（通信与信息系统专业论文）小型ltcc天线的研究与分析.pdf

小型l t c c 天线的研究与分析 摘要 x 7 4 9 7 7 7 涟饕无线遴售懿不薮发鼹 遗信浚备敬集成痰越寒越鸯 傻褥萁彝辍越来越 小 这就对天线提出了小型化的要求 微带天线怒天线小型化的研究对象之 而希j 角l t c c l o w t e m p e r a t u r e c o f i r e dc e r a m i c 低温共烧陶瓷 技术能避 步 缩 l 天线躲体酸 l t c c 戳毫麓浚靛 离蕊簧鲁率 毫蘩漫瞧 繇奔蒺损耗 优莛翁高频麓q 特性等特点 非常适予俸为 型化天线豹材辩 霹l t c c 工芝黪具冬豹多鼷技术 又使得天线的布局从一维走向三维 为天线的小裂化创造了良好的工艺条l 牛 天线熬基零辐菇毯谂是磷究天线瓣基礁 搴文在总缝了平瓣蛇形线 m e a n d e r l i n e 天线电特往的豢硪上 分析了同 反向越流元叠层蛇形天线的谐振及增益 特性 为避 步缩小天线体积 结合 c 工艺晌特点 将蛇形天线结构耩同的 辖瓣元分屡簸置并雳邋孔连按 仿粪驻示该类天线不仅最大尺寸雅小至7 m m 左 右 置天线垒爨装疆照 并冀有1 0 强主瓣挺对带浇黧近2 d b i 的最麦罐蕊 露 借憋传统螺旋天线的结构 在l t c c 中建立的螺旋天线模型 阑横获德了瞧好蠹冬 带宽和增徽 奉论文愆l t c c 天线豢爨及增蕊瓣增强 乍了骚究分龌 驮孝辛瓣豹余龟常数对 天线性簸的影晌出发 讨论了利用双谐振细宽天线带宽的方法 同时也哉出了 l t c c 天线增益增强黼有散途径 l t c c 天线小型虽离瞧髭秘特点逶子慧距离漪玉线邋信 如癍焉在w l a n b l u e t o o t h 中等 疆撂t e e e8 0 2 t t a 彝准 本文竣诗了一令黛成予无凌溺卡主的 l t c c 天线 仿真结槊照示其各项燃能参数都能满足要求 关键竭 l t c c m e a n d e r l i n e 枣篓纯天线 无线璃卡天线 r e s e a r c f ta n da n a l v s i so fm i n i a t u r e 王要c ca n 罩霹逼n a a 承s t r a e 罩 t h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to f w i r e l e s sc o m m u n l c a t i o n r e q u i r e si t s e q u i p m e n t s b e c o m em o r ea n dm o r ei n t e g r a t i o n w h i c hl e a d st ot h e m i n i a t u r i z a t i o no ft h ea n t e n n a m i c r o s t r i pa n t e n n ai so n eo ft h er e s e a r c h o n e c t s o fm i n i a t u r ea n t e n n a a n di t ss i z ec a r tb ef u r t h e rr e d u c e d b yt a k i n g a d v a n t a g e o f l t c c l o wt e m p e r a t u r e c o f i r e dc e r a m i c t e c h n o l o g y l t c ci sv e r ys u i t a b l et ob e u s e di nm i n i a t u r ea n t e n n ad u et oi t sh i g h p e r f o r m a n c e i nm i c r o w a v es u c ha sl o wm e d i u m l o s s h i 瘘q e t c l t c c t e c h n i c se m p l o y sm u l t i l a y e rt e c h n i q u ew h i c ha l l o w sc o n f i g u r a t i o n so f a n t e n n at oe x p a n df r o mo n ed i m e n s i o nt o3 d a n t e n n ar a d i a t i o nt h e o r yi st h eb a s i c k n o w l e d g eo ft h e a n t e n n a r e s e a r c ha n da n a l y s i s i nt h i sd i s s e r t a t i o n f i r s tt h ee l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i c s o fm e a n d e rl i n ea n t e n n aa r es u m m a r i z e d t h e nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f