【文章內(nèi)容簡介】 。對于沿 z 軸放置的電基本振子而言，赤道平面是 H 面。 根據(jù)方向圖可以確定主瓣寬度。所謂主瓣寬度，即是輻射功率密度降至最大輻射方向一半時的兩個發(fā)射方向之間的夾角。 五、前后比 前后比是指最大輻射方向電平與其相反方向電平之比，通常以分貝為單位。 六、方向系數(shù) 上述方向圖參數(shù)雖能在一定程度上反映天線的定向輻射狀態(tài)，但由于這些參數(shù)未能反映輻射在全空間的總效果，因此都不能單獨體現(xiàn)天線集束能量的能力。因此，需要另一個電參數(shù)來表示天線集束能量的能力，這就是方向系數(shù)。它的定義為：在離天線某一距離處，天線在最大輻射方向上的輻射功率流密度 SMAX與相同輻射功率的理想無方向性天線在同一距離處的輻射功率流密度 S0之比，記為 D，即 （ ） 需要說明的是，一般方向系數(shù)用分貝來表示，這需要一個參考源，常用的參考源是各向同性輻射源，分貝表示為 dBi，通常情況下，若不加說明， dB 指的就是 dBi。 七、增益系數(shù)（ Gain） 增益系數(shù)是綜合衡量天線能量轉(zhuǎn)換和方向特性的參數(shù)，它是方向系數(shù)與天線效率的乘積，記為 G ，即 （ ） 天線的增益系數(shù)描述了天線與理想的無方向性天線相比在最大輻射方向上將輸入功率放大的倍數(shù)。 八、極化 極化特性是指天線在最大輻射方向上電場矢量的方向隨時間變化的規(guī)律。具體地說，就是在空間某一固定位置上，電場矢量的末端隨時間按變化所描繪的圖形。如此按照電場的極化形式可分為線極化、圓極化和橢圓極化。在垂直于傳播 方向的某一固定平面上觀察電磁波的電場矢量，如果它的端點始終在一個直線上振動，則是線極化；如果它的端點隨著時間變化在該平面上畫出的軌跡是圓，則是圓極化，如果某一時刻沿著傳播方向把各處的電場矢量畫出來，則圓極化波中的電場矢量端點的軌跡為螺旋線，矢量端點旋轉(zhuǎn)方向與波傳播方向成右手螺旋關系的叫右旋圓極化，成左手螺旋關系的叫左旋圓極化；同樣的，如果電場矢量的端點隨著時間變化所畫出的軌跡是橢圓，則是橢圓極化。需要指出的是，當圓極化波入射到一個對稱目標上時，反射波是反旋向的。在同一系統(tǒng)中，收、發(fā)天線的極化必須相同，若接收 天線的極化與入射平面波的極化一致，則稱極化匹配。 九、頻帶寬度 天線頻帶寬度是指天線的主要指標如增益、主瓣寬度、副瓣電平、輸入阻抗、極化特性等均滿足設計要求時的頻帶范圍。通常用到的帶寬概念又分為絕對帶寬和相對帶寬，絕對帶寬是： （ ） 其中 f1,fh分別指天線滿足其電氣技術指標的下限和上限頻率。相對帶寬是指天線的絕對帶寬 Δf 與工作頻帶內(nèi)的中心頻率 f0 之比，即： () 其中 f0為中心頻率： ，是上下限頻率的算術中值。我們通常說的窄帶天線是指相對帶寬小于 1%的天線；寬帶天線是指相對帶寬在 1%到 25%之間的天線；而超寬帶天線是指相對帶寬高大于 25%的天線。 工程研制中要求天線在規(guī)定的頻率范圍內(nèi)，它的主要電性能如電壓駐波比、增益、主瓣寬度、副瓣電平、極化特性等必須滿足技術指標。通常情況下天線的有些指標是相互矛盾的。比如，對于一定尺寸的天線，它的帶寬和增益就是一對相互矛盾的指標，要拓寬天線的帶寬就需要犧牲一定的增益；而要提高天線的增益，天線的帶寬就會變窄。