单层、多层结构平面倒F天线的分析与设计

1、西南交通大学本科毕业设计（论文）单层、多层结构平面倒F天线的分析与设计ANALYSIS AND DESIGN OF SINGLE- ANDMULTI-LAYER PLANAR INVERTED-F ANTENNA2011 年 06 月院 系 物理科学与技术学院 专 业 电子信息科学与技术 年 级 2007级 姓 名 吕春艳 题 目 单层、多层结构平面倒F天线的分析与设计 指导教师评 语 指导教师 (签章)评 阅 人评 语 评 阅 人 (签章)成 绩 答辩委员会主任 (签章) 年 月 日毕业设计（论文）任务书班 级 电讯2007-01班 学生姓名 吕春艳 学 号 20074017 发题日期： 2

2、011 年 01 月 08日 完成日期：06月 10日题 目 单层、多层结构平面倒F天线的分析与设计 1、本论文的目的、意义 随着无线通信技术的发展，移动通信经历着从基本的语音业务到低速数据业务，再到高速数据业务的发展历程，因此通信需求也越来越多样化(多频段，多极化，多用途)。为了适应现代无线通信多样化的特征，无线通信的终端越来越向小型化，多功能化和宽带化等方向发展，因而对于终端天线的设计也相应地提出了小型化、多频段及宽频带的要求。平面倒F天线(PIFA)具有结构紧凑、体积小、便于内置、加工成本低、制作简单、后向辐射小等优点，已被广泛应用于各种移动通信系统。 2、学生应完成的任务 (1)查找指

3、定文献Investigations into Operation of Single- and Multi-Layer Configurations of Planar Inverted-F Antenna，并认真仔细阅读。 (2)翻译英文文献一篇。 (3)安装、学习、使用HFSS软件。 (4)学习微带天线基本原理。 (5)搜集与毕业设计题目相关的文献15篇以上，其中英文文献四篇以上。 (6)对指定文章的内容进行仿真分析。 (7)对相关天线进行改进讨论与应用设计。 (8)完成毕业论文撰写。 3、论文各部分内容及时间分配：（共 15 周）第一部分 绪论 ( 2周) 第二部分天线的基本理论 ( 3

4、周) 第三部分平面倒F天线的基本理论 ( 3周)第四部分单层、多层PIFA天线的分析与设计 （5周) 第五部分结论、致谢、参考文献 (1周)评阅及答辩 (1周)备 注 指导教师： 年 月 日审 批 人： 年 月 日摘 要天线作为无线通信系统中的重要组成部件之一，其性能的好坏直接影响到系统的通信质量。随着现代通信技术的不断进步，移动通信业务正以前所未有的速度迅猛发展，对天线提出了小型化、宽频带、多频段、智能化的要求。从微带天线发展而来的平面倒F天线(Planar Inverted-F Antenna，PIFA)是一种可内置于手持设备中的天线形式。典型的平面倒F天线由接地板、辐射贴片、馈线、短路探

5、针或短路壁组成，因其具有结构紧凑、低剖面、体积小、重量轻、成本低、易于加工制造、易与微波电路集成及易与载体共形等特性，得到无线通信行业的广泛应用。论文首先介绍了课题研究的背景，PIFA天线的研究现状。其次，介绍了天线的基本理论，包括天线的类型；描述天线的几个重要参数；部分典型天线（线天线、面天线、共形天线）。再次，介绍了PIFA天线的基本理论，归纳了微带天线的分析方法、激励方法，以及PIFA天线的演变过程及其结构。论文在研究PIFA天线的基本理论基础上，利用电磁仿真软件HFSS对单层及多层PIFA天线进行了仿真分析，主要讨论了天线各尺寸对其性能的影响。对于单层PIFA天线，分析了接地板的开缝位

6、置，各贴片的尺寸和形状，短路贴片的宽度和位置，馈电点位置对天线性能的影响；并改进了天线的结构，使其工作频带覆盖GSM频段(880MHz960 MHz)。本文还分析了多支节及三层PIFA天线的结构和性能，仿真了回波损耗随频率的变化关系。研究结果表明，平面倒F天线具有良好的性能，适合用于手持终端系统。关键词 微带天线；小型化；多频段；平面倒F天线AbstractAntenna is one of the key components in wireless communication. The quality of communication system is determined by ant

7、ennas performance. With the improvement of modern communication technology, mobile communication industry is developing with a speed greater than ever, there come great demands of miniaturized, multi-band, intelligentized antennas with broadband property. Planar inverted-F antenna (PIFA) can be plac

8、ed inside of handset devices, which is developed from microstrip antenna. Typical planar inverted-F antenna is consisted of metal ground, radiating patch, feeding line, short-circuited probe or short-circuited strip. PIFA, which has the features of compact structure, low profile, small size, light w

9、eight, low cost, easy to integrate with microwave circuits and easy to be comformal with carrier, has been applied widely in wireless communication.The research background and the present research situation of PIFA are firstly introduced in the thesis. The basic theories of the antenna, including th