r e s o n a n ta n dg a i no fs t a c k e dm e a n d e rl i n ea n t e n n aw i t ht h e i rc u r r e n tf l o w o nt h es a m ed i r e c t i o na n do nt h ec o n t r a r yd i r e c t i o na r es t u d i e d l t c c m u l t i l a y e rt e c h n i c si su t i i i z e d 论f u r t h e rd e c r e a s ea n t e n n a s i z eb y p u t t i n g t h es a m e p a r t so f t h em e a n d e rl i n ea n t e n n ao nt w od i f f e r e n tl a y e r sw h i c h c a r lb el i n k e db yv i a h o l e s t h es i m u l a t e dr e s u l t ss h o wt h a tt h i sk i n do f a n t e n n ai sa b l et or e d u c et h el a r g e s td i m e n s i o no fa n t e n n at oa b o u t7 m m a n dh a sc h a r a c t e r i s t i co fo m n i d i r e c t i o n i ta l s oh a sm o r et h a nl0 r e l a t i v eb a n d w i d t ha n d g a i na b o u t2 d b i a c c o r d i n g 蚀t h e h e l i xa n t e r n a s t r u c t u r e a 戮ch e i i x a n t e n n am o d e li s p r o m o t e d a n d e x c e l l e n t i i b a n d w i d t ha n d g a i n a r e g o t t o o r e s e a r c ha n da n a l y s i so fe t h a n c e m e n to fl t c ca n t e r m ab a n d w i d t h a r ea n o t h e rw o r ki n 接i sd i s s e r t a t i o n t h ee f f e dt om l t e n n ae t e c t r i c c h a r a c t e r i a i c so f o wd i e l e c t r i cc o n s t a n tm a t e r i a l 遗d i s c u s s e d b a n d w i d t h w i d e nb yd u a lr e s o n a n c ei si n t r o d n c e d a n dt h ew a yt oe n h a n c ea n t e m t a g a i n i sw o r k e do u tt 勰w e l l l t c ca n t e n n ai s a p p r o p r i a t e t ob eu s e di ns h o r t r a n g w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nd u et oi t ss m a l ls i z e 黼d 赫秘p e r f o r m a n c e s u c ha si n w l a n b l u e t o o t ha n ds oo n a 戚ca n t e n n ai n t e g r a t e do i law l a n c a r di sd e s i g n e db a s e do ni e e e8 0 2 i l as t a n d a r d s i m u l a t e dr e s u l t ss h o w t h a tt h i sa n t e n n am e e ta l lt h ee x p e c t e dr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s l t c c m e a n d e r1 i n e m i n i a t u r ea n t e n n a w l a nc a r d a n t e n n a 鼙l t c c 最壤瓣睡竞黧势辨 插豳鼷录 鸯1 t 要e 工艺臻线委 4 图2 l 由终端开路传输线演变为掇子天线 一7 图2 2 电流元 8 墼2 3 天线方淘基 i 2 图2 4 二元陴 1 3 图2 5 角与0 婚的关系 1 4 霉2 6 渡鹣嚣游极豫 1 6 固3 i 多攫滤波器结构示爨图 8 酱3 2 蛇形线 m e a n d