3.3 微带天线辐射原理
K
J
M s
=
nK
×
(
K E1
−
K E2 )
z 该电场可近似表达为（设沿贴片宽度和基片厚度方 向电场无变化）。
x z
L
z L边的磁流抵消。
z两条W边的辐 射增强。
O
W
J
m s
yLeabharlann Eεr3.3 微带天线辐射原理
z 传输线模型法精度不高，但物理概念清晰明了， 特别适合于分析矩形贴片微带天线。
4.2 手机外置天线
z手机外置天线常用的还有法 向模螺旋天线。该天线的方向 图、极化特性类似于单极天 线，但是由于其输入阻抗对频 率很敏感，因而具有窄带特性。
z手机通信过程中人体处于天线 的近区场中，手机天线辐射特 性明显受到人体的影响，同时 由于外置式天线不适合加反射 板，所以外置式天线的手机对 人体的辐射伤害的研究近年来 也受到重视。
改善或消除天线对载体的 空气动力学性能的影响。
有利于增加天线的有效孔 径面积，提高天线增益， 降低雷达散射截面。
便于实现装置的小型化和 宽波束，等。
3.2 微带天线的基本结构
z 矩形微带天线是由矩形导体薄片粘贴在背面有导体 接地板的介质基片上形成的天线。
x z
L
O
W
J
m s
y
E
εr
3.2 微带天线的基本结构
4.3 手机内置天线
而倒F天线是倒L形天线的变型，它在天线上 增加了一个短路段以获得输入阻抗的改变， 天线因附加特征呈倒F形并因此命名。
4.3 手机内置天线
手机中PIFA的结构如图所示。
4.3 手机内置天线
z 目前已有很多关于双频、双极化或双频双极化微带 天线的研究报道。
3.4 多频段实现方法
z 采用单一贴片，利用两种不同的模式来实现工作 z 采用多层重叠贴片结构。如利用多层贴片结构形成
多个谐振器，从而产生多频段特性。 z 采用分形概念设计天线。分形的空间自相似属性决
定了它的多频带性质。
3.4 多频微带天线
3.6 圆极化实现方法
z轴比是圆极化天线的一个重要的性能指标，它代表 圆极化的纯度，一般取轴比不大于3dB的带宽，定义 为天线圆极化带宽 。
z 轴比受到天线性能、外观结构、整机内部电路及EMI 等影响。 常用实现圆极化的方式有：
(a) 切角； (b) 表面开槽； (c) 正交双馈; (d) 带有调谐枝节。
表面开槽天线结构简单,成本低廉,加工方便,其特点是:随槽 的长度增加,天线谐振频率降低,天线尺寸减小,但尺寸的过分 缩减会引起其它性能的急剧劣化,其中带宽与增益尤为明显。
天线方向图
极坐标方向图直观性强，直角坐标方向图易于表示和比较各 方向上场强电平的相对大小。
天线方向图
E面
H面
图2.3 天线二维极坐标方向图
图6-2-1 外置式单极天线手机模型的坐标系
4.2 手机外置天线
图6-2-2 单极天线手机的几何尺寸
4.2 手机外置天线
图6-2-3 手机单极天线方向图 (a) 垂直平面方向图；(b) 水平平面方向图
4.2 手机外置天线
图6-2-4 手机单极天线的输入阻抗计算值
z当单极天线的直径为3 mm，接地孔的直径为 3×2.303 mm时，在900 MHz可获得近似50 Ω的输 入电阻; z但是由于输入电抗的存在，仍需要相应的匹配网络。
天线方向图
theta 图2.4 天线直角坐标方向图
手机天线
4.1 手机天线背景
z手机作为一种沟通工具已经进入了千家万户，成为人们 日常生活中不可缺少的一部分。 z人们也越来越注重手机的通话质量以及手机辐射可能对 人体造成的伤害，而天线恰是影响这两个方面的重要因素。
z手机天线设计的核心问题就是使天线满足更为苛刻的 技术要求，并且超越原有天线型式，满足新的系统要求。 z在许多系统中，要求优化的参数是小尺寸、宽带、坚 固性、易于操作以及降低加工成本。 z合适的天线将提高手机整体性能，减小功率损耗，持 久耐用，具有更强的市场竞争力。
3.7 小型化实现方法
2 采用特殊材料基片
从天线谐振频率关系式可以知道,谐振频率与介质参数成反比, 因此采用高介电常数(如陶瓷材料) 或高磁导率(如磁性材料) 的 基片可降低谐振频率,从而减小天线尺寸。
这类高介质天线的主要缺陷是: (a) 激励出较强的表面波,表面 损耗较大,使增益减小,效率降低。(b) 带宽窄。
4.1 手机天线背景
z手机天线设计必须考虑以下的电性能：
(1) 输入端的匹配； SAR：电磁波能量吸收比值。
(2) 带宽；
SAR限量峰值为1.6W/Kg, 平
(3) 增益和波束宽度； 均时间为30min。
(4) 工作频率；
(5) 分集；
(6) 手机辐射对人体的安全性。