10、e types of antennas, several important parameters, some typical antennas (line antenna, surface antenna and conformal antenna) are secondly introduced. Then, the basic theory of PIFA, the analysis and incentive methods of microstrip antennas, the evolution process of PIFA and its structure are descr

11、ibed.Based on the research of PIFA theory, with the help of electromagnetic simulation software HFSS, the single- and multi-layer PIFA have been presented in the thesis. The influence of structure parameters for antenna properties is discussed. For the single-layer PIFA, the influence of the slot lo

12、cation in the metal ground, the size and shape of patches, the short-circuited patch width and position, feed location for antenna performance has been analyzed. In order to make the working band of antenna cover GSM band (880MHz-960MHz), the antenna structure is improved. The structure and performa

13、nce of multiple-branch single- and multi-layer PIFA also have been discussed in the thesis. The return loss of antenna is simulated, which changes with frequency.Research results show that the planar inverted-F antenna has good performance. It is suitable for handset terminal system.Key words: micro

14、strip antennas; Miniaturization; Multiple-band; PIFA目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc295861691 第1章 绪论 PAGEREF _Toc295861691 h 1 HYPERLINK l _Toc295861692 1.1 课题研究背景及意义 PAGEREF _Toc295861692 h 1 HYPERLINK l _Toc295861693 1.1.1 课题研究背景 PAGEREF _Toc295861693 h 1 HYPERLINK l _Toc295861694 1.1.2 课题研究的意义

15、 PAGEREF _Toc295861694 h 2 HYPERLINK l _Toc295861695 1.2 平面倒F天线的研究现状 PAGEREF _Toc295861695 h 3 HYPERLINK l _Toc295861696 1.3 本文所做研究工作 PAGEREF _Toc295861696 h 4 HYPERLINK l _Toc295861697 第2章 天线的基本理论 PAGEREF _Toc295861697 h 5 HYPERLINK l _Toc295861698 2.1 引言 PAGEREF _Toc295861698 h 5 HYPERLINK l _Toc2

16、95861699 2.2 天线的类型 PAGEREF _Toc295861699 h 5 HYPERLINK l _Toc295861700 2.3 天线的性能参量 PAGEREF _Toc295861700 h 6 HYPERLINK l _Toc295861701 2.3.1 方向图 PAGEREF _Toc295861701 h 6 HYPERLINK l _Toc295861702 2.3.2 天线的输入阻抗 PAGEREF _Toc295861702 h 7 HYPERLINK l _Toc295861703 2.3.3 方向性系数与增益 PAGEREF _Toc295861703

17、h 8 HYPERLINK l _Toc295861704 2.3.4 极化 PAGEREF _Toc295861704 h 9 HYPERLINK l _Toc295861705 2.3.5 频带宽度 PAGEREF _Toc295861705 h 9 HYPERLINK l _Toc295861706 2.4 典型天线 PAGEREF _Toc295861706 h 10 HYPERLINK l _Toc295861707 2.4.1 线天线 PAGEREF _Toc295861707 h 10 HYPERLINK l _Toc295861708 2.4.2 面天线 PAGEREF _To

18、c295861708 h 13 HYPERLINK l _Toc295861709 2.4.3 共形天线 PAGEREF _Toc295861709 h 15 HYPERLINK l _Toc295861710 第3章 平面倒F天线的基本理论 PAGEREF _Toc295861710 h 16 HYPERLINK l _Toc295861711 3.1 PIFA天线相关理论基础 PAGEREF _Toc295861711 h 16 HYPERLINK l _Toc295861712 3.1.1 单极天线的基本原理 PAGEREF _Toc295861712 h 16 HYPERLINK l

19、_Toc295861713 3.1.2 微带天线基本原理 PAGEREF _Toc295861713 h 18 HYPERLINK l _Toc295861714 3.2 微带天线天线的分析方法 PAGEREF _Toc295861714 h 22 HYPERLINK l _Toc295861715 3.2.1 传输线模型理论 PAGEREF _Toc295861715 h 23 HYPERLINK l _Toc295861716 3.2.2 空腔模型理论 PAGEREF _Toc295861716 h 24 HYPERLINK l _Toc295861717 3.2.3 全波理论 PAGER

20、EF _Toc295861717 h 27 HYPERLINK l _Toc295861718 3.3 微带天线的激励方法 PAGEREF _Toc295861718 h 28 HYPERLINK l _Toc295861719 3.3.1 微带线馈电 PAGEREF _Toc295861719 h 28 HYPERLINK l _Toc295861720 3.3.2 同轴线馈电 PAGEREF _Toc295861720 h 28 HYPERLINK l _Toc295861721 3.3.3 电磁耦合馈电 PAGEREF _Toc295861721 h 29 HYPERLINK l _To

21、c295861722 3.4 平面倒F天线的衍变过程及其结构 PAGEREF _Toc295861722 h 31 HYPERLINK l _Toc295861723 3.4.1 PIFA天线的衍变过程 PAGEREF _Toc295861723 h 31 HYPERLINK l _Toc295861724 3.4.2 PIFA天线的结构 PAGEREF _Toc295861724 h 34 HYPERLINK l _Toc295861725 3.4.3 结构参数对PIFA天线性能的影响 PAGEREF _Toc295861725 h 35 HYPERLINK l _Toc295861726