換句話說，對于同一天線來說，既要寬頻帶，又要增益高，就只有犧牲天線的尺寸。 總之，天線的性能是一項綜合性的 技術指標。為了系統(tǒng)使用的需要，有時要顧及到多項指標，需要采取折中的辦法。 第二節(jié) 微帶天線的基本理論 一、微帶天線定義 微帶天線是在帶有導體接地板的介質(zhì)基片上貼加導體薄片而形成的天線。它利用微帶線或同軸線進行饋電，在導體貼片與接地板之間激勵起射頻電磁場，并通過貼片四周與接地板間的縫隙向外輻射。通常介質(zhì)基片的厚度與波長相比是很小的，因此它實現(xiàn)了一維小型化，屬于小天線的一種。結構最簡單的微帶天線是由貼在帶有金屬地板的介質(zhì)基片上的輻射貼片所構成的。貼片導體通常是銅和金，它可以是任意形狀，常見的有矩形、圓形和三角形等等。 二、微帶天線的優(yōu)缺點及展寬頻帶的方法 和常規(guī)的微波天線相比，微帶天線具有一些優(yōu)點如體積小、重量輕、剖面薄、易與 載體表面共性制造成本低，易大量生產(chǎn)易實現(xiàn)多功能，易集成天線的散射截面較小容易制成雙頻率工作的天線饋線和匹配網(wǎng)絡可以和天線結構同時制作。 微帶天線由于其特有的優(yōu)點而被廣泛使用，但是微帶天線本身固有的缺點限制了它在某些領域的應用，其最顯著的缺點就是窄頻帶和低效率。 70 年代以來，人們就不斷探索拓展天線帶寬和提高增益的方式。近些年來有一些新的方法被人們所研究，克服了微帶天線頻帶窄的缺點，滿足了各個領域?qū)μ炀€的要求。下面介紹幾種近年來倍受關注的展寬微帶天線頻帶的方法。 間隙耦合方式的特點是直接饋電 的貼片只有一塊，而其他一塊或多塊輻射單元是通過耦合方式來饋電的。如圖 所示的三種天線，都是其中一塊貼片直接饋電，另一塊貼片則是通過直接饋電貼片耦合饋電的。不同形狀的天線適用于不同的場合，使用間隙耦合的方式比使用厚介質(zhì)板增加天線帶寬的方式更加有效。 采用縫隙耦合饋電方式，往往能大大拓展帶寬，一般采用微帶饋線縫隙耦合方式，或 CPW（共面波導）縫隙耦合饋電方式。圖 所示即為微帶饋線縫隙耦合方式，這種方式通常會由兩層或多層基板構成，在圖中所示結構之外還有一塊基板用來放置輻射貼片。 縫隙耦合可大大拓展微帶天線的帶寬，但是由于縫隙本身往往會產(chǎn)生諧振，會導致后向輻射較大，因此，可在饋線的底部多增加一層反射面，或一個諧振腔，用于減小后向輻射，增加天線的前后比。 改變微帶貼片的形狀，有可能激發(fā)多頻率諧振，當這些諧振頻率非常接近 時就組成了一個頻帶，即拓寬了頻帶。如文獻所示的 E 型貼片微帶天線，該天線會在 3個頻率產(chǎn)生諧振，且彼此靠近，故可以達到拓展帶寬的目 的。 一般來說，所有的諧振天線的帶寬都會比較窄，這是由它們的諧振特性所決定的。拓展帶寬的諸多方法中，從本質(zhì)上來說可以分為三類：通過降低諧振器的品質(zhì)因素 Q 來增加帶寬；使用附加的匹配網(wǎng)絡；以及使用多諧振器的方式。下面主要介紹一下第一類方法。 降低諧振天線品質(zhì)因素的方法也很多，比如，對于微帶天線來說，最簡單的方法就是降低介質(zhì)板的介電常數(shù)。 Q 值與介電常數(shù)有關，介電常數(shù)的降低也會引起 Q 值的降低，從而可以增加帶寬。