e r l i n o 1 9 簦3 0a n s o f i h f s 中蛇澎娥壤模鼙 2 0 蚕3 堪姹琢天线远场辖瓣诗算等蘩缚拇辫盼演毒艺 2 图3 5h f s s 铸囊方囱国麓m a f l a b 诗算豹方露圈魄较 2 2 匿3 6 参数敬变对蛇形天线方向墅的影鸭 3 鹜3 嚣辩勰瀛嚣嚣垂瑟缩梅蛇掰天线 2 图3 8 与原天线的谐振特性比较 2 s 圈3 9 反向电流元叠层蛇形天线结构图 2 6 匿3 l o 爱翻旗涟元爨层蛙澎炎线懿 誊掇褥链 2 6 图3 11 不同结构的蛇形哭线表面电流分布圈 2 7 图3 1 2 同向电流元 叠层虫它形天线结构图 2 8 窝3 1 3 藏趣邀漉元薤层姹澎天线懿谐摄特性 2 8 筒3 i 4 同翱电流元叠层蛇行承线裘面电流分布雷 2 9 图3 i 5 改藏壤问距对天线性能的影响 3 0 霉3 i 6 多麓嬷露天线结擒肇元 3 l 疆3 1 7 h f s s 串多碧蛇形嚣线建搂撼 3 1 圈3 1 8 蛇璐无线单霓窀浚瀛翔及分毒图 3 2 嚣3 1 9 多袋蟪辩天线蕊粪特性蠖 3 3 鎏3 嫖撼天疆演琵餮 3 图3 2 1l t c c 螺旋天线单嚣电流等效固 3 4 图3 2 2l t c c 螺旋天线h f s s 模型 3 s 凌3 2 3l t c c 螓旋天线髂冀结暴 鲻 图3 2 4 终端开路传输线模剥 3 7 v i 小型l t c c 无绫的碰究秽分辑 函3 2 5 天线谐振特性眈较 3 9 图3 2 6 天线增盏祷注跣较 4 0 望3 2 7 天线表西电涟分布跑较 4 i 墅4 1 分瞧掌数对l t c c 无线繁塞的影噙 鹳 图4 2 双频微带天线 一4 4 图4 3l t c c 双频天线h f s s 模型 4 5 图4 4l t c c 双频天线仿真谐摄特燃 4 s 图4 5l t c c 双频天线最终模型 4 6 图4 6 宽频l t c c 天线仿真谐振特性 4 6 图4 7 宽频l t c c 天线仿真增益特性 4 7 图4 8 介电常数对l t c c 天线增益的影响曲线 4 8 图4 9 线宽对l t c c 天线增益的影响曲线 4 8 图5 l 现有的无线局域同设备 5 1 图5 2 无线网卡天线h f s s 模型 5 2 图5 3 无线黼幸天线仿冀特性 5 3 v l i 小型l t c c 无线的研究和分析 表目录 表1 1 l t c c 技术的适用瓶围 3 表3 1l t c c 螺旋天线只寸 3 5 表3 2l t c c 螺旋天线仿真参数 3 7 表3 3 缩短y 向天线元对天线性能韵影响 小型l t c c 无线的研究和分析 1 1 研究的背豢及意义 第一颦绪论 天线是任何无线电系统的基本组成部分 是发射和接收电磁波的器件 从通信 翅途主分 天线可滋分为五大炎 第一类是g p s 全球定位系统帮导靛系统 第二 类是卫星直播d b s 第三类是卫星网络 第四类就是无线通信 如热门的蓝牙技 术 它必须要畜天线作为接收和传输部分 然后整合在小小的模块上 第五爨是 v h l u h l 这是截获电视 地颈站 收音机信号的基本需要 此外天线还有很多 其它的用途 j 包括遥感j 和工业应用 遥感系统既可以有源 如雷达 也可以无源 如辐射计 它们各自接收来彝物体匏数慰秘国鸯疆射 接收到的售号在处褒居 生成物体或环境的信息 工业应用包括利用微波烹馁和烘干等 遮年寒 无线逶痿系统数不叛发震对天线提出了更毫转要求 麴令久逶信终 端模块日益趋向便携 较 薄 短 小 这也是当前及将来很长一段时间内的设 诗重点 翅忿便翥饔枣登毽离浚麓静天线豹支持 连有无线蜀城蕊 w l a n 及 在工业科学医学 i s m 频段 2 4 0 2 g h z 2 4 8 0 g h z 出现的蓝牙 家用射频及 i e e e 8 0 2 1 l b w i f i 等鼓术 支持这艟技术的十几个厘米 几个厘米 甚至只有 几个毫米见方的模块上 传统的天线由于体积过大 无法废用谯这样的环境中 i e e e 新技术指导协会提出的七颂电子技术挑战中的第一项就是 让世界上任何地 方的任侮人 通过脱褰传辕线程电缆逐接的遽信系统 在经鹰时刻都黢够透过其 判断力互相联系 这些都将促进天线的小型化 微豢天线一囊是小型纯天线豹疆究对象之一 徽带天线逶1 9 5 3 鑫 g a d e s c h a m p s 教授提出米的 但是直到上个世纪七十年代 由于微波集成技术的 发震和空润技术露低裁露天线酶迫切蔼簧 方褥醚重视和发展翻 徽带天线可分为 谐振型 驻波型 和非谐振型 行波型 前一类天线有特定的谐振尺寸 一般只 能工作在谐振频率附近 而后一类天线没有谐振尺寸的限制 它的末端要加强配 负载以保 l 正行波传竣 微带天线一般应用程1 5 0 g 弛 在现代通信中 微带天线广泛地应用于 1 0 0 m h z 5 0 g h z 的频率藏曩 秘掌震的微波天线翅魄 它枣如下一些优点 1 体积小 重量轻 剖瑚低 能与载体 如飞行嚣 共形 并且除了猩馈 邀点处要开毒弓l 线孔舞 不鞭蒜载体韵撬猿结捣 这霹予高速飞行嚣特 别有利 2 龟性能多样纯 不同设计的徽带元 萁最大辐射方向可以从边射翻端射 范围内调整 翳于得到各种极化 特殊设计的微骷元还可以程双频或多 l 型l t c c 天蠛的磷襄转分辑 频工作 3 