22、3.5 本章小结 PAGEREF _Toc295861726 h 36 HYPERLINK l _Toc295861727 第4章 单层、多层PIFA天线的分析与设计 PAGEREF _Toc295861727 h 38 HYPERLINK l _Toc295861728 4.1 概述 PAGEREF _Toc295861728 h 38 HYPERLINK l _Toc295861729 4.2 单层PIFA天线的分析 PAGEREF _Toc295861729 h 38 HYPERLINK l _Toc295861730 4.2.1天线模型的建立 PAGEREF _Toc295861730

23、 h 38 HYPERLINK l _Toc295861731 4.2.2 天线仿真分析 PAGEREF _Toc295861731 h 39 HYPERLINK l _Toc295861732 4.3 天线在GSM频段下的应用设计 PAGEREF _Toc295861732 h 48 HYPERLINK l _Toc295861733 4.3.1 天线仿真分析 PAGEREF _Toc295861733 h 48 HYPERLINK l _Toc295861734 4.3.2 结果讨论 PAGEREF _Toc295861734 h 51 HYPERLINK l _Toc295861735

24、4.4 多支节单层PIFA天线 PAGEREF _Toc295861735 h 52 HYPERLINK l _Toc295861736 4.5 多层PIFA天线 PAGEREF _Toc295861736 h 54 HYPERLINK l _Toc295861737 4.6 本章小结 PAGEREF _Toc295861737 h 55 HYPERLINK l _Toc295861738 结 论 PAGEREF _Toc295861738 h 56 HYPERLINK l _Toc295861739 致 谢 PAGEREF _Toc295861739 h 57 HYPERLINK l _To

25、c295861740 参考文献 PAGEREF _Toc295861740 h 58第1章 绪论1.1 课题研究背景及意义1.1.1 课题研究背景天线的发展过程是和无线电技术的发展过程紧密地联系在一起的。各种形式的天线都是为了适应当时提出来的实用要求而设计的。第一副天线是德国物理学家赫兹在1887年为了验证英国数学家麦克斯韦提出的存在电磁波的理论而设计的。1901年意大利物理科学家马可尼第一个采用大型天线实现远洋通信，可认为是真正付之实用的第一副天线垂直接地天线。早期天线的发展受到振荡源的限制，大约到1920年三极管可以产生1MHz连续波之后，谐振式的半波天线才有可能实现。在1925年前后，人

26、们发现了利用电离层可以进行短波远距离通信，从而使天线需要的功率大为减小。大概到1940年前后，有关长、中、短波线形天线的理论大体成熟，主要的天线型式一直到现在还在采用。1927年前后，超短波八木天线被提出，到现在仍占有非常重要的地位。虽然早在1888年赫兹就首先提出了抛物柱面天线的概念，但由于没有相应的振荡源，微波天线一直沉默了30年。喇叭天线是三十年代随着波导技术的发展而产生的，而抛物反射面天线则是一直到1937年才付诸实用。第二次世界大战期间，由于雷达技术的发展，超短波与微波天线得到飞速的发展。抛物面天线、透镜天线、介质棒天线、开槽天线等都在这个时期有不同的进展。其中以抛物面天线的发展尤为

27、突出，包括馈源设计、波束扫描和产生预定方向图等问题的分析和研究1。第二次世界大战结束后，无线电技术的发展更为迅速。微波中继通信、散射通信和电视广播日益受到重视，从而对天线提出了许多新的要求。到了五十年代，非频变天线的理论导致对数周期、等角螺旋等宽频带天线陆续出现。自从五十年代末期人造卫星上天，洲际导弹相继出现之后，人们进入了宇宙空间时代，对天线的研究又提出了许多新的课题，要求解决天线的高增益、高分辨率、圆极化、宽频带、快速扫描和精确跟踪等问题。整个六十年代到七十年代初期，天线的发展达到了空前鼎盛时期。一方面是大型地面站天线的新建与改进，包括卡塞格伦天线开始出现，新的馈源和主、副反射面的修正，波

28、束波导等技术的应用；另一方面沉寂了将近30年的相控阵，由于移相器的发展，电子计算机的问世以及远程警戒，多目标同时搜索跟踪等等迫切的要求，而重新得到了重视和发展。到了七十年代，无线电技术向波长愈来愈短的毫米波、亚毫米波以至光波方向发展。对天线提出了小型、轻便、平嵌等一系列要求。因此有源天线、微带天线、开槽天线、 表面波天线、共形阵等引起了广泛的注意。天线作为无线电系统的关键设备，随着通信、雷达、广播等无线电应用系统在不同时代的需求而不断发展，形成了庞大的天线家族，并凸现出“线天线”、“面天线”、“天线阵”三条平行的发展轨迹。在全球通信技术飞速发展的今天，无线通信与人类生活息息相关、密不可分，无线

