多应用上存在局限性，针对这些局限 性，人们已经在开发各种技术予以克服。现在，微带天线的发展方向主要集中在 以下几个方面： ( 1 ) 小型化：随着移动终端的小型化，天线的小型化发展也是大势所趋，而 微带天线由于其体积小、重量轻、可与载体共形以及易于实现双频、多频工作等 众多优点使其集成小型化是如今通信设备的一个发展方向。天线作为通信的终端， 对通信器件小型化、通信质量起到至关重要的作用，现在的短距离通信无线局域 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 网通信对小型天线有着迫切的要求，笔记本，超薄手机，蓝牙耳机，蓝牙鼠标等 都离不开小型天线。而微带天线具有天然的低剖面、小体积、重量轻等优势，可 以很好的运用于集成通信设备。所以，小型化的要求也是迫在眉睫。本文的主要 内容就是基于小型天线来展开的 ( 2 ) 多频段：早期简单的无线通信系统一般都是在某一个频段内工作，但是 随着通信技术的发展和需求的不断提高，要求系统能够工作在不同的频段。当不 同的频段相距较近时，可以采用宽带或超宽带的天线来满足要求，然而当所需的 频段相距较远时，超宽带天线的设计可能性就很小了，就必须从多频天线入手来 解决这个问题。在许多应用中，比如g s m 手机、w l a n ( 无线局域网) 、g p s ( 全 球定位系统) 等通信系统，都要求天线能够工作在两个或者多个任意间隔的离散 频段，以实现更多的功能，这就对多频段技术提出了越来越高的要求。例如，手 机既可以工作在2 g 网络又可以工作在3 g 网络，还具有收音机、导航定位、蓝牙 传输等很多附加功能，这些都工作在不同频段。为了更好的减少体积，多频段天 线就得到了应用。双频天线本身就是通信设备小型化的实现方法，即设计的一个 天线可以同时工作在两个不同频段来代替两个天线。这样既减少了天线终端占用 的体积，而且还避免了两个天线之间的电磁干扰。双频、多频天线在现实生活中 有实际应用价值。 ( 3 ) 高增益：当工程师们尽力减小天线的尺寸的同时，天线的增益也随着尺 寸的缩小而降低。为了使得天线的增益能够保持在一定的水平，高增益也是微带 天线的一个发展方向。 ( 4 ) 宽频带：微带天线的缺点之一就是其频带非常窄，普通的微带贴片天 线仅为0 5 到3 ，在很多应用场合都不能满足要求。因此，宽频带微带天线研究 成为了一个重要的发展方向。自从2 0 0 2 年美国联邦通信委员会 ( f e d e r a l c o m m u n i c a t i o nc o m m i s s i o n ，f c c ) 宣布将3 1 10 6 g h z 作为商用超宽带 ( u l t r a - w i d e b a n d ，u w s ) 频段并公布了一系列标准以来，小型超宽带天线引起了广泛 的关注和研究。 虽然微带天线已经研究了几十年，且设计也日渐成熟，但随着通信技术的不 断发展，微带天线的小型化、多频段、宽带宽和高增益仍然是以后设计者不断研 究的方向。 1 3 本文的研究内容 本文研究内容是在无线局域网( w l a n ) 通信技术迅速发展，对通信终端天 线的要求越来越高的情况下进行选题。无线局域网通信是无线通信领域中的重要 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 部分，主要是进行短距离通信。此技术已经广泛应用到电脑通信和手机通信等方 面。w l a n 的工作频段主要有i e e e 8 0 2 “b 儋协议规定的2 4g h z 频段 ( 2 4 g h z 2 8 4 5 g h z ) 和i e e e 8 0 2 1 1 a 协议规定的5 2g h z 频段( 5 1 5 g h z 5 3 5 g h z ) 频段、5 8g h z 频段( 5 7 2 5 g h z 5 8 2 5 g h z ) 。