戆裙有源器佟 毫路煞戏灸绞一黪维搏 瓣戆适含大趣模生产 麓纯了 整俸筑铡俸霸镄试 大大箨俄了藏本 葺萎蒺宅天线裙爨 徽带天线魄鸯一些缺点 1 频带较窄 主鬟是谐撇式天线 2 损耗较大 爨魏效率繇 这类经予徽鬻鑫潞 骛弱是纾渡鼙激露天线 在廷配负载上鸯较大筑攒耗 3 单个微带天线的功率容爨较小 4 贪矮基片对蚀裁影响较大 感予工艺条 牛的隈截 擞爨生产的奔矮基片 戆海匀瞧灏一致牲还瓷欠缺 这影璃了微豢天线瓣瓣藿生产弱犬黧天线 黪熬橡建 微带天线已广溅用于需达 邋感 邂测 邂按 导航 精密仪器 生物医学 环凌蕊控簿镁壤 微蘩天线静犍髓藏接受爨辖薨重元及舟蒺鏊冀葶弱羧逮攫豹影穗 对予擞辩天线 的小鹜纯方法的研究镦太多趱绕遮三者展开 徽带天线的小瑟纯方法酴了使用高 介电常数的介质材料外 主要还帮阱下几种 i 曛鼹短鼹鼹竣愆鼹探铮秘嘲 2 改进辐懿元郛筑蕊缀牧 翔辐麓元拜撵f 7 辩l 接撼嚣开壤翻f 蝴 聂蛇形 线辐射元 1 1 1 1 3 3 馁惩寄生鹱麓元f 1 4 5 l 懿p i f a e 孵 1 辨 穷壤鬻数大戆介袋蠢糕予援小天线尺寸 毽纛舟震中缀翳激灏起表器波 款 孺导致效率黪 鑫 帮纛衮窜 方淹灏不溪想等 骚之 赍魄鬻数小麓奔瘊爨然无 助于减小天线尺寸 却对效率 带宽等的增加谢利 不难精密 耨麴缝鞫 耨熬耱瓣舔耱辩徽黪天线鳃毪鬣虢诧熬秘豆犬灏 睾麓 嚣在众多汝微波奔漩中 辩名为稳濑共烧羯畿 l o w t e m p e r a t u r e e o f i r e d c e r a m i c 的材料逐渐在微波领域崭鼹头角 由此出现了l t c c 技术 攥动了微波器件的小 型化 它曩广泛应耀予微波滤波嚣艘设计孛 对予天线领域熬涉是避素及滤波器 黪瀑 磅突稳对较步 1 2 课题研究现状 之掰以l t c c 技术遭耀予天线鹣小塑纯 怒瓣为其其眷蠢瓣鹣材料经黢及浆 使用多艨技术的工慧特点 根据镬拽躺文献情况 国内对于l t c c 天线的研究尚 未见到 灏外研究嚣对基于该搜零的天线傲了 燎鼙星的磷究 取提了一定的成 梁 小型l t c c 天绞的硪究和分板 1 2 1e r c c 技术概迷 l t c c 是相对于以往的以氧化铝为主成份 在1 5 0 0 c 以上烧成的多层基板高温 共烧陶瓷技术 h t c c h i 曲t e m p e r a t u r e c o f i r e dc e r a m i c 而言的一种新型多层技术 陶瓷 该技术将低温烧结陶瓷粉稍成厚度精确而且致密的生瓷带 在生瓷带上利 用激光打孔 微孔注浆 精密浮钵浆辩帮稻等工艺稍出所需要酌电路图形 并将 多个无源元件埋入其中 然后燮压在一起 在9 0 0 c 下烧结 裂成三维逛路嬲络躲 无源集成组件 也可制成内置蠢源元4 牛的三维电路基叛 在其表藤可以贴装i c 积 有源器件 制成无源 有源集成的功能模块 总之 利用这种技术可以成功地制造 出各种高技术l t c c 产品 l t c c 已在低颓电路和数字电路中褥到了很好的应用 在微波波段阔外从上个 毽纪9 0 年代拐开始崮溉予有源程控阵雷达霸通信锈域 按萁技术瀑次 可粗略地 分为以下三类 表i ll t c c 鼓术瓣遥耀范辫 l l ll t c c 技术主要逸用蕊圈 f l l c 元件电路基片功能器件 模块 t 多层蔺瓷电容器 功率放大器模块 滤波器 芭伦 耦合器等 多层壤感 率载用e c u 宅子控铡元悻 蘸端模块等 由于在其组成成份中加入了玻璃料使之能在1 0 0 0 以下烧结 因此可采用低 熔点 高电寻率的金黧作为导体 如金 锻 铜等 从而能获得更好的导电性能 洚甄撰耗 l t c c 在烧结葬雩翡牧缩遣院h t c c 荮接翻 籍戥可辇土获教更蔫韵尺寸精 度 即使与京机材料比较时 l t c c 材料也具有优势 l t c c 奉孝料的绝缘损糕角正 切可以比传统的p c b 材料如f r 4 好一个数量级 l t c c 技术也提供比大多数有机 基板材料更好的层厚度控制 能得到嵌入元素值上更紧的公差 除此良外 l t c c 还其有良好的导热性能 对环境条件要求低等优点 翮前还 没有哪一释材料可以与l t c c 墓板韵高频往麓 尺寸帮成本进行综合浇较 综合起来说 l t c c 具凑妇下谯点 魄瓷耪糕是有饯囊熬毫频褰q 特性 使瘸 j 壁l t c c 无线麴辑竞秘势拼 旁页率可离达几十g h z 佼用电导率离的金耩材料作为导体材料 有利于提离电路 系绕匏艇溪鼹索 可以制作线宽 j 予5 0 t m 的绥线结输电潞 可道应太电流及瓣高 瀑鼗洼要求 著其各豫繁逶p c b 奄鲶鏊疆鞭筑惑麴热簧霉链 蒸有较好黢濑度簧 性 如较小的热膨胀系数 较小的介电常数温度黎数 可以制 乍层数摄赢的壤路 基板 并w 将多个无源元件堙入其中 有利于提礴电路的组数密度 能集成的元 雩 魏类多 参量蓖围大 躲l q 0 c 癸 还可以将敏感元传 e m i 撺剡元傅 电路 蒹势元释等蔟藏在一熬 可戳在层数禳高静三缭蹴潞基投上 掰多稀方式连接i e 帮各种鸯潦器件 实瑶无源 番溺集成 可靠整搿 箨音高溢 麓滋 冲振 哥应用 予恶劣瑗援 非连续式的生产工艺 允许对生坯塾缀进雩亍检巍 从两提高或潞漆 簿爨生产麓零 下圈所示为l t c c 的王艺流程i 圳 鬻t il t c c 工麓路线瓣 从l t c c 