29、技术成果正逐步改变着日常的沟通理念和生活方式，无线通信领域已经成为一个研究热点1。随着无线技术的日新月异，天线在电视、卫星通信、移动通信等无线领域中所起的作用越来越重要，得到越来越多研究人员的关注。早在1953年德尚(G.A.Deschamps)教授就已提出利用微带天线的辐射来制成微带微波天线的概念。但是在随后的20年里，对此只有一些零星的研究，直到1972年，由于微波集成技术的发展和空间技术对低剖面天线的迫切需求，芒森(R.E.Munson)和豪威尔(J.Q.Howell)等研究者制成了第一批实用微带天线。随之国际上展开了对微带天线的广泛研究和应用。1979年在美国新墨西哥州大学举行了微带天

30、线的专题国际会议，1981年IEEE天线与传播会刊在1月号上刊载了微带天线专辑，至此，微带天线已形成为天线领域中的一个专门分支，微带天线相关专著也相继出版。上世纪70年代是微带天线取得突破性进展的时期，在80年代中，微带天线在理论与应用的深度上和广度上都获得了进一步的发展。如今，这一新型天线已经成熟，其已被广泛地应用于雷达技术、空间科学、生物医学领域以及当前各种无线通信系统中2。然而，微带天线的高Q值导致了天线窄带宽的特性3，增大带宽势必带来天线尺寸的加大。由于集成电路技术及工艺的发展，电子产品越来越精巧细致，对天线的尺寸也提出了更高的要求。在小型化、多频段和宽频带的趋势下，平面倒F天线(PI

31、FA，Planar Inverted-F Antenna)应运而生。平面倒F天线易于与载体共形、易于与集成电路集成，同微带天线相比，体积更小、重量更轻、成本也更低，因此在无线通信领域得到广泛的研究和应用4。1.1.2 课题研究的意义随着无线通信技术的发展，移动通信经历着从基本的语音业务到低速数据业务，再到高速数据业务的发展历程，因此通信需求也越来越多样化。今天人们希望移动终端设备不仅能够满足基本的通信需要，还应有蓝牙、无线上网等功能，甚至能收看移动多媒体电视，比如韩国近几年推广的DMB手机等。为了适应现代无线通信多样化的特征，无线通信的终端越来越向小型化，多功能化和宽带化等方向发展，因而对于终

32、端天线的设计也相应地提出了小型化、多频段及宽频带的要求。平面倒F天线(PIFA)具有体积小、便于内置、加工成本低、制作简单、后向辐射小、比吸收率低等优点，已被广泛应用于各种移动通信系统5。而在必须考虑大小、重量、价格、特性要求、易安装以及符合气体动力外观等因素的高性能飞机、卫星以及全球定位系统、移动通讯和无线通讯等诸多高速发展的应用中，都需要具有低剖面、能平贴于任何平面或曲面的外观特性、易制作而且易与微波电路集成等优点的微带天线。而微带天线本质上所具有的高品质因数、窄频带、低效率等缺点也大大限制了他们的应用。因此，越来越多的研究投入放在如何改善它们的缺点，充分利用它们的优点，使它们更适合于实际

33、的应用中。近年来，出现的平面倒F天线(PIFA)除具有微带天线的典型优点外，又兼具有宽频带、易于设计、结构紧凑、造型简单的特点，因此在无线通信领域获得了极为广泛的应用，成为研究的热点。本文将分析一种特殊的单层PIFA天线(TCR20)的工作性能，并对其结构进行改进；还将分析多支节及三层PIFA天线的特性。1.2 平面倒F天线的研究现状平面倒F天线主要应用在手机终端中，由于其体积小、重量轻、成本低、性能好，符合当前无线终端对天线的要求，因而得到广泛的应用，国内外对其进行了许多研究工作。国内外有关研究平面倒F天线的文献有很多，文献58研究了PIFA天线的宽频带技术，文献5，9研究了PIFA天线多频

34、段的实现，文献4，8，1013分析了PIFA天线的小型化技术。其中文献9通过加载短路壁和对贴片开U型槽的方法，使得PIFA天线的工作频段覆盖了GSM900 MHz、DCS1800 MHz和ISM2450 MHz 3个频段，而且在各个频段的频带宽度也比较理想。文献14描述了一种应用于UMTS(Universal Mobile Telecommunications System)系统的T型地板PIFA天线，该天线实际测试的相对带宽为17%；文献15设计了一种适用于WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access)系统的T型加载贴片PIFA天线，其相对带宽达到

35、了38%。文献16介绍了一种接地板开槽的PIFA天线，该天线接地板两侧交替开槽，贴片不仅向下折叠而且以蜿蜒的形式延长电流路径，在接地板和蜿蜒贴片的共同作用下，增大了天线的带宽和增益，同时也有效地减小了天线的尺寸。文献17设计了一种新颖的小型单馈电平面倒F天线。综上，对天线辐射贴片、短路贴片、馈电线、接地板任一处的改变都可以导致天线性能的较大变化。平面倒F天线的设计就是要综合各部分的影响，设计出适用于不同频段的性能良好的天线结构。1.3 本文所做研究工作本课题在查阅国内外相关文献资料的基础上，选择可以满足指标要求的单层及多层平面倒F天线进行深入研究，对各部分尺寸对天线性能的影响进行了详细的研究和

