第讲微带天线和手机天线
天线和微波技术中的天线类型介绍
天线和微波技术中的天线类型介绍天线是通信领域中广泛使用的一种设备，用于收发无线电波信号。
在微波技术中，天线的类型多种多样，每一种天线都有其独特的优点和适用场景。
本文将介绍几种常见的天线类型，在简要介绍其原理和特点的同时，还将探讨其在不同的应用领域中的应用。
一、偶极天线偶极天线是最基本和最常用的天线类型之一。
其结构简单，通常由一对互相对称的导体构成。
偶极天线主要用于接收和发射无线电波，其工作频率范围广泛，从几千赫兹到数百吉赫兹不等。
偶极天线的优点是易于制造，而且天线本身不需要进行特殊的解耦设计。
这使得它成为了无线通信和广播领域的理想选择。
二、方向性天线方向性天线是一种具有明确辐射方向的天线类型。
它主要通过限制天线在特定方向上的辐射能量，以便更好地集中信号。
方向性天线常用于无线通信系统中，用于增加信号传输的距离和强度。
基于不同的设计原理，方向性天线可以分为常见的两种类型：定向天线和定向性天线。
定向天线通过定向辐射辐射能量，以便将信号集中在特定区域内。
而定向性天线则可以通过电子调谐和信号处理技术，自动跟踪信号源的方向。
三、扩束天线扩束天线是一种通过集中信号辐射以提高天线增益的天线类型。
它主要通过在发射和接收器之间添加反射器和透镜等装置来实现辐束。
扩束天线的应用非常广泛，例如在雷达系统中用于提高目标探测和跟踪的准确性，或者在卫星通信系统中用于增加信号传输的距离和质量。
四、天线阵列天线阵列是由多个天线单元组成的天线系统。
它通过联合操作单个天线单元，以实现更大的增益、更高的信噪比和更好的指向性。
天线阵列的设计复杂度相对较高，但是其在无线通信、雷达、卫星通信和航空导航等领域中的应用价值巨大。
五、微带天线微带天线是一种以微带线和介质基片作为支撑结构的天线。
其结构紧凑、制造成本低廉，被广泛应用于卫星通信、无线电频段标签系统和手机通信等领域。
微带天线具有宽带性能、较好的辐射特性和方便的制造工艺，是当今天线设计的热点研究领域之一。
微带天线的工作原理
微带天线的工作原理微带天线是一种常用的无线通信天线，由于其结构简单、制造成本低廉、安装方便等优点，被广泛应用于无线通信系统中。
例如手机、无线局域网、卫星通信等领域都使用了微带天线。
微带天线的工作原理基于微带线的特性和谐振的原理。
微带线是将介质板（常用的是电介质）上的金属贴片与反射板或接地面相连接形成的一条导线。
微带线由于其特殊的结构，具有相对简单的模式存在，并且能够有效地辐射和接收电磁波。
微带天线实际上是通过微带线来辐射和接收无线信号的。
当微带天线处于工作状态时，微带线上的电流被激励，形成电场和磁场的辐射。
辐射的电磁波会通过空间传播到目标区域，实现信号的传输。
微带天线之所以能够工作，主要是依赖于以下几点原理：1. 谐振原理：微带天线的工作的基础是谐振现象。
当微带天线的尺寸合适，使得电磁辐射场能够与电磁波的频率达到谐振，就可以形成较大的辐射阻抗，并将能量有效地辐射到空间中。
2. 过渡线模式：微带天线是通过微带线上的电流来辐射电磁波的。
微带线具有一定的模式存在，其模式的特性主要取决于微带线的几何结构和介质参数。
过渡线模式是微带天线的工作的基础，通过微带线上的电流和电磁场的正常传输，在微带线上形成波导模式，并将电能有效地从发射端辐射到接收端。
3. 特性阻抗匹配：微带天线在工作时还需要考虑特性阻抗的匹配。
特性阻抗是指电磁波在传输线或天线中传播时的阻抗特性。
为了取得较大的能量传输效率，需要将发射端的阻抗与接收端的阻抗匹配，减小功率的反射，使信号能够有效地从发射端传输到接收端。
4. 辐射型式：微带天线的辐射型式主要有主瓣辐射方向和波前辐射特性。
主瓣辐射方向决定了天线的辐射范围和辐射强度分布，而波前辐射特性则描述了天线在空间中的辐射图案。
通过合理设计微带线的形状和尺寸，可以实现所需的辐射型式。
综上所述，微带天线是一种通过微带线辐射和接收电磁波的天线。
通过合理设计微带线的几何结构、介质参数和阻抗匹配，使得微带天线能够实现电磁波的辐射和接收。
微带天线原理
微带天线原理
微带天线是一种常见的天线结构，具有简单、易制作、易集成等优点。
其原理主要基于微带线的谐振和辐射机制。