對于一個給定的頻率，介電常數(shù)的降低必然導致天線尺寸的增加，對于需要設計緊湊的小型天線的設計者來說，這是不愿 出現(xiàn)的；而且這也會使天線的耦合存在困難，在使用縫隙耦合饋電時，較大尺寸的天線就需要使用相對較寬的縫隙，這會導致后向漏射的增加；如果使用的是探針耦合饋電方式，探針的長度將會增長，從而產(chǎn)生雜波，干擾方向圖。加載也可以降低 Q 值。比如，在貼片天線上加一些過孔或者挖一些縫隙就可以影響天線的諧振頻率和 Q 值大小，這樣做的好處是不會導致天線尺寸的增加。然而，不管使用什么方式來拓展阻抗帶寬，都有可能會使方向圖變差，因此在設計天線時，應當兼顧方向圖。 三、天線單元的饋電方法 天線單元的饋電方法主要分為側(cè)饋、底饋和共面波導饋電 三種方式，如圖 所示。但是因為天線輸入阻抗通常不等于傳輸線阻抗，所以需要進行匹配。匹配需要恰當選擇饋電的位置，同時饋電的位置也會影響輻射特性。 1. 側(cè)饋 側(cè)饋也被稱為微帶線饋電，分為中心微帶饋電和偏心微帶饋電。饋電點的位置將決定激勵出哪種模式。如果天線的幾何圖形只維持主模，則微帶饋電可偏向一邊以得到良好匹配。如果場沿矩形貼片的寬度變化，則當饋線沿寬度移動時，輸入阻抗隨之改變，進而使饋線和天線之間的耦合發(fā)生改變，使天線諧振頻率產(chǎn)生一個小的漂移，而輻射方向圖仍保持不變，可以稍加改變貼片尺寸或天線尺寸，補償諧振頻率的漂移。側(cè)饋的優(yōu)點是微帶饋線單元可方便地和天線貼片單元一起光刻，制作簡便。缺點是通常需要阻抗匹配電路，這樣就會造成貼片面積變大；微帶饋線與輻射單元處于同 一個平面，微帶饋線本身也會輻射，從而干擾方向圖，減少增益。 2. 底饋 這種饋電方式又稱為同軸線饋電，是一種用得較多的饋電方式。這種方式的優(yōu)點是饋電點可以選在貼片的任意位置，有利于天線匹配，也同時避免了附加匹配電路，在一定程度上能夠減少天線的尺寸；同軸電纜位于接地板面，與輻射貼片不在同一面，從而能夠減少對方向圖的干擾。當然同軸饋電也有相應的缺點：結構不便于集成，制作較為麻煩，焊接重復性較差，且在貼片單元和探針之間會由于焊接的不均勻性產(chǎn)生反射。 這種饋電方式是輻射貼片和接地板在介質(zhì)板的同一側(cè)，中間是輻射單元，兩邊是地板，輻射單元與地板間留有間隙。 第三節(jié) 印刷單極子天線 一、印刷單極子天線與微帶天線的聯(lián)系和區(qū)別 印刷單極子天線一般由覆在介質(zhì)基片同側(cè)或兩側(cè)的單極貼片和導體地板構成 ,通過位于地板中央的微帶線或共面波導進行饋電。這種印刷單極天線與平板單極天線不同 ,它不需要與之垂直的導體地板 ,因此可以很方便地與其它電路集成。 由于印刷天線剖面薄，體積小，重量輕，造價低，最重要的是具有全向輻射 性能，并且能與線路板有機結合，且具有很好的共形設計潛質(zhì)。特別是它可方便地與饋電網(wǎng)絡和器件集成成塊，與微電子技術緊密結合，功能強，已顯示出作為新一代天線形式的巨大活力。 印刷天線與微帶天線之間既有區(qū)別又有聯(lián)系，如圖 所示，黑色部分為地，陰影部分為饋線和輻射貼片。印刷天線和微帶天線都是目前最常使用的兩種類型的天線。它們的結構基本一致，都是有一個輻射貼片和一個接地板構成，區(qū)別在于微帶天線的接地板的尺寸與介質(zhì)板大小一致，也就是接地板也在輻射貼片下方，因此微帶天線通常都是定向天線。而印刷天線的的輻射貼片下方是 沒有地板的，地板僅位于饋線的下方，所以印刷天線都是全向天線，這也是它的最大優(yōu)點。 