36、仿真，从而验证研究结论，优化天线性能。为以后的天线设计提供理论上的数据支持。 1. 首先介绍了论文的选题背景及研究意义，讨论了小型化、宽频带、多频段天线的发展现状，为后续的讨论奠定了基础。 2. 介绍了天线的类型，基本性能参数，如方向图、方向性系数、极化、频段宽度等。还介绍了一些典型的面天线、线天线及共形天线。 3. 介绍了微带天线的基本概念、辐射机理及分析设计方法，讨论了微带天线理论中常用的几种分析模型：传输线模型、空腔模型以及全波分析法。分析了影响微带天线各种特性的因素，并针对这些因素提出了具体的微带天线小型化、宽频化和多频化的一些技术。并从PIFA天线的各个组成部分入手，对PIFA天线的

37、结构进行了详细的介绍。对PIFA天线的相关性能指标和分析方法也都作了大体的描述。4. 对给定的单层结构平面倒F天线进行了仿真分析，讨论了该天线的结构、工作原理以及天线各尺寸参数对天线性能的影响，实现了天线在1000 MHz1100 MHz及2040 MHz2350 MHz频段内，回波损耗的值在-10dB以下。并在新频段下对天线进行了应用设计，实现了在GSM(880 MHz960MHz)频段，回波损耗的值在-8dB以下。随后又分析了多支节及三层PIFA天线结构，进行了仿真，讨论了天线的仿真结果。第2章 天线的基本理论2.1 引言天线在无线电设备中的主要功能为能量转换和定向辐射或接收。天线的能量转

38、换功能是指导行波与自由空间波之间的转换。发射天线将馈线引导的电磁波(高频电流)转换为向空间辐射的电磁波并传向远方，而接收天线则将空间的电磁波转换为馈线引导的电磁波(高频电流)，然后传给接收机。定向辐射作用是指天线辐射或接收电磁波具有一定的方向性。根据无线系统设备的要求，发射天线可以把电磁波能量集中在一定方向辐射出去，接收天线可以只接收特定方向传来的电磁波。2.2 天线的类型随着无线电技术的飞速发展和无线电设备应用场合的日益扩展，已出现了适用于不同用途种类繁多的天线，在天线工程设计中选择哪种类型天线很大程度上取决于特定应用场合系统的电气和机械方面的要求。为了适应各种不同用途的要求，设计了各种型式

39、的天线。对于这些天线的分类，也有各种不同的方法。按工作性质可分为发射天线和接收天线两大类；按用途分可分为通信天线、广播天线、雷达天线、电视天线等；按波长可分为长波天线、中波天线、短波天线、微波天线等。但这些分类方法都不够理想，有欠科学。因为有的天线既可用作发射又可用作接收，有时同一副天线还可借转换开关兼作收发两用；有的天线既可用于通信又可用于雷达；有的天线既可用于这个波段，又可用于另一波段，如水平半波天线既可用于短波，又可用于超短波；抛物面天线既可用于超短波，又可用于微波等。因而很难将这些天线归属于哪一类1。在讨论天线的工程问题时，如果按照天线的辐射方式分类，天线又可以分为四种基本类型：线天线

40、、行波天线、阵列天线和孔径天线。其中，线天线适用的频率范围为10KHz1GHz，行波天线为1MHz10GHz，阵列天线为3MHz50GHz，孔径天线为500MHz200GHz。然而，将天线分为这四组基本形式也仅是一种工程近似，出于分析问题方便的角度考虑的，并不具有严密的科学性。一般的单极天线、偶极天线、缝隙天线、鞭状天线等都属于线天线，而菱形天线、对数周期天线、八木天线则属于行波天线，阵列天线包括有侧射、直射、平面阵等。2.3 天线的性能参量天线的理论主要有辐射理论、阻抗理论与接收理论。辐射理论研究天线的电流分布、辐射的强度、辐射的效率等等。阻抗理论研究天线的输入阻抗，使馈电系统得到匹配。接收

41、理论研究天线接收外来电磁波的能力，天线上感应的电压等等1。根据这些理论就可以确定某一副天线用作发射或接收的特性。工程上我们采用一些特性参量来表征这些特性，它们是方向图、主瓣宽度、副瓣电平、方向性系数、增益、极化、输入阻抗、频带宽度、有效面积等等。下面对几个主要的性能参数逐个进行分析。2.3.1 方向图表示天线辐射功率大小在空间的分布图称为方向图。把天线在各方向的辐射强度归一化，用从原点出发的矢量长短来表示，则连接全部矢量端点所形成的包面，就是天线的方向图。方向图显示的是不同方向辐射的相对大小，任何通过原点平面与立体方向相交的轮廓线称为天线在该平面的平面方向图(二维方向图)，如图2-1所示；天线