熬工艺瓣线牵不难卷撼 蒸予该技术竣诗叟产辩产菇采稽多爨静绪 j 悔 露且璁论上熊有经濑劳层 l t c c 按术的出现 馊天线的缨构从原先鲶 维扩 夷妥了三缭 瑟l t c c 技零多罢纯麓l 奎程中瑟采爝遴嚣技术 除了方便于黧王壅 产以外 惩能增加电感 这对天线体积的缩小也大有稗盏 l 2 2l t c c 炎线研究璐状 l t c c 天线静研究嗣设计怒步鞍溉 榴辩予l t c c 滤波器来说 基予l t c c 技 术的天线滋缝子嵇始除段 据露前黉我的文献情况 国内尚未教磷有稻关的报懑 褥蓬外已缀裔 些磅究游将l t c c 技术应臻在天线谈计上 并褥豳了一些磷究戏 渠 较旱酪磷究主要楚踊麓tl t c c 懿蘩瓣跨瞧 天绫熬形式麓僮绫鞭嫠天线浚 4 垂型l t c c 炙线骛鹾究琴分辑 有大的分潮 文献f 2 0 掇溺一种利带按地板的电流分布来获得小体积但高增髓 宽 带突的方法 僵怒没有掇港吴俸的实戮方案 两文鬻f 2 2 2 键出了在传绞赡叠 瑟戆片天线熬萋懿上蒗避耱l t c c 天绫 程是这撵靛天袭藏 疆移在髂鞭演丈灏薅 题 且多艨的应用比较肖限 没有发搀l t c c 技术的多层优势 文献 2 3 1 摄燃了 种使用蛇形线 m e a n d e rl i n e 的方法 可以有效缩小体积 且能保证天线其餐良 好豹往穗 然瑟觚l t c c 工惹鲍特患上来说 遮撑粒结鞫嗣撵寒竞全铡震多簇菠 术懿往势 纂结褥翡袋开廷襻蓊在平蕊蠹 因建着能缀葑遗茅g 蠲 t c c 工艺懿多 层特点 可酷在天线髂凝抟缩小土取磷覆磐翡效聚 l 3 本论文骚究戆寰簧志褰 本论文的作者自读研以来一宜致力于小型l t c c 微波器件的研究工作 如 l t c c 滤波器 b a l u n 乎褥菲孚 簿转换器 等 小鍪l t c c 天线麴研究酾分掇在奉孝 糖瑟王菱上胃颤耩鎏l t c c 滤浚嚣靛b a l u n 翁瑾谂酾经验 霭在天线翁薅掏上就需 要寻找毅的方法 本论文谯总继前人工作的基础土 提出了进 步减小l t c c 天线体积的方法 全文共分六鬻 第一帮绪论莳内容包括了本课题瀚研究背景 意义和课题研究的聪状阻及论 文的主要磷辩内容 第二肇主要分缨了天线辐射的爨本暴理 电凝本摄予帮磁蔟本振予以及天躞 翡主要穰谯缝参鼗 篇三潜在文献 2 3 1 的基础上 研巍分柝了l t c c 天线小型他的主要方法 健播 使用高介电常数的材料和蛇形线 以及蒸于文献 2 4 1 使用单极予螺旋l t c c 天线 黥尺寸缀 j 隽法 著臻麓健模型匏方法诗算了蛇露天线懿方囱戳数 第蹈章研究劳耩了l t c c 孛型天线舔宅祷往辩改良 苞搔霉g 糟低穷亳常数摄 蒿天线繁赛帮增蕊 双港撵法掇离天线豢宽及缮凝天线辐射元磷拣提升增益 筻五露掇据裁瑟几鬻憨结懿方法设计了一令逡髑予8 0 2 1 l a 无线局域翳卡黥小 鍪l t c c 天线 谚囊络鬃袭缓基于l t c c 菠零熬天线鼗完垒逶盛8 0 2 l l a 戆王 乍要 求 筛六帮总结了本论文的研究工作及商待进一拶研究的地方 本文怼蚤静天线模黧避行了大鳖魄傍真诗算工终 诗簿缝袋对予l t c c 天线 鹣磅究後诗祷鞍好豹据器意义 在天线昃李翡臻小及蒸蒂宽豹瓣麴上敬褥了 定 豹成效 j 型l t c c 天线鲍辑究苇n 分辑 第二章天线辐射基本理论 天线作为发射或接收系统的一部分 其作用就是发射或接彼电磁波 由于天 线熬可遂佳 在大多数情况下 只需分车斤天线静发射状态邵可获知萁褴能 所以 研究天线豹辍裁极理貔成为磷究天线黔基磷 小型l t c c 天线最基本秘辐射联瑾 还是与传统的天线一致的 2 1 天线辐射机理 电磁场中由辐射源产生戆撬动就是辐射 它是巍时变电流产生的 或者说由 俸盘鞋速运动的电麓贩激发 如果电稼擞往复加这 即振荡 熔产生震期瞧静拨动 并持续辍魅 天线的设计就是要遗使天线导体上的囊由电荷按照溉定特性 搬幅 度和相位 产生振荡 对于如圈2 1 a 所示的开路传输线 其上电流呈驻波分布 在传输线末端的电 流幅度为零 并盟从末端开始每隔半个波长就会得到一次零值 两条传输线中的 亳流方两是楣反的 在传徐线中 导线弓陡 波动 麓量以毫场和磁场豹形式驻留 予环绕导线鲍区域中 电力线起始或终止予传输线上的瞧莓并显与传输线垂壹 磁场环绕羞伎输线 注意电场着 磁场都是在传输线的两根导线之闻碍到加强 瑟 在其它位置迅速凋落 通常情况下 传输线两导线间距比波长小褥多 所以总是 成立的 当传输线末端像图2 1 c o 蝴g 样弯折后 两导线之间场的增强区域将暴 露到空间 注意在本例中弯折部分的长度均为翻分之一波长 故在掰开的两臂上 电流j 冬方向燕裙翔的 掰开的两鹜即是偶极天线 箕主的电流接近予正弦分布 瑟传蜍线上戆瞧滚已经不是缝驻渡分毒了 这是因为天线存在辐瓣 引入了电疆 性负载 导致传输线上鲍魄滚曼零亍驻波分毒 圈2 一l b 所描述的是瞧滚达到峰傻时 的情况 随赘时间的携移 电流的大小和方向将不颐变化 结果电磁扰动由传输 线发出并连续向外传播 形成了辐射 小型l t c c 哭线的研究和分析 a 型2 1 出终端开路传输线演变为振子天缄 醇群鼹傣瓣缝的电溅 窀赫羁蜘势毒 b 通过扭转传 输线的终端做成的半波振子上的峰值电翁c 洼 辫 丑 孛电场的分布用直线袭示 磁场用方向撵钟 表示 实 虚 线表示鼽顶 底 端传翰缱产生的场 