作为w l a n 通信的终端，小型化是 双频无线局域网天线的重要发展方向 本文针对无线局域网中采用传统小型化方法设计的天线辐射部分很小，但是 介质基板和地板尺寸较大的问题进行了改进和研究，设计出辐射贴片小，并且所 需要的介质基板和地板尺寸也很小的极小型无线局域网双频段天线，并对设计的 天线进行测试。 1 4 文章结构 本文主要内容由以下部分组成： 第一章绪论。绪论中对无线局域网天线的研究背景和意义进行了分析，并研 究了无线局域网天线国内外研究现状，以及微带天线的提出和目前微带天线存在 的问题和发展方向。 第二章微带天线的基本参数及分析方法。本章首先给出了微带天线的主要性 能参数方向图、工作带宽、增益、极化等，使大家对天线有个基本的概念。接着 介绍了天线的微带馈电、共面波导馈电和同轴馈电方式，还有微带天线的辐射原 理以及如何计算微带天线的尺寸等理论。为以后的天线设计和分析进行了理论基 础的准备。 第三章w l a n 微带天线小型化方法改进分析。本章的开始主要讲述了无线局 域网中典型应用的平面单极子天线和平面倒f 天线，并分别列举了近几年发展的 典型的天线例子。总结了无线局域网中常见的多层贴片技术、单层单贴片和单层 双贴片等双频段技术，还总结了天线的提高介电常数，短路和电阻加载，开槽曲 流等小型化技术，并分析了这些技术的优缺点。为后面章节天线的小型化设计提 供基础和对比依据。 第四章w l a n 双频微带天线小型化新方法设计。本章的主要工作是设计出了 一种运用微带匹配技术设计的无线局域网双频段天线。所设计的天线辐射部分是 采用两个同心开口环相连接来产生双频段的谐振；然后根据史密斯圆图的微波电 路匹配原理在天线的微带馈电线两旁添加一对开路微带臂，成功的使天线的介质 基板和地板的尺寸减小，天线的尺寸只有l ( 2 4 m m ) w ( 9 m m ) 。本章还对小型天线 的电流进行了分析，对所添加匹配臂的长度进行了参数扫描，来验证所设计的天 线满足要求。最后得出了微带开路匹配臂对天线小型化起到的作用。 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 第五章天线仿真与测试。本章对微带天线的数值分析法进行了分类的详细介 绍，并介绍了在作者设计天线时用到的两种仿真软件。介绍了三维计算电磁结构 的高频电磁仿真软件a n s o f th f s s1 0 和c s t ，文中重点介绍了该软件的原理和仿 真步骤。还介绍了天线测试的回波损耗测量和天线增益测量方法。最后给出了本 人设计的极小型无线局域网双频段天线的回波损耗和方向图及增益的仿真和测量 值。 第六章总结与进一步工作。总结了本文的主要工作重点、创新点以及进一步 的工作计划。 重庆邮电大学硕士论文 第二章微带天线基本参数及分析方法 第二章微带天线基本参数及分析方法 微带天线比其他类型的天线出现的较晚。但近几十年的蓬勃发展，微带天线 已经逐步走向成熟。微带天线的优势( 体积小，重量轻，剖面低等) 得到了很好 的运用和发展，而微带天线的一些缺陷( 频带窄，功率容量低，效率低等) 也正 在逐步改善。 本章对微带天线的基本参数，微带天线的工作原理，以及微带天线的馈电方 式等方面进行研究。 2 1 微带天线的基本参数 微带天线的种类、形状、大小、功能各不同。为了统一衡量天线的性能，提 出了一些基本参数，主要有：方向图形状、主瓣宽度、副瓣电平、增益、极化、 输入阻抗、工作频率和频带宽度等【8 1 。 ( 1 ) 辐射方向图 在空间坐标下，天线辐射特性分布称为天线的辐射方向图，也就是说研究微 带天线的辐射特性可以通过分析辐射方向图得到。方向图一般指天线的远场辐射 特性，因此又可以称作远场方向图。天线的辐射特性包括：辐射功率、辐射场强、 极化和相位。天线的方向图可以通过电磁理论分析得出，也可以通过实验测量空 间各处数据绘制而成。 一般的天线远场辐射电磁波可以表示为： 易= e o 二_ 一厂( 幺力 以2 鲁 ， 式( 2 1 ) 中，易表示电场强度的秒分量，单位为v m ；矾为磁场强度的缈分 量，单位为a m ；岛为与激励有关但与坐标无关的系数；7 为以天线上某参考点 为原点到远区场某点的距离；f ( 0 ，矽) 为天线的方向图函数；r o = 佤占。= 1 2 0 7 r 自由空间波阻抗：= 2 州旯为相位常数。令易最大值为1 后，画出的函数方向图 称为归一化方向图。 根据电磁波的辐射特性可以设计不同形式的方向图，一对一通信的定向单波 6 重庆邮电大学硕士论文第二章微带天线基本参数及分析方法 束；一对多通信的多波束：用于广播的全向天线。八木天线是由一根激励半波振 子和若干无源振子并排放置组成的。一根激励半波振子的h 面方向图为一个圆， 说明在h 面内天线无方向性。但加上一根或几根无源振子并排放置后，其h 面内 的方向图将变得有方向性。还有一根激励半波振子的h 面方向图为一个圆，说明 在h 面内天线无方向性。但加上一根或几根无源振子并排放置后，其h 面内的方 向图将变得有方向性。所以，改变天线的结构，辐射方向图也会发生改变。 在天线的方向图中有一个重要的参数就是主瓣宽度，它是指方向图主瓣上两 个半功率点之间的夹角，通常是指最大场强的0 7 0 7 倍，以分贝值来表示就是最大 场强的3 d b 处，一般表示为2 秒。这一参数主要描述天线波束在空间的覆盖范围。 很多天线的方向图是关于最大辐射方向对称的，也有一些天线的主瓣宽度不是对 称，但是仍用2 口来表示。在实际应用中，常常根据主瓣宽度来确定口径天线和阵 列天线的大小。 天线的方向图有低副瓣和高副瓣之分。对于低副瓣天线来说，主瓣宽度就可 以表示天线的辐射范围，主瓣宽度越窄越尖就表示辐射能量越集中、接收力强， 这样天线的定向能力和方向性就很好；对于高副瓣天线，主瓣宽度就不能表明天 线的集中能力，也不能说明天线方向性的好坏，必须要考虑到副瓣这参量。但 是，副瓣一般表示的是天线不需要辐射或接收的能量，所以，天线副瓣电平越高 就说明天线对杂散来波的抑制能力弱，抗干扰的能力也弱。 ( 2 ) 方向性系数 方向图函数表示了微带天线在各个方向上辐射场的相对大小，它不能明确表 示天线辐射能量在某个特定方向上集中的程度，因而为了更好的描述天线在指定 方向上电磁波能量的聚束能力，引入了方向性系数，这样也有利于不同天线的比 较。方向性系数一般用o ( o o ，仇) 表示，定义也有两种。 定义l 为：在给某天线相同辐射功率p r 前提下，检测该天线在某一球面上最 大辐射功率密度处与理想点源天线在此处的辐射功率密度之比。我们知道，理想 点源天线在同一球面各处的辐射场强总是一致且等于相同辐射功率的天线在这个 球面上的平均功率。 由定义，方向性系数d ( o o ，仇) 可用公式表示为： 。c 岛，= 号轰誉薯亍= 号为盎c 相同的辐射功率， 式q 2 ， 式( 2 2 ) 中，p ( o o ，) 一表示最大辐射功率密度，p o ( o o ，o o ) 表示理想点源天 线辐射功率密度，p ( o o ，) 。表示同一球面上平均功率密度。 方向性系数的另一种定义2 为：在某天线的一球面上的最大功率密度和理想 7 重庆邮电大学硕士论文第二章微带天线基本参数及分析方法 点源天线在此处的辐射功率密度相同时，理想点源天线的辐射功率p 岫与该天线辐 射功率p 之比。