二、印刷單極子天線原理 一般平面單極子天線結構模型是由金屬輻射體、饋電網(wǎng)絡、接地板和厚度較小的質(zhì)襯底組成，金屬輻射體可以是圓形、橢圓形、矩形、三角形等形狀。在圖 結構模型中，金屬輻射體的長度 L、 W 和接地板與金屬貼片的間距 G 決定了天線的最低點諧振頻率 f1。而 W、 L、 G 與 f1 的關系式可由圓柱體近似法給出。 （ ） 下面通過數(shù)值計算的方法來驗證。我們在數(shù)值仿真軟件中建立起一個類似圖 ，如圖 。 對長度 L 分別取 32mm、 34mm 和 36mm 進行計算，結果如圖 所示。我們可以看到隨著輻射貼片長度 L 的增加，天線的諧振頻率 f1。向低頻偏移，這是因為隨著長度 L 的增加導致電流路徑的增加，從而降低了天線的諧振頻率。 對間距 G 分別取 9mm、 10mm 和 11mm 進行計算，結果如圖 所示。我們同樣可以看到隨著接地板與輻射貼片的間距的增加，天線的諧振頻率 f1 也向低頻偏移，這與式（ 27）也是一致的。 綜上，對于一般的平面單極子天線，天線的最低點諧振頻率 f1 與輻射體的長度 L、寬度 W 和接地板與輻射體的間距 G 有著密切的聯(lián)系，其中長度 L 和接地板與輻射體的間距 G 起主要作用。 第四節(jié) 本章小結 在這一章主要介紹了關于天線的一些基本電參數(shù)，以及微帶天線的基本理論，最后介紹了印刷單極在天線。通過這一章的介紹讓我們對天線有了大概的了解，為我們接下來設計雙頻帶天線打下基礎。 第三章 應用于 WLAN/WiMAX雙頻帶印刷天線的特點與 HFSS軟件介紹 第一節(jié) WLAN/MiMAX雙頻帶印刷天線特點 應用于，利用改進的叉子形的輻射貼片和寄生輻射貼片，使得天線形成兩個諧振頻帶，即 和 5GHz。在后面的實際測量結果表明，天線滿足，并且具有良好的全向輻射特性和可觀的增益。因此，該天線在無線多頻帶通信系統(tǒng)中有廣泛的應用前景。 第二節(jié) WLAN/WiMAX天線的設計 WLAN/WiMAX天線的結構設計規(guī)則 為設計一款性能良好的天線，為滿足現(xiàn)代無線通信的要求，設計者往往需要按一定的設計規(guī)則去對天線進行研究設計，以盡量縮小天線的設計周期。 預留空間 天線的設計，務求盡可能大的利用設計空間。對于性能良好的天線來說，尺寸自然偏大。但是天線設置過程中，一般要求預留空間中的長，寬，高值在以下范圍：長 (3545毫米 )、寬 (1525毫米 )、高 (68毫米 )。其中天線諧振頻率的帶寬和天線的高度 H 密切相關 [9]。其中，最低頻率是由天線輻射單元的參數(shù) W 和 L決定。所以，一般而言天線面積按如下尺寸去調(diào)整設計： 雙頻 (GSM／ DCS)： 600x6～ 8mm 當以上要求得到滿足時，工作于 GSM頻段的天線一般可能達到 1～ 0dBi，而工作于 DCS/PCS頻段時可達 0～ ldBi。對于天線高度而言，當然是越高的天線其性能越好。此外，對 PIFA天線的性能影響非常大的還有手機 PCB的長度，目前直板機 PCB的長度尚處于 75105mm之間這個水平。為達到雙頻，要求 PCB長度不要小于 80mm，若當 PCB版的長度小于 80mm時，增益顯著惡化，這是天線設計所需注意的，所以如果要實現(xiàn)多頻工作