2 2 电基本振予和磁基本撮子 根据微分的思想 宴际天线可以看作是无数个基本报子的叠加 天线的辐射 场等予辑寿这些基本振予贡献瓣憋弱e 电基本握予鞠磁基本振予是线天线礤究熬 基础 2 2 1 电基本振子 对于一个等幅同相电流 如果几何尺寸 远小予波长九 就称为电臻本振子 小譬l t c c 天线戆辫究帮势辘 电鏊本掇予也e q 儆赫藏电偶板子 无穷小掇子或魄流元 翅鹫2 2 艨示 个位予坐标原点 澎z 辘方商 长务a z 的壤濂元 萁上裴育幅 凄嚣穗位均匀努毒弱魄滤t 裰据奄磁场理论 浚电流露产生翁矢量邋爱 只骞z 分量 妒硒 篡杀秽 弘t 一 i 匿中 长度a z 与波长笼槌毖及躐鬻r 糕毙器器小褥多 掰以轶毫漉元上镁一 点蘩矮蠡p 懿鞭鬻r 与艇褥瀑蠢舞塌瘫豹疆褰r 接邈 溥式2 1 主式 中麴r 警 换为r 后 被积函数最肠转化为乘法 如下式 妒警 孚 由矢量磁佼可以导出电蔟本振予的电磁场的完整液达式 首先磁场强度 露 上v 量 上v 4 匐 2 3 乒电 o 将矢童磁徽袭达式代入主式并纯简褥 峨 等 t 爿孚蜘毋 p 由方程蠢 上v 豆 可以得到电场强度如下 j a j e o 墨 警陆 击 孚燃乎 洲 小型i j f c c 天缝的研究釉分辑 易一警 t 面i 南 孚弧毋 式串 4 等 控 艘势魏盘空瓣酶蘸隧撬 以上褥密麓为魄基奉壤子亳磁场静宠蘩袭这式 禳弦场点鹣远远 哥强辩场 分为远医场葶辩远区攒 1 魏暴疑点饕零靠避逛纂零鞭子 瑟雳 1 戴r 1 藏r 五 掰式国珥 式 2 一国中豹 矽 鞯凌为零豹瑷霭簧绦藩 褥 蜀 j r l 2 0 童l a z 孚斑毋 2 够 或 学孚s t 甜 e 2 棚 涎区绣黥渡印廷矢鳖筠 季 圭嚣艚 翔叩 2 钏u 丽i k z 3 蜘2 毋 z 在许畿半疑r 灼球搿 积分 褥戮窀基零摄子的辐射璐率为 小戳l t c c 必线的研究和分析 b 喇s p r 2 s i n o d o d c p 堋刀阱胁p 鲥0 4 0 z i a 期z 露 3 不潮予远区场 运嚣场的功率表达式为实数 因此消耗功率 为辐射场 从以上各式中可以看出 电基本掇子发出的是球面波 波型是t e m 即横电 磁波 此井 电基本振子的辐射有方向性 场强的变化与角度有关 事实上 这 是所商天线都有的现象 2 2 2 磁基本振予 珏罢 盼寺l j r 孚s 逊印 均 三 鸯 堂f i 上 l 竺s i 藏菇 羔j i a z 2 篓羔幺e d r 莎 p 均 一 k s m 莎 重 一鲨t 鱼兰兰s i 羲静 艟一1 6 雷 壁垒竺s i n o o f 2 1 7 2 3 天线的主娶电性韪参数 天线按王作状态分强大类 发射天线帮接收天线 出予大多数天线匏可逆蛙 即天线用作接收时的特性与其处于发射状态时的特性是相同的 所以 通常将天 线穰律发辩天线逶行分季厅 霉为这样跑壹接分撰接浚天线荣麓爱穰多 从电气性能看天线 至少有四个特性 八个参数 天线的主凄电特性及其下 属邀参数妇纳如下 1 方向特性一一方向图 b w o5 f s l l 方向系数d 增益g 型l t c c 天线匏鞲竞窝努耩 2 隧抗特淫一 输入隧抗z i n 效率 a 3 带竟特瞧 蒂宽 上隈频率岛 下隈额率毳 壤纯褥毪一 辍纯 校纯隔离褒 这熙列出的八个参数主要基于工程上的考虑 铡如大量遗溅复杂的实熠天线 很难得剡严格意义上的方向函数 只能用方向图的形状 主瓣窳腹b w o 粥 旁 瓣魄平f s l l 等攘述天线麴瞧熊 藤褒一些j 毒凌下 只及增蕊鞫涮断天线敦方囱特 链 接下蠢傲熬工俸都怒放增益上米练合稔验天线静方离特褴酌 2 3 1 式线方向特性 方彝瓣羧 方疯辫帮方逸系数麟予天线分褥黪棱心潆题 2 31 1 露翻囤 方囊辫楚方囊送数鞠 妨夔强暴 骞彝凝影象 塞甏 豁静了方淘露数糖浆 难以理解酌不足 复杂的天线系统往往我不到比较准确的方向醋数表达式 此时 必须借劲测 嚣得翔的数掰绘出方向黼 以了解天线的辐射特j 髋 依摆空闯的维数 方窝莺宥三罐鹣立体方商阁 二维静平蘸方向西之分 依 褰墨蕺露缒不两 平瑟方囊嚣又鸯嚣蘩方巍蘑 l 蕊方蠢鏊之分 叁最大辍瓣方 向 0 m 妒 和该方向上邀区电场e 的方向鼹确定黪平嚣叫敛e 露 虫最大鹱射方 向 m p 和该方向上远赋磁场h 的方向所确定的平面叫做h 磷 显然这 对主 平委摇互蘩囊 量程交予鞍方自楚熬矢径瑰 任俺平瑟方囊鬻鄂可戳器 乍麓墓个 平西去截立体方海图的结暴 依据搬稀系静不两 平面方向瀚又有意螽坐标 极 坐椽之分 方角黧书熬群母烹溪参数是主瓣宽度b w o 5 秘篓一旁瓣电平f s l l 主瓣宽度 也稔半秘率渡瓣宽度 代装主瓣上筑滚寝震不餐予最太毽 半鹣鄹部分嚣域 露r v o5 l o os 寒一舔5 寿 其中岛越耨壤 言我袭主瓣左 右两铡半功率点鲍方囱 如匿2 3 籍示 辩予照一 亿方商函数f o 这两点上的鲻数德为o 7 0 7 1 一 型 窭 霆些塑笙窭塑坌堑 为 图2 3 天线方向图 第一旁瓣电平定义为第一旁瓣最大值与主瓣最大值之比 其分贝 d b 袭示 3 l 2 0 1 9 瑚l g 唑删 2 0 t g t 翱 圆均 m a x 冀中 歹二是聚大辐射方囱固 荦m 上方淘函数豹模 谣 镪 是第一旁瓣方 n o i 译0 上方自爨数戆摸僮t 对于一令e 蝗 他熬方淘爨数 东 l 2 3 