微带天线由一块金属贴片和一片位于其下方的地板构成，金属贴片的尺寸和形状决定了其工作频率。
通过调整贴片的尺寸和形状，可以实现对不同频率的天线设计。
微带线的谐振是基于电磁场在金属贴片上的反射和干涉效应产生的。
当尺寸适当时，微带线上的电磁场会在贴片的边缘反射并形成驻波，从而实现共振。
共振条件决定了微带天线的频率特性。
同时，微带天线也利用了金属贴片的辐射作用来实现辐射电磁波的功能。
当电流通过微带线时，会在贴片上产生电场和磁场的耦合。
这种耦合会导致电磁波向外辐射，形成天线的辐射场。
微带天线的辐射模式通常是由贴片的形状和尺寸决定的。
常见的微带天线形状包括矩形、圆形、椭圆形等。
根据不同的形状和尺寸设计，微带天线可以实现不同的辐射特性，如指向性、全向性等。
综上所述，微带天线的工作原理主要涉及谐振和辐射效应。
通过精确设计微带线的尺寸和形状，可以实现对特定频率下的辐射场的传输和接收。
这使得微带天线在无线通信、雷达、卫星通信等领域具有广泛的应用。
天线原理第十四章微带天线
(14.10)
(14.11)
291
《天线原理与设计》讲稿
王建
FH (θ ) = sin θ
sin(
βh
2 βh sin θ 2
sin θ ) sin(
cos θ ) 2 βW cos θ 2
βW
(14.12)
由式(14.11)和式(14.12)可绘出矩形贴片微带天线的 E 面和 H 面方向图，如 图 14-7 所示。图中还给出了矩量法计算结果和实测结果。
14.2 微带天线结构及工作原理
14.2.1 微带天线结构
微带天线由很薄( t λ0 ， λ0 是自由空间中的波长)的金属带(贴片)以远小于 波长的间隔( h λ0 ，通常取 0.003λ0 ≤ h ≤ 0.05λ0 )置于一接地面上而成，如下图 14-1 所示。 微带贴片这样设计是为了在贴片的侧射方向有最大的辐射， 这可以通 过选择不同的贴片形状激励方式来实现。 选择不同的贴片组形状还可以实现端射 辐射。对于矩形贴片，贴片长度 L 一般取 λ0 3 < L < λ0 2 。微带贴片与接地面之 间有一介质薄片(称为基片)隔开。
14.2.3 馈电方式
286
287
《天线原理与设计》讲稿
王建
微带天线有许多种馈电装置形式，但主要分为三类，一是微带传输线馈电， 二是同轴线探针馈电，三是耦合馈电，如图 14-3 所示。
■微带传输线馈电
见图 14-3(a)。微带传输线馈电的馈线也是一导体带，一般具有较窄的宽度。 微带传输线馈电制造简单，易于匹配，也易于建模，但是会产生更多的表面波和 寄生辐射，在实际应用中限制了带宽(一般 2～5%)。
(a) 微带传输线馈电
(b) 同轴线探针馈电
微带天线的工作原理
微带天线的工作原理
微带天线的工作原理是基于一种被称为微带传输线的技术。
微带传输线是一块细长的金属带（称为微带）通过一块绝缘基板与地面之间连接。
当电流在微带上流动时，产生的电磁场会引发辐射，这种辐射效应使得微带传输线可以作为天线使用。
微带天线的主要原理包括以下几个方面：
1. 辐射模式：微带天线的辐射模式取决于微带的几何形状和尺寸。
通过调整微带的长度、宽度和形状，可以实现不同的辐射模式，例如方向性的、全向的或者扇形的辐射。
2. 地平面：微带天线的底部通常需要一个地平面（通常是金属板），以提供一个反射面来增强天线的辐射效果。
地平面的大小和形状对天线的性能有很大影响。
3. 驻波效应：微带天线在工作频率附近会形成驻波，即在天线上引起电流分布不均匀的现象。
通过调整微带的尺寸和结构，可以控制驻波的频率和幅度。
4. 互耦效应：在一些特殊的微带天线结构中，微带之间存在一定的电磁耦合效应。
这种互耦效应可以实现一些特殊的功能，例如宽带天线、多频段天线或者极化转换器。
总之，微带天线的工作原理是利用微带传输线的结构和辐射效
应来实现无线电频段的信号接收和辐射。
通过调整微带尺寸、形状和结构，可以实现不同的辐射模式和性能。
微带天线工作原理
微带天线工作原理
微带天线是一种常用的无线通信天线，其工作原理是基于微带电路的特性。
微带天线的结构包括导体贴片、基底板和接地板。
导体贴片通常呈现出直线、圆形或其他形状，而基底板则是导体贴片的基座，接地板则用于提供天线的接地。
在工作过程中，微带天线通过导体贴片与基底板构成了一个微带传输线。