42、的三维方向图如图2-2所示。(a)极坐标幅度方向图 (b)直角坐标幅度方向图(c)极坐标分贝方向图 (d)直角坐标分贝方向图图2-1七元八木天线xy平面(H面,=)内的二维场强归一化方向图图2-2 天线的三维方向图方向图中有许多波瓣，包含最大辐射方向的波瓣称为主瓣，其它依次称为第一副瓣、第二副瓣等；副瓣的最大值相对于主瓣最大值的比称为副瓣电平，一般用分贝来表示。天线辐射是否集中，可以用主瓣宽度来表示，主瓣宽度越小，方向图越尖锐，表示天线辐射越集中。当主瓣中辐射强度(即功率密度)为最大值一半的两个径向之间的夹角称为主瓣宽度(图2-3)。工程上采用两个相互正交的主平面上的方向图来表示天线的方向性，

43、分别称为E面和H面。E面是通过天线最大辐射方向并平行于电场矢量的平面；H面是通过天线最大辐射方向并垂直于E面的平面。图2-3 天线方向图的波瓣2.3.2 天线的输入阻抗天线的输入阻抗是指天线馈电端输入电压与输入电流的比值。天线与馈线连接的最佳情形是，天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线上没有驻波，馈线终端没有功率反射，天线的输入阻抗随频率的变化较为平缓。天线的匹配工作主要是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能的接近馈线的特性阻抗。匹配的优劣一般用四个参数来衡量，即反射系数、行波系数、驻波比和回波损耗，四个参数之间有固定的数值关系，使用哪一个取决于设计者的习惯。在日常维护

44、中，用的较多的是驻波比和回波损耗。一般的，移动通信天线的输入阻抗为50。2.3.3 方向性系数与增益2.3.3.1 方向性系数方向性系数有两种定义方法，定义一：是指在相同总辐射功率下，某天线产生于最大辐射方向的辐射强度与一理想的无方向性天线(即理想点源)产生于同一点的辐射强度的比值。 (相同辐射功率) (2-1)定义二：在给定方向产生相同电场强度下，理想点源天线的辐射功率与某天线辐射功率之比。 (相同电场强度) (2-2)天线的方向性系数是用来表征天线辐射能量集中程度的一个参数，对于最大辐射方向上的方向性系数D来说，其值愈大，天线的能量辐射就愈集中，定向性能就愈强。2.3.3.2 增益为了描述

45、天线的辐射功率在考虑了损耗因素后在空间集中的程度，引入天线增益的概念。增益的定义同样也有两种定义方法，定义一：在相同输入功率条件下，某天线在给定方向上的辐射强度与理想点源天线在同一方向上的辐射强度之比。即： (相同输入功率) (2-3)定义二：在某方向上产生相同电场强度的条件下，理想点源的输入功率与某天线输入功率的比值。即： (相同电场强度) (2-4)增益和方向性系数有密切的联系，可以说明天线的效率。由于天线的总辐射功率等于天线的输入功率乘以效率，所以天线的增益等于天线的方向性系数乘以天线的效率。 (2-5)天线的总效率定义为：天线辐射到外部空间的实功率与天线馈电端输入的实功率之比。即： (

46、2-6)2.3.4 极化天线的极化，是指辐射电磁波在最大辐射方向上电场强度矢量的空间取向，或者说是指瞬时电场矢量在一个周期内所描绘的轨迹，是指天线辐射时形成的电场强度方向。它描述电场矢量的方向和相对幅度的时变特性。若电磁波的电场和磁场总是在一个平面内，称为平面极化波。在最大辐射方向，电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波；电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波。相应的天线称为垂直极化或水平极化天线。当然，有时也出现交叉极化。由于电波的特性，决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因受大地阻抗影响而产生热能，使电场信号迅速衰减，而垂直极化方式则不

47、易产生极化电流，从而避免了能量的大幅度衰减，保证了信号的有效传播。2.3.5 频带宽度天线的性能参数如输入阻抗、方向图、主瓣宽度、副瓣电平、波束指向、极化、增益等一般是随频率的改变而变化的，有些参数随频率的改变而变化较大，而使电气性能下降。因此，工程上一般都要给出天线的频带宽度，简称天线的带宽，其定义为：天线某个性能参数符合规定标准的频率范围。这个频率范围的中点处频率称为中心频率，以此频率范围作为天线的带宽，在此频带宽度内的天线性能参数与中心频率上的值进行比较，均符合规定的标准。天线的频带宽度视规定的参量而不同，如同时对几个参量都有要求，以最严格的要求作为确定天线频带宽度的依据。不同系统对天线

48、工作频带的要求不同，如：中波广播发射天线对频带要求不高；短波远距离定点通讯因电波随昼夜、四季变化，需经常更换工作频率，需要一定频带宽度；电子对抗设备为了进行干扰和抗干扰，往往需要天线有很宽的工作频带。不同形式的天线以及天线的不同电气性能对频率的敏感程度不同。例如：对称阵子天线，其方向图、方向性系数随频率改变的变化不大，但其输入阻抗则随频率改变而变化很大，因而匹配程度受频率的改变影响较大。所以，在一些对方向图形状要求不高的系统中，主要解决阻抗带宽的问题。在一些阵列天线中，频率改变会使主瓣指向偏离预定方向，副瓣电平增高，甚至可能出现栅瓣(两个及两个以上最大波瓣同时出现)，这时方向图带宽就成了主要因