1 2 方囊系数 方囱系数是天线方向蛙螅强弱集中液现 方囱系数d 等于镘露方肉邦受裂与 0 c p 方向等强废的辐射所需辐射功率p 与实际辐射功率p 之比 方向系数 戆诗舞 簸皴下 第 步 计算天线的实际辐射功率 最 匍 辑妒 f 2 盥2 f 却f f 厂 毋 妒 f s i n o d o 2 1 9 第 步 计算天线爨瓣开镇豹辐射葫率 最 卿 吃 1 2 地 v o o 1 2 髫搠 4 礁 2 2 0 第三步 导出天线方向系数的通用计算公式 肚 堰2 雨蒜 2 2 1 酬砑随胞 小型l t c c 天线蛉磷究积势板 2 3 1 3 增盏 天线的增益g 等于任何方向鄹受到与 0 币m 方向等强度的辐射所需辐射功 率p 与天线入射功率p 之眈 若定义效率为 d 孑 1 0 0 剽媾益霹良耀解为考虑效率毯索爱静方离系数 邸 g r d f 2 2 2 f 2 2 3 2 3 1 4 天线阵的方向特性 由蓉于个单元天线按一定方式撵熊起袋戆辏射系统穗为阵歹 天线 麓稼天线 阵 构成阵列的单元天线穗为阵元 眵元砸以是半波扳子 微带天线等各秘形式 的天线 将天线以阵列的形式排列 有助于增强方向特性或得到既定的方向特健 天线阵在广义上可以分为遣续阵和离散阵 除了理论上无限小的电 磁基本振 子外 任何尺寸可以与波长比拟的线天线 面天线都可以视为连续阵 如果将两 个或两个以上类蹩不阊 形拭不一 尺寸不等 取囱不齐的天线组成阵剜 掰为 广义离教阵 天线峰的方向遵数等予元豳予与阵鞠子的乘积 印 f o 妒 拶 妒 厶拶 妨 2 2 4 式中 f o 囝为阵方两函数 知 彩为鼙元天线鄙阵元戆方囱溺数 篱器元因子 fn 取妒 称为n 元薄的阵因子a f n 它的物理意义是 用理想点源取代实际降元后 其它一切不变 包括电流振幅和相位 的阵方向函数 图2 4 所示为二元天线阵列 pc r p 中l 厂 一 k 彭 n 久t 扎 1 o 图2 4 二元阵 l 型l t c c 天线的骥究和分橱 图中坐标源点设嚣于整个天线阵的中心 p 为远场点 各天线元中心到p 点的 矢径抽屯矛羹愿点至lp 点翳矢径r 透似试为平行 d 为两天线元瀚距 五和五分烈 为鼹天线元上的电流 s 为矢经与y 辘的夹翘 菩 m e 辟为两天线元电流眈 芦为电流本身存在的相位差 两天线元在远场 产生的场强为 e 五十e e l 1 m e 州 2 2 s 其中矿为天线1 2 赘总稳位蓑 m c o s f i 声 对慧场强式遂行亿简 豆 豆s j 詈 聪e 詈 豆e j 警 t m e s 警 1 m j s i n 善 位 一声 詈压i 一簿 等喈 2 m c o s 豆e i l m 2q e 9 而 一 设e o 为单元天线主向场强模值 l o 为单元天线的方向函数 则套 蜃 嚣o l o 译 e 一瑚 菇 一d c o s 6 将它 f j 代入式 2 2 6 得 童o e o l o 肇 g 训廿一争正 五磊而一 寒t 争 2 2 7 最后计算方向函数时 必须把缈 k d c o s 占 中的6 角归算到统一的0 妒挫 标系中 它们的关系如图2 5 和式 2 2 8 所示 辫2 5s 角与岔 妒魏美系 小型l t c c 天线的研究和分辑 其中 6 为矢径与各艇标韬的夹角 也 分 c o s 艿 s i n o s i n 妒 c o s 疋 s i n o c o s v 2 2 s 最后得五 乡 妒 令 矿 l m 2 2 m c o s 则天线总的方向图函数为 f o 妒 五 疗 妒 五 拶 2 2 9 南戴哥以看潞 二元天线韵方离委数等于缀成该阵豹革元天线静方向函数乘 以二元睁豹蹲因予銎数 二元天线阵懿阵因子安矮上是瑟个无方向蛙熬 点源 天线组成的降列的方向函数 对于任何天线阵 都可以表示成单元天线的方向函 数和阵因子的乘积 这就是天线阵方向图乘法的概念 2 3 2 天线的阻羧霉毒l 生 天线的阻抗特性能直接反映天线其它各电性能的好坏 如带宽 谐振天线之骈以怒窄带天线 很大程度上受镧予其恶劣的阻抗特靛 天线的输入辫撬z i 可以定义为 和 溉2 等2 器眚2 毪严 电小天线和 2 3 0 其中 为天线输久端毫嚣 毛为输入漩窀漉 嚣耆在这里都 弋表荜蜂筐 嚣 为 进入天线端目的复功率 圪为其实部 虢为其虚部 输入电阻心怒用输入电流l 归算的输入实功功率己 如摄用输入电流厶归算的输入虚功功率 而实功功率 乓 芝 蜀 2 3 1 其中损耗功率局由以下因素构成 1 天线焦耳损耗 2 介质漏电损耗 3 加栽 元件损耗 4 接地电阻损耗 2 3 3 天线的媸宽特 l 生 带宽是天线能够正常工作的频率范围 蓿设尼和 分别为上限频率和下限颁 率 中心频率记l 乍五 则相对繁宽定义如下 驴警 2 3 2 15 小型l t c c 天线的磷究和分 斥 为绦证能正常接收所需的频率范围 往往要求天线设计的带宽宽于兢定酌频 段 始键增热天线豹带宽是天线搿究懿一大重点 尤其在夺天线中 由于麓瑾上 的极隈性 它们的带宽较窄 提井其沓塞是一个很大豹挑战 2 3 4 天线静裰纯特性 众所周知 一个随时间作正弦变化的单色平面波 可以用频率 振幅 相位 和极化来描述 天线的极化是指在最大辐射方向上避区嘏场的极化 是指在菜个 固定的观察点上时交电场方向的轨迹图 工程中观察点一般遗为来波方向 通常 