贴片天线研究第一部分天线的基本知识 (2)第二部分贴片天线设计 (11)第三部分贴片天线的应用 (24)第四部分贴片天线的性能以及SAR的分布 (31)附录 (38)小组成员：李黎轩冷继男钟颐华刘同2004年1月2日第一部分 天线的基本知识总括天线是我们在设计射频系统时所需考虑得最后一部分内容。

然而可不能小视天线的重要作用，轻敌将导致设计前功尽弃。

天线作为无线传输的一部分，它的作用概括起来说是传送与接受电磁场能量。

在第一部分中，我们将介绍天线的最基本知识，以指导接下来贴片天线的设计。

定义天线是一个具备传输与发送电磁能量的导电元件。

天线能够将电磁能量转化为电磁场传播出去，同时又能够通过将空间中的电磁场转化为电磁能量来接收电磁波。

如何在同一天线上实现电磁能量的接收（receive ）与传播(transmit)是天线的一个重要属性.天线的主要特征参数有：天线的中心频率（center frequency ）、带宽(bandwidth)、天线的极化(polarization)、天线增益gain 、辐射模型(radiation pattern)、阻抗(impedance)。

传输线的特征参数λ Lambda Wavelength （单位：米）在自由空间中传播的电磁场，速度为光速。

即83.0010/c m s =∗.VSWR Voltage Standing Wave Ratio ，电压驻波系数dB Decibel 分贝的引入为在使用中表示方便dBm dBm 表示功率，相对于1 mw 为基准定义dBi 天线增益，以等方向天线为参考天线的理解在我们的报告里只针对天线的最基本现象进行描述，因为这样已经足以满足接下来的设计要求。

图1-1为电场E、磁场H方向图。

一根通电的直导线产生了电场E及磁场H。

电场与磁场是相互垂直的。

电场E的方向与电磁场的极化方向一致。

Fig.1- 1: 电磁波的传播天线可被视作一个被动的RLC网络，他同任何的RLC网络一样，当外电路的频率同它的中心频率一致时，网络将产生谐振阻抗值。

Smith原图将有利于我们分析问题，因为在圆图上我们能够看到天线在各个频率时的阻抗值，同时通过圆图能够非常方便的实现天线与传输线的阻抗匹配。

要使天线工作在最有效的状态，需要两个条件（1）谐振（resonance）：当天线工作在中心频率时，其阻抗值为一实数即为谐振阻抗。

那么我们应该将中心频率设置在适当的频率上，这样才能在工作频率内获得对我们有用的谐振阻抗（2）匹配：（天线与传输线的匹配即指天线的阻抗与传输线的特征阻值相同，这样才能使天线在接口处得到所有的电磁能量。

否则，将产生驻波，那么将会有一部分电磁能量被反射回发射机。

）VSWR即ρ,决定了没有被发射机反射的电磁能量的大小。

天线既可以辐射电磁能量，但是也可以将电磁能量以热能的方式消耗。

（需要指出的是，随着天线上述提出的天线的特征参数，在实际应用中很可能会做出重大的调整，我们在这里所说的仅仅是最接近的）电磁场传输的几个量24(/4)(1/)r t t rP PG G d λπ= 其中 P r 是接收到的功率 (dBm)Pt 天线的发射功率 单位dBmGt 天线的发射增益 单位dBGr 接收机的增益 单位dB只有在满足以下几个条件是上述方程式才适用・ 远区场，例如22/d D λ>其中D 是天线发射机的直径。

在实际应用中，考虑到工作频率，d 至少应为3~4倍以上的距离。

・　由于地球表面的曲线，天线的发射与接受距离受到了光传播的限制在城区，可能会由于以下几种效应对传播造成不利影响3、1、多径效应（Multi-path effect ）。

电磁波在多个建筑物表面发生多次反射，这样会导致接收端收到多路回波（我们在房间内，或者在建筑物密集的街道中接收到的手机信号就是有这类效应）4、2、多径衰落（Multi-path fading ）。

接收机所接收到的信号是通过不同的直射、反射、折射等路径到达接收机。

由于电波通过各个路径的距离不同，因而各条路径中发射波的到达时间、相位都不相同。

不同相位的多个信号在接收端叠加，如果同相叠加会使信号幅度增强，而反相叠加则会削弱信号幅度。

这样接收信号的幅度将会发生急剧变化，从而导致多径衰落。

当电磁波在物体表面发射以后，他将产生180度的相移，发射。

波与入射波叠加，将导致电磁波的衰减5、衰减增加（Increase of attenuation ），当电磁波在水泥墙之间或者窗户之间传播时，衰减将加剧，参数21/d 将被衰减为31/d 或者41/d 目标的自由空间范围应该事先指定。

但是实际的测量应该视实际情况而定天线的种类不同的天线有不同的属性，我们将根据实际需要来决定用何种天线。

总的来说，天线的工作效率是与天线的体积有关的，同时天线的大小也与波长有关。

这么说来，一段很短的，工作在较低频率下的天线，它的工作效率将非常低。

参考天线 （Reference antenna ）该天线的辐射模式是等方向性的，也就是说它在x 、y 、z 轴上辐射都是均匀的。

由于它是我们所分析的天线的参考标准，因而我们定义它的增益G=0dBi显然，它仅仅是一个理论模型，因为在实际应用中等方向辐射同电磁振荡的本质不符。

虽然如此，但是它还是一个非常有用的模型，因为它将为我们研究其他天线带来方便。

偶极子天线（Dipole antenna）天线长度是λ/2整数倍的天线是谐振天线。

下面就以λ/2天线为例说明导线内部电流的分布如下Fig1-.2该天线的馈点在他的中间。

其具体模型如下图所示，我们把该模型叫做Lenz 天线Fig.1-3: Lenz 天线在实际应用中，我们取f=434MHZ,该偶极子的直径为 4 mm:I：10 mmL: 157.5 mm两偶极子间距为: 6 mm则该天线的总长为 2 *157.5 + 6 = 321 mm, 而λ/2 为691/2 = 345 mm，所以该天线的总长为 0.93 *(λ/2).天线的阻抗略大于50 Ω，增益接近于 2 dBi.，且在E平面内天线的辐射是全方位的（omni-directional）。