49、素。圆极化天线的主要限制因素往往是其极化特性。可见，对不同系统，不同用途的天线，所提出的带宽标准是不同的。有的带宽标准是阻抗或驻波比带宽，有的带宽标准是方向图带宽，有的是增益带宽，有的是极化带宽等等。天线带宽的表示方法通常有三种：(1)绝对带宽：指天线能实际工作的频率范围，即上下限频率之差。 (2-7)(2)相对带宽：由上下限频率之差与中心频率之比来表示。 (2-8)(3)比值带宽：指上下限频率之比，即。如10:1的带宽。绝对带宽不具保密性，对外界一般不用。一般多采用后两种带宽表示。对中等及以下带宽的天线，可采用相对带宽表示；对超带宽天线则可采用比值带宽1。2.4 典型天线天线的分类多种多样，

50、按天线原理分为线天线和面天线两大类。凡截面半径远小于波长的金属导体构成的天线均归类于线天线，长、中、短波及超短波波段所应用的天线，基本属于此类天线。面天线的主体是其尺寸远大于工作波长的金属面状结构。面天线用在无线电频谱的高频端，特别是微波波段，其最大的特点是方向性强。常见的面天线有喇叭天线和抛物面天线等，面天线已被广泛地应用于微波的中继通信系统，卫星通信及雷达、导航等方向18。下面介绍几种典型的线天线、面天线及共形天线。2.4.1 线天线2.4.1.1 笼形天线笼形天线的结构原理图如图2-4所示，笼形天线振子可以看成是由68根导线做成的圆柱形笼子，每根细导线的直径d=(34)mm，笼子的直径D

51、=(11.5)m，两端做成圆锥形，其目的在于减小振子和大地之间的分布电容，也称为减小末端效应。笼形阵子天线的平均特性阻抗可按下式1进行计算： =(250400) (2-9)称为笼形振子天线的平均等效直径，是组成笼形振子的细导线根数。 图2-4 笼形振子结构原理图2.4.1.2 角形天线角形天线结构原理图如图2-5所示，它相当于把对称笼形天线两臂拆开垂直放置，或者是把两个单振子天线垂直放置。这种天线的辐射特点是：频带宽；在平行天线振子轴线平面内具有沿各方向均匀辐射的特性。正是利用这个特点，用角形天线可以完成短波段的无方向性辐射。图2-5 角形天线结构原理图182.4.1.3 V形天线长导线天线的

52、方向系数较低、副瓣高并且最大辐射张角受控于天线长度，因此工程上很少采用。为了克服长导线天线的缺点，常将两根长导线组合在一起，其一端与馈线相连，另一端张开构成V形天线。如下图所示。图2-6 V形天线V形天线的结构通常是对称的，即，。2.4.1.4 菱形天线菱形天线由两个V形天线在开口端相连接构成，如图2-7所示。一只锐角馈电，另一锐角端接一个与菱形天线特性阻抗相等的匹配负载，使导线上形成行波电流。图2-7 菱形天线示意图菱形天线单臂行波导线的最大辐射方向与其轴线的张角由导线的长度决定，适当选择菱形天线的锐角和四臂导线长度，可使与单臂最大辐射张角相等，即： (2-10)也就是四根行波单导线各有一个

53、最大辐射方向指向长对角线方向。菱形天线广泛应用于中、远距离的短波通信中，在米波和分米波也有所应用。该天线的主要优点是结构简单，造价低，方向性强，带宽宽；主要缺点是效率较低，副瓣电平高，占地面积大。常用的单菱形天线的增益系数可达100dB左右，天线的特性阻抗为70080019。2.4.1.5 螺旋天线螺旋天线可辐射圆极化波，并具有良好的宽频带特性，大约能在1.7:1的频带内，保持方向图和阻抗基本不变。螺旋天线是用金属导线(或管材)做成的螺旋形结构。它通常是用同轴电缆馈电，电缆的内导体与螺旋线的一端相连接，外导体与金属状的接地板相连接。另外也有其他连接方法。螺旋直径可以是不变的，也可以是渐变的，如

54、图2-8所示。图2-8 螺旋天线的结构螺旋天线的辐射特性基本上决定于螺旋的直径与波长之比。通常的取值范围是0.250.46，这是获得轴向辐射所必须满足的条件。它的主要特点是，沿轴线有最大辐射；辐射场是圆极化；沿螺旋线导线传播的波是行波；输入阻抗近似为纯阻；具有宽频带特性19。2.4.2 面天线2.4.2.1 喇叭天线喇叭天线是一种最基本的面状天线，是由波导臂张开延伸而得。根据惠更斯原理，终端开口的波导管可以构成一个辐射器。但波导口面的电尺寸很小，其辐射的方向性很差。而且，在波导开口处波的传播条件发生突变，波导与开口面外的空间不相匹配，将形成严重的反射。将波导管的截面均匀地逐渐扩展，如图2-9所