即： d d ( a o ，) = 导( 接收到相同辐射强度) 式( 2 3 ) r r 两种方向性系数的定义得到的结果是一致的。都可以看出天线的集中能力愈 强，方向性系数值愈大。由图2 1 ( a ) 可以看出e 。愈大，d ( 8 0 ，) 也就越大，再由图 2 1 ( b ) 可以看出e m = e 。，e m 愈大，e 。愈大，也就是点源天线辐射的功率也就越 大，d ( 1 f 9 0 ，) 也就越大。 ( a ) 相同的馈入功翠( b ) 相同辐射强度 图2 1 两种条件下某天线的方向图和理想电源方向图比较 ( 3 ) 天线的效率 天线的效率是用来计量损耗的参量，也就是表征天线将馈入的能量有效地转 化成空间电磁波的能力。由此天线的效率仇定义为：天线辐射到空间电磁波的总 功率p r 与天线馈电前端馈入的总功率之比【8 1 a 即： 仉。手 式( 2 4 ) 天线功率损耗主要包括天线馈线和辐射体上的欧姆损耗，以及馈线和天线不 能达到完全匹配而造成的损耗。如图2 2 典型天线及其等效电路中可以形象地看出 天线的失配损耗p l 与输入功率矗关系为p l - t 2 最，天线结构中的发热欧姆损耗为 只，辐射到空间的总功率为p r 。这样我们可以得到天线的辐射效率为： 仉2 ( 1 - m 彘 枷， 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章微带天线基本参数及分析方法 、 l i r 一晨 j ， ( a ) 天线、馈线及参考端 ( b ) 天线等效电路 图2 2 典型天线及其等效电路 ( 4 ) 天线增益 在相同馈入功率的前提下，检测该天线在某一球面上最大辐射功率密度处与 理想点源天线在此处的辐射功率密度之比称为天线增益g ( 岛，) ，公式为【8 】： g c 岛，甄，= 号轰尝等亍= 晕为老c 相同的馈入功率， 式c 2 射 我们可以看出天线增益g ( 8 0 ，) 和方向性系数d ( 岛，9 0 ) 定义类似，只是前提条 件有所区别，方向性系数的前提条件是相同辐射功率，而增益的前提条件是相同 的馈入功率。由此我们可以得出两者之间的关系式为： g ( e o ，9 0 ) = u d ( o o ，) 实际天线工程测试中求天线的增益一般采用另一种方法， 天线( a u t ) 和一个已知增益的标准天线在相同输入功率下， 比值，即： g 未知= 瓦赫g ( 参考天线) 式( 2 7 ) 通过比较一个待测 所辐射的最大功率 式( 2 8 ) ( 5 ) 频带宽度 不同的通信系统工作在不同的频段和频带宽度，也就需要天线工作在相应的 频段和不同的带宽。根据用途的不同，不同的系统也就对天线的带宽标准有不同 的定义。天线的带宽定义一般有以下几种【l 】： 绝对带宽：指天线满足工作要求的实际频段，上边频五和下边频石之差，即： 矽= 以一z 式( 2 9 ) 9 习 叶b 重庆邮电大学硕士论文 第二章微带天线基本参数及分析方法 无线通信中通常工作频段为厶，其值为上边频和下边频算术中值： flf 五= 半 式( 2 1 0 ) 么 相对带宽：和绝对带宽同时存在的一种带宽定义是相对带宽b w ，定义为绝对 带宽与工作中频的比值，即： b w = 二五：2 二五 + 力 式( 2 1 1 ) 比值带宽：此种带宽不常用，定义为上边频以和下边频z 的比值。 绝对带宽和相对带宽没有单位只一个无量纲的比值。与绝对带宽相比，比值 带宽和相对带宽具有保密性。从中无法看出天线的具体工作频率。 ( 6 ) 极化 在最大增益方向上，随着电磁波的传播方向，从天线辐射方向看去，电场最大 值的变化轨迹。