当电信号通过导体贴片传入时，导体贴片会通过电场和磁场的耦合作用产生辐射。
这种辐射可以在空间中形成一个电磁波，并且以指定的频率传输信号。
电场和磁场的耦合作用是通过微带传输线的微带模式完成的。
微带模式是指电场和磁场在导体贴片和基底板之间建立的共振模式。
通过调整导体贴片的长度、宽度和形状，可以改变微带模式的频率和辐射特性，从而实现对天线性能的优化。
微带天线的工作原理可以进一步解释为，当电信号通过导体贴片传输时，导体贴片会在其中产生电流分布。
这个电流分布将在导体贴片表面产生电场，并形成辐射电场。
同时，电流分布还会在导体贴片和基底板之间形成磁场，并形成辐射磁场。
这两个辐射场的叠加将形成辐射电磁波。
总之，微带天线通过微带传输线的电场和磁场耦合作用，将电信号转化为辐射电磁波。
这种辐射波可以被接收器或其他通信设备接收并解码，从而实现无线通信的传输。
微带天线工作原理
微带天线工作原理
微带天线是一种特殊的天线设计。
它是将导线印刷在绝缘基板的表面上，通常使用微波介质的基板，如玻璃纤维璐和PTFE。
微带天线的工作原理基于电磁波的传播和辐射。
当电流通过导线时，会产生磁场和电场。
微带天线中的导线会产生电磁波，这些电磁波可以通过空气或其他介质传播。
天线的长度和宽度决定了工作频率的范围。
微带天线的导线通常以螺旋、条形或其他形状的方式印刷在基板上。
这些形状能够以特定的方式激发并辐射特定频率的电磁波。
微带天线的辐射模式由导线的形状和长度决定。
当微带天线被连接到无线电频率源时，电流将通过导线流动，并在导线上形成电场和磁场。
这些场与导线的特定形状相互作用，从而产生特定频率的辐射电磁波。
这些波会从天线的辐射部分以球形或类似于针射的方式发射。
所以微带天线必须居中安装得到最大效果。
微带天线的工作原理基于电磁波在导线和介质之间的相互作用。
通过优化导线的形状、长度和宽度，可以实现所需的辐射特性和频率响应。
这使得微带天线成为许多无线通信系统中的首选天线之一，尤其是在小型化和集成化方面具有很大优势。
第10章讲义-微带天线
1 f n 2 cos kL sin sin 2
矩形微带天线远区辐射场为：
(10-7)
kh sin sin sin sin( kW cos ) e 1 2 2 ˆ jUkW cos kL sin sin sin (10-8) E kh kW r 2 sin sin cos 2 2
10.1.4
场的求解
微带天线的分析有许多方法，如传输线模型法(Transmission Line Model)，谐 振腔模型法(Cavity Model)，各种电磁场数值算法等。传输线模型法是所有方法 中最简单的，而且物理意义清晰明了，但是精度不够高且不易于模式耦合。谐振 腔模型法相对于传输线模型法精度要高，但比较复杂。同时它也清晰明了的表达 了物理意义且也不易于模式耦合。一般电磁场数值算是非常精确的，也是非常通 用的，但它模型复杂且物理意义不明显。 这里我们用传输线理论方法求解矩形微带天线的辐射场。
ˆ sin cos x ˆ sin sin y ˆ cos z ˆ r
ˆ， ˆ zz ˆ ，因此 R r r 'r 源点在缝隙处，其坐标为： r ' yy
(10-3)
电位为：
1 W 2 h/2 ˆ F z J m e jk r y sin sin - z cos dydz W 2 h / 2 4r
10.1
10.1.1
矩形微带天线
天线结构
微带天线由很薄( t 0 ， 0 是自由空间中的波长)的金属带(贴片)以远小于 波长的间隔( h 0 ，通常取 0.0030 h 0.050 )置于一接地面上而成，对于矩 形贴片，贴片长度 L 的典型值为 L / 2， 0 / r 。微带贴片与接地面之间 由一介质薄片(称为基片)隔开。矩形微带贴片可看作宽为 W、长为 L 的一段微带 传输线，其终端（ y L ）处呈现开路，是电压波幅和电流波节面，贴片和接地 板之间的电场分布如图 10.4 所示。
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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