55、示的喇叭天线，既能取得大的口面尺寸，同时也因电波在喇叭张开段逐渐扩张而改善了它在开口面上的匹配情况，从而取得良好的辐射特性。 (a)矩形喇叭 (b)圆锥形喇叭图2-9 喇叭天线的结构2.4.2.2 抛物面天线抛物面天线由辐射器(或称馈源)和抛物反射面构成。辐射器位于抛物面的焦点上，本身为弱方向性，经过反射以后则可成为主瓣很窄、副瓣很小的强方向性天线，如图2-10所示。图2-10 抛物面天线示意图抛物面天线具有良好的辐射特性，在微波中继通信、卫星地面站和射电天文等方面得到了广泛的应用。抛物反射面具有多种形式，常用的有柱形抛物面、旋转抛物面和部分抛物面。辐射器可采用圆形、角锥形喇叭或二元振子阵等。

56、2.4.2.3 卡塞格伦天线卡塞格伦(Cassegrain)天线又称双反射器天线，是利用两个反射镜面的组合获得平行波束和强方向性的天线系统，它是卡塞格伦光学望远镜在电磁学中的运用。图2-11 卡塞格伦天线结构卡塞格伦天线由主反射器、副反射器(或分别称为主反射面、副反射面)和辐射器三部分组成，如图2-11所示。主反射器为旋转抛物面，副反射器通常为一旋转双曲面，也可以是旋转椭球面。当使用后一种副反射器时，称之为格里高利天线。辐射器一般都采用喇叭。由于包含两个不同的反射面，卡塞格伦天线的几何关系比普通的抛物面天线要复杂18。2.4.3 共形天线共形天线是指同某一表面共形的天线或阵列，该表面的外形不是

57、由电磁因素、而是由诸如空气动力或水力等因素确定的。共形天线的一般特征为：能与载体共形，不破坏载体的机械结构；不仅可以节省空间，而且可以快速无惯性扫描；具有特定的电气指标，合适的结构形式，满意的机械强度及在恶劣的条件下能正常工作。共形天线包括微带天线，但共形微带天线与一般的平面微带天线不同，后者是平面结构，且在微带贴片后面的接地面也是平面。在分析平面微带天线时一般总是假定接地面为无限大。共形微带天线不仅微带贴片是曲面，而且贴片后面的接地面也是曲率半径为有限值的曲面。因此，在分析这种天线时必须要考虑到曲率对天线性能的影响，因此增加了分析的复杂性。本文对此天线不予进一步的讨论，而将在第三章对平面微带

58、天线进行详细介绍。第3章 平面倒F天线的基本理论平面倒F天线(PIFA，Planar Inverted-F Antenna)是一种常用的平面天线。平面倒F天线作为典型的微带天线，除具有体积小、重量轻、低剖面、可共形、易于加工、易于与有源器件和电路集成为单一模块等一般微带天线的典型优点外，还兼具频带宽、结构紧凑、造型简单等特点。平面倒F天线由一般微带天线衍生而来，常采用同轴线馈电。该类天线由接地板、辐射贴片、短路贴片和馈电线构成。平面倒F天线可以看作在贴片长度为半波长的微带贴片天线的基础上，根据镜像原理，将贴片中间接地，贴片长度缩小为约/4得到。因此平面倒F天线的辐射机理和激励方式与微带天线是一

59、致的。本章正是基于这种关系，从单极天线和微带天线的基本理论出发，叙述了PIFA天线的演变过程，介绍了PIFA天线结构及结构参数对天线性能的影响。最后，对PIFA天线基本特性参数进行简要说明。3.1 PIFA天线相关理论基础3.1.1 单极天线的基本原理对称振子天线属于双极天线，这种天线从馈电端看去有两个臂。所谓单极天线，就是从输入端看去只有一个臂的天线；当双极天线的一个臂变成一个导电平面时，就形成单极天线，对于无限大导电平面，可采用镜像法来分析。单极天线有许多形式，如普通单极天线、折合单极天线、锥形单极天线和袖式单极天线等。四分之一波长单极天线的结构图如图3-1所示，垂直于地面的天线称为垂直天

60、线，地面以上部分为相应半波对称振子一半的垂直天线称为垂直单极天线，简称单极天线，天线高度只有半波振子的一半。图3-1 单极天线结构对单极天线的分析可以借助于对称阵子，地面近似用理想导体替代，根据镜像原理，单极天线在地面上空的辐射场与对称振子在该区域的辐射场相同。因此，计算单极天线的辐射场可直接运用对称振子在自由空间的辐射场计算公式，即： (3-1)其中为波腹电流。将，(为输入电流，为仰角，为单极天线的高度)代入式(3-1)，得： (3-2)式中为方向图函数： (3-3)由方向图函数可知，水平平面的方向图是一个全向的圆，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