根据极化形式不同可以分为：线极化、圆极化、椭圆极化。如果 这个轨迹是一条直线，则称为线极化；如果是一个圆，则称为圆极化；如果是一 个椭圆，则称为椭圆极化。圆极化和线极化可以看做是椭圆极化的两种特殊形式。 轴比是指长轴与短轴之间的比值【引。 天线发射或接收的是规定极化的电磁波。例如一个垂直极化的天线，不能接 收水平极化的来波，反之亦然；一个左旋圆极化的天线不能接收右旋圆极化的电 磁波，反之亦然。一个圆极化的天线接收线极化的来波将有一半能量损失。 2 2 微带天线的基本工作原理 2 2 1 微带天线的馈电方式 微带天线的可以有很多种馈电方式，主要有四种：同轴线馈电、微带馈电、 共面波导馈电、耦合馈电。 ( 1 ) 同轴线馈电：如图2 3 所示，天线的辐射电磁波是通过同轴线馈入，从 图中可以看出同轴线的外皮导体与天线的地板相连接，同轴内导体探针穿过介质 与辐射贴片连接，这样就完成了对微带天线的馈叫9 ，m l 。 ( 2 ) 微带馈电：如图2 4 所示，天线的辐射片是由微带传输线进行馈入信号 进行辐射【1 1 - 1 2 1 。 1 0 重庆邮电大学硕士论文第二章微带天线基本参数及分析方法 辐射贴片 图2 3 典型同轴线馈电形式 接地丽辐射元 介质胺 图2 4 典型微带线馈电形式 ( 3 ) 共面波导馈电：如图2 5 所示，天线的辐射片是由共面波导( c p w ) 传 输线进行馈入信号进行辐射。c p w 和辐射贴片在同一面上，这样异面没有金属， 便于一些器件的集成【l 孓1 5 j 。 ( 4 ) 耦合馈电：如图2 6 所示。耦合馈电指通过耦合形式对辐射贴片进行馈 电 1 6 - i s 。一般是通过小孔或者缝隙进行耦合，这样可以避免上面三种不平衡传输 线引起的高次模，避免了交叉极化产生。 图2 5 典型共面波导馈电形式图2 6 典型耦合馈电形式 2 2 2 微带天线的辐射原理 一般的微带天线都由馈电部分、辐射部分、地板、介质基片四部分组成，如 图2 7 所示的矩形贴片天线。图2 7 可以看出微带天线辐射导体的边沿与地板产生 边缘场，这就是微带天线辐射电磁波的来源。我们设定辐射贴片的宽度为w ；长 度为l 且l 2 2 ，旯为工作波长；采用的介质厚度为h ，这样由辐射贴片、介质 基片、地板的微带天线可以看做是两段开路的以2 微带传输线。这样我们就可运 用传输线电场分布来分析微带天线【l 吼2 0 。 重庆邮电大学硕士论文第二章微带天线基本参数及分析方法 贴片辐射器 基片地板 图2 7 矩形微带天线几何结构图 当微带传输线工作在主模状态时，存在准t e m 波电场在传输线上面的分布可 以由图2 8 表示。电场的变化方向仅沿着约为半波长五2 长度的贴片方向， 辐射基本上是由贴片的开路的边缘场引起的。因此，我们可以把开路端的电场分解 为水平方向和垂直方向( 相对于地面而言) ，因为辐射贴片长约入g 2 ，由电磁波理 论可以得出，在垂直方向上电场方向相反，这样他们辐射形成的远区场就会相互 抵消掉( 正面方向) 。接下来我们再看图2 8 ( a ) 水平方向上的电场分量为同一方 向，因而在远区场的电场叠加，场强增加。这样就使垂直于结构表面方向的辐射 场强最大。所以，对于矩形微带天线，两开路端的水平分量电场可以等效为无限 大平面上，可用两个相距五，同相激励的缝隙天线来等效。缝隙的宽度近似等于 基片厚度h ，长度为w ，如图2 8 ( b ) 所示，微带天线应该用辐射元周围的四个缝隙 的辐射来等效。 k 以2 r 飞 j l 胪t 蔓毛j 夕夕 + ， 、 h i l ( a ) 侧视图 辐射缝隙 ( b ) 俯视图 图2 8 准t e m 波电场在传输线上面的分布 1 2 重庆邮电大学硕士论文 第二章微带天线基本参数及分析方法 2 2 3 矩形微带天线尺寸设计 z ，就根据以上数据确定我们要的和形1 9 乏。 