4.2 手机外置天线
形的时 尚需求。
z常见的内置天线类型： ¾单极天线； ¾缩短天线的谐振长度，以获得具有低剖面的内置天线； ¾微带天线。
4.3 手机内置天线
图6-2-8 有限尺寸接地面上的折线天线
4.3 手机内置天线
图6-2-9 平面单极天线结构图(长度单位为mm)
4.3 手机内置天线
把单极天线相对于地面弯曲就获得了倒L形天线， 降低天线高度可以降低天线的谐振频率，L形天线 的短臂在垂直于短臂的平面内全方向辐射，天线的 长臂也会辐射一部分能量。
射频电路与天线
RF Circuits and Antenas
天线部分
第3讲 微带天线和手机天线
201311125
主要内容
z 微带天线概况 z 微带天线辐射原理 z 微带天线设计 z 手机天线背景 z 手机外置天线 z 手机内置天线 z 基站天线
微带天线
3.1 微带天线概况
z 微带天线(Microstrip Antennas)是由导体薄片粘贴 在背面有导体接地板的介质基片上形成的天线。
3.5 宽频带技术----展宽频带的常用方法
1.采用厚基板 与辐射有关的Q值随介质厚度h的增加而降低。从物理意义上 说，增大基片的厚度即增大了微带天线四周缝隙的宽度，从而 增加了从谐振腔中辐射出的能量。
2.采用介电常数较小或损耗较大的基板 采用具有较大损耗材料的基板可以降低谐振腔的Q值，使天 线的阻抗带宽明显展宽，其代价是降低了天线的效率。
3.6 圆极化实现方法
图4.1 微带天线切角示意图
用切角的方法产 生两种正交的 TM10和TM01模 式，来实现圆极 化，切角尺寸约
为λ/10，
3.6 圆极化实现方法
图4.2 Geometry of the proposed circularly polarized four slits with two truncated antenna.
图6-2-5 法向模螺旋天线手机示意图
4.3 手机内置天线
z外置式天线有许多缺点： 不能集成到印制电路板或设备外壳 上，增加了设备的总尺寸；易于折断和弯曲，需小心维护；天 线难于屏蔽导致比吸收率SAR值较高，人体对天线的性能影响 较大；外置天线，尤其是螺旋天线难以精确批量生产，需要匹 配电路，使成本和损耗都增加，难以迎合手机使用者对手机外
3.3 微带天线辐射原理
图 矩形微带天线的E面和H面方向图
3.4 多频微带天线
z 许多卫星及通信系统需要同一天线工作于两个频段， 如GPS全球定位系统、GSM等。
z 对于频谱资源日益紧张的现代通信领域,迫切需要天 线具有双极化功能因为双极化可使它的通信容量增加 1倍。
z 微带天线的工作频率非常适合于这些通信系统，而 微带天线的设计灵活性也使得微带天线在这些领域 中得到了广泛的应用。
图4.3 Simulated axial ratio of the proposed antenna.
3.7 小型化实现方法
1 天线加载
在微带天线上加载短路探针,通过与馈点接近的短路探针在 谐振空腔中引入耦合电容以实现小型化。天线的谐振频率 主要取决于短路探针的粗细和位置,天线尺寸可缩减50 %以 上。其缺点是: (1) 阻抗匹配极大地依赖于短路探针的位置 及其与馈电点的距离ΔL,往往需要馈电点的精确定位和十分 微小的ΔL,这给制造公差提出了苛刻要求。(2) 带宽窄。(3) H 面的交叉极化电平相对较高。
3.3 微带天线辐射原理
FE (ϕ )
=
cos( 1 2
kL sinϕ )
x z
L
O
W
J
m s
y
E
εr
90° 120° 150°
180° (a)
0°
60°
－30°
30°
－60°
0°
－5dB
－90°
实测量
(b)
计算值
(W＝1 cm ，L＝3.05 cm，f＝3.1 GHz)
30°
60°
90°
－5dB
z 通常利用微带传输线或同轴探针来馈电，使导体贴片 与接地板之间激励起高频电磁场，并通过贴片四周与 接地板之间的缝隙向外辐射。
z 微带贴片也可看作宽W、长L的一段微带传输线。
z 其终端(y=L边)处 因为呈现开路，
x z
将形成电压波腹
L
和电流的波节。
O
W
J
m s
一般取
y
E
L≈λg/2，λg为
微带线上波长。 εr
z早期受制造工艺的影响，手机只能采用外置天线。 z外置天线的优点是频带范围宽、接收信号比较稳定、 制造简单、费用相对低； z缺点是天线暴露于机体外易于损坏、天线靠近人体 时导致性能变坏、不易加诸如反射层和保护层等来减 小天线对人体的辐射伤害，接收和发送必须使用不同 的匹配电路等。
4.2 手机外置天线