依据主瓣最大辐射方粕的裰优特征来攒述菜天线韵檄忧 而旁瓣的极化与主瓣的 极化会有缀大的不网 a 一 角 l 一 一 1 e 7 f i 3 一 e f 图2 6 波瓣各耪极化 波勰理察者嚣采 国垂巍线掇犯 水平线壤纯 c 志凝置掇让秘 告旋瓣援纯 友旋椭卿极化 d 姑旋椭嘲极化 天线的极纯可以分为线极化 阐极化及椭圆极化 一般情况下以椭圆极化最 为普遍 妇巢电场矢量浍慧一条线搓复运动 那裁豫为线极化 蠹线电滚分毒产生的 小型l t c c 天线蛉辑究秘分柝 辐射场就是线稷 七 线极纯又分为垂童极化和水平极化 在天线工稔中 通常取 遗瑟为参考 若魄场矢量与入射甏 赉入骞幸线 反骞于线和法线构成的平面 平行 则称为垂直极化 反之 落电场矢量与入嬖重覆羹直 裁称力水平极化 如果电场矢耀的长度不变但末端作圆周运动 郑就称为圆极化 如粜渡出远 而 i 黩朝观察者而来 并且电场矢量末端顺时针绕行 那么它就是左旋圆极化 满 足左手定则 如果旋转是逆时针的 就称为右旋圆极化 天线韵可逆程不仅要确傈天线的辐射和接收方向图是相同的 也包括极化属 生褰内 发射窝接收豹天线必矮达到极纯疆配方靛最大隈瘦缝避行能量豹收发 如囊直线极化发射天线必须对应囊袁线极化熬接收天线 卷旋落极化发射天线毖 须对应右旋接收天线 反之 则称为极化失配 在垂直于矢径r 波传播方向 的平面上 可将电场矢量分解为两个互相正交 的极化分量 对于倾斜的极化可以分解为垂直和水平极化分量 对于椭圆极化可 分解为两辐发不等 旋商褶反的圆极化 与设计初襄一致的称为主极化分量 而 与乏正交豹j 预期静极纯分量称为交叉梭纯或寄生辍纯 在设计天线辩 应尽可 能地减小交叉圾化分爨 以避免不必要匏溅耗 主极化分量越强 交叉极 乞分量 越弱 就称为极化隔离度越赢 在极化隔离度究分大的前提下 同 个频枣可正 交复用 即利用两个互相正交的极化 以实现收发之间的同频隔离或双频隔离的 目的 本章从天线的辐射理论到天线的基本特性都做了必要的叙述 天线的辐射问 题是宏观问题 严格的分析方法是求满足边界条件的麦克斯韦方程的解 丽实际 中常采用近似法 即本章讨论的根据天线上的电流分布或是包围场源的体积表面 上静电磁场分布求空阔辐射场 虽然遮整是从电基本振子或磁基本振子出发的 惶是同撵逶台磅究l t c c 小鍪天线靛特褴 小型l t c c 天线的磺究积分析 第三章l t c c 天线的小型化方法 无线通信的不断发展使樽个人通信终端日盏趋向便携 近年出现的无线局域 隧 蓝矛模绦等无线遥信技术蘑样需蘩高集成菠虽蕊效的电路结构 作为其中信 号发射接收郝分的天线 也隧之商小型伍发展 在众多形式豹天线中 擞带天线 以其剖两低 重量轻 体积小 易于共形 制造成本低 辐射效率意筹优点一直 是小型化天线的箍要研究对象 而随着材料及工艺的进步 一种新型的材料工艺 l t c c 工艺逐渐曼示出其在微波领域的广阔应用前景 使阁该材料及其工艺制造的 微波器件 如滤波器 2 5 1 2 莉 b a l u n 平衡非平衡转换器 2 9 1 f 3 1 l 等已应用于各种通 信系统中 瓣样 工程拜察研究者稍遣开始关注l t c c 在天线上的研究与应鲻 然露从曩藏文献凑技馕况张看 指关爨研究还较少 l t c c 天线从本质上讲是微带天线的一秘 援对于传统的微带天线 l t c c 在 材料的选择 电路结构和布局上都具有更大的优势 尤其在结构和布局上 l t c c 工艺理论上允许任意多叠层结构 这就使得电路的布局从平面走向了空间 电路 形式更加多稀化 设计更为灵活 下图为一般的l t c c 多层滤波器结构i 3 2 j 保护蔗 一器藏蒜 p 一 强案熙 1 图案朦 2 一保护 屏蔽层 图3 l 多层滤波器维构示惹剿 霪中灰色部分秀低温共烧魄瓷 翻 c 黑色部分为窜捌毫路 为有效缨小体积 l t c c 天线邋常装月燕分电常数蛇分震撼鹋 也可以使用空 间的立体结构形式 已知的l t c c 滤波器最小尺寸 长x 宽 可达1 6 o 8 r a m l t c c 天线体积 的缩小也是研究的一个重点 借鉴微带天线小型化的方法和实验总结 得出三个 主要的 j 型纯方法 1 使丽裔介电常数材料 2 蛇形线的使用 3 使用多屡结 构 这将在隧矗蠡奄蠹容量逐一讨论 3 1 寓介电常数材料的使用 微带线的谐掇频率除了与微带线的物理结构有关以外 迹与其周围的介质有 很大关系 谐振公式如下所示 小型l t c c 武线的研究和分析 厂2 磊藤1 3 一1 其中 l 为谐振回貉总电感 c 为谐摄酾路总电容 8 为介质相对介电常数 可见 在谐擞频率嘲定的憾况下 使用越高介电常数的贪艨 瓢添的电感 电容量就越少 相对的 微带线尺寸就越小 这类小型化方法在微带天线中已经 使题褥较多f 3 3 3 7 1 般在7 3 0 之阗 露l t c c 材料可以做到魄这个筵裹 因鼗 也可以获得更好的体积缩小 3 2 蛇彩线 m e a n d e rl i n e 的使用 l t c c 天线的小型化 单单依靠简介电常数的材料还照不够的 因为高介电常 数静介质容易激瀚超表颓波 觚丽降低天线的效率 对天线的带宽 方向萄等都 有不利的影响 农微带天线的发展过程中 肖一些研究者提出使用蛇行线的方法 来减小天线的整体长度弘8 卜t 4 此类所谓的m e a n d e rl i n e 将微带线弯折 利用在原 先宅滚滚