矿= 赤岳= h 4 2 三一2 ， 气= 孚+ 孚 1 + 1 2 玎，眦，- 3 ， a = u 04 1 2 舞矧h 加1 4 ) 0 2 5 8 ) 8 = ：= 乓 式( 2 ( 气一l + o 1 乞5 玩瓦1 鬲 式2 朋 扛l e - 2 m = 瓦赢霖屯世 = 1 ：毫一0 4 1 2 = 虿丽一 2 3 本章小结 ( 删3 ) ( 鲁+ o 2 6 4 ( 气- o 2 5 8 ) ( - 警+ 。8 式( 2 1 6 ) 本章首先给出了微带天线的主要性能参数：方向图、工作带宽、增益、极化 等使大家对天线有个基本的概念，也为后面的测试提供了理论基础。接着介绍了 重庆邮电大学硕士论文 第二章微带天线基本参数及分析方法 天线的微带馈电、共面波导馈电和同轴馈电方式，还有微带天线的辐射原理以及 如何计算微带天线的尺寸等理论，使大家对微带天线的工作原理有了一定的了解。 为以后的天线设计和分析进行了理论基础的准备。 1 4 重庆邮电大学硕+ 论文第三章w l a n 微带天线双频和小型化方法分析 第三章w l a n 微带天线双频和小型化方法分析 w l a n ( 无线局域网) 通信是我们现在无线通信系统中的重要组成部分。天 线作为无线通信中必不可少的部分，其性能的好与坏直接关系到通信质量的好坏。 随着无线通信技术的不断进步，例如手机、电脑等无线上网和局域网通信的成熟， 对w l a n 通信中的各种器件要求越来越高。天线也面临着新技术的不断挑战。小 型化一直是w l a n 通信天线在集成电路中的永恒问题。但是减小天线的尺寸，就 会相应的增加天线的工作频率，也会使天线的效率变坏。因此，研究出新技术使 天线达n d , 型化，符合现实应用意义。由w l a n 的协议可知，无线局域网可工作 于不同的频段，常用的三个频段为i e e e8 0 2 1 1 b 规定的2 4 2 4 8g h z 、i e e e 8 0 2 1 l a 规定的5 1 5 5 3 5g h z 和5 7 2 5 5 8 2 5g h z 。因而对w l a n 天线提出了 多频工作的要求，加之现代无线通信和移动通信的飞速发展，对通信电路小型化 的要求越来越迫切，近年来对小型化的w l a n 天线的研究大量涌现【2 2 也7 】。 本章节将对近几年无线局域网中出现的典型天线，平面倒f 天线和平面单极 子天线进行研究，并对最近几年在微带天线设计中采用的小型化技术和双频段产 生技术进行分析。 3 1 典型应用的w l a n 天线 w l a n ( 无线局域网) 的频段分配包括三个频段，其中5 2g h z 频段 ( 5 1 5 g h z - 5 3 5 g h z ) 和5 8g h z 频段( 5 7 2 5 g h z 5 8 2 5 g h z ) 由于临近，通常在 设计中作为一个频段看待。所以，w l a n 天线需要工作在两个频段。实际上，w l a n 天线就是在这些频段上发展起来，从开始的针对一个频段到多个频段同时工作， 从开始的较大天线n d , 型化天线。比较突出的两种是p i f a ( 平面倒f ) 天线和小 型平面单极子天线。 3 1 1 平面倒f 天线 移动终端对天线的要求有：体积小、重量轻、极化正交、辐射方向图应是准 全向的、带宽足够宽、人体对天线的影响要尽可能小、人体对天线电磁能量的比 吸收率( s a r ) 应尽可能小。另外，在实际应用中，考虑到空间利用率以及安全性， 更多的采用内置天线。而平面倒f 天线