图1—6　该λ/2天线在E平面内的辐射图。

Fig.1-4:　λ/2 辐射图四分之一波长天线（Quarter Wave）1波长天线是最简单的天线，它只需要一根钢丝和接地板即可构成。

其组成4如下图1-7所示：Fig1-.5: λ/4天线14波长天线必须同接地板相连，接地板可以为PC板或者出口处的金属板。

不管采用的何种接地板都应保证天线是垂直于接地板的，因为只有这样才能获得最大的阻抗值。

无论如何，该阻抗值都必须保持在50Ω以下，如果天线水平与地面放置，阻抗将显著减小。

λ/4的长度是理想化的，在实际应用中，考虑到天线的属性及接地板的的几何因素，实际天线的长度为k*λ/4, k是一个0.93 ~0.98之间的数。

同时必须注mm。

意天线长度至少应为0.34 2图1-8中的分析未考虑上述因素，仅就以理想的长度来计算。

Fig1-.6: λ/4 辐射图（理想情况）从上图可以看出：与λ/2偶极子相比，该辐射模式在E平面内看起来更加的圆润，因为该圆弧度更加得高，以前面所选取的灯方向天线为参考，该天线的增益为G=-4.5dBi。

在大多数的数据分析中，人们把四分之一波长线作为参考天线，因而此时G=0dBi环天线（Loop）环天线的主要优点是成本低，它的辐射模式是平行于地面的全方位辐射（omni-derectional）根据PC板位置决定可变电容值。

螺旋天线（Helical）螺旋天线具有很高的空间有效性，并且很容易设置。

但是由于很难对这种天线做一个理论模型的定义，在大多数实际调控中，我们都是根据实际经验操作。

并且螺旋天线的具有窄带特性这一特点，因而很难确定它的谐振点。

方向性是螺旋天线的一个非常重要的参数。

同前面分析的所有天线都不同，螺旋天线不具有对称的天线增益，同时它的极化方式更类似于椭圆极化(ellipsoidal)贴片天线（Printed）贴片天线通常被用于高频率的工作状态下，它的主要优点是其全方向的辐射，缺点为可用带宽很窄。

同其它的天线一样，贴片天线同基底介质的介电系数密切相关。

常用的基底介质为FR4环氧板（FR4 epoxy board）。

但是基底的介电系数很不精确，根据来源其变化范围为4~4.7。

下面的结果将说明基底介电系数的影响贴边为一直径为20.10cm的薄圆片。

馈点在其中心。

Fig1-.7:贴片天线输入阻抗中心频率带宽VSWR = 2433.920 MHz 1.7 MHz163.5 + j4.2∑r = 4厚度1.6 mm400.405 MHz 1.7 MHz155.3 + j3.9∑r = 4.7厚度1.6 mm通过上面的分析，我们可以看到：当天线的填充介质FR4不同时,相同的贴片天线将工作在不同的状态。

同时我们也将注意到该天线的阻抗并不是50 欧姆，因而该天线在反馈点需要进行匹配的操作。

主要规则中心频率（谐振频率）（Center frequency）天线的中心频率取决于天线的大小。

在实际设计过程中，我们将天线取得比理论计算出的天线长度长一点，以便在实际操作过程中，可以通过缩短天线的长度来获得我们需要的中心频率。

带宽（Bandwidth）带宽取决于天线的宽度。

我们根据要求的信道（channel），传输数据的速率(data rate)，所选用的调制方式来决定带宽的大小。

如果我们需要一个比较大的带宽，那么就用一根宽一点的天线。

极化（Polarization）在工程运用中，人们最喜欢选择垂直极化的电磁波，因为在大多数情况下它能够更好的抵抗噪声干扰。

天线增益（Gain）在天线增益的设计上可能会产生我们需要的或者是不需要的效果。

如果天线是全向天线，那么它很可能会达到我们所需的效果。

当天线离某物体很近时，将发生反射现象，从而导致电磁波在该某一方向磁场很强，相反方向磁场减弱。

辐射方式（Radiation pattern）辐射的方式取决于天线的形状。

将接收天线置于和发射天线垂直的水平平面内。

跟增益一样，类似于天线的其余物体也将对辐射产生干扰，趋肤效应就是一个很好的例子。

阻抗（Impedance）天线的阻抗同中心频率有很大的联系。

当天线在一个合适的频率达到谐振时，天线的阻抗将达到最小值。

大多数情况下，天线的参考阻抗为50 欧姆。

但是天线的阻抗同周围的环境有很大的关系，因而在测量过程中我们应在同实际尽量相似的环境中进行测量。

（在第四部分中我们将着重讨论天线的阻抗和周围物体之间的关系）天线的匹配问题为了获得最低的VSWR，以便达到天线中最好传输功率，天线的匹配问题至关重要。

天线的匹配有很多种方法，最简单而又最直观的方法，就是Smith圆图。