patch天线相关知识
patch antenna原理
Patch Antenna（贴片天线）的原理主要基于边缘场和开放场的特性。
当一个金属片平行放置于地平面上，用同轴线或者微带线馈电时，其辐射主要靠边缘场。
假设该天线平行于大地放置，其形状为矩形，长边左右摆放，长边的长度为1/4波长。
如果左边缘的场是从patch到地，那么右边缘刚好反向从地到将左右两个边缘的电场分解成水平和垂直分量，你会发现垂直分量抵消，水平分量加强。
这样将会产生平行于地平面的线极化远场。
对于PIFA（Planar Inverted-F Antenna）天线，其谐振波长是贴片长边的4倍（实际上需要考虑介质的波长缩短效应）。
这种天线的辐射主要靠边缘，而边缘的场越往外倾斜，辐射越好（开放场）。
这就是PIFA天线的高度如此重要的原因。
微 带 天 线
Cavity mode: TM
E x ( x, y , z ) = −
z
π x )sin (nπ y )cos E z ( x, y, z ) = E0 sin (m a b
mnp
mode : H z ( x , y , z ) = 0
1 mπ pπ ( ) E0 cos(maπ x )sin (nbπ y )sin pdπ z h2 a d 1 π π x )cos(nπ y )sin pπ z E y ( x, y, z ) = − 2 (nbπ ) p E0 sin (m d a b d h jωε π x )cos(nπ y )cos pπ z H x ( x, y, z ) = 2 (nbπ ) E0 sin (m a b d h jωε π )E0 cos(maπ x )sin (nbπ y )cos pdπ z H y ( x, y , z ) = − 2 ( m a h
9-1
CHAPTER 9
Microstrip Antennas (PATCH ANTENNAS)
微帶天線
C. A. Balanis, Antenna Theory, Ch. 14 W. Stutzman, Antenna Theory and Design, Ch 5 (5.8) Y.-T. Lo and S.-W. Lee, Antenna Handbook, Ch. 10 Kin-Lu Wong, Design of Nonplaanar Microstrip Antennas and Transmission Lines
嵌入馈电微带贴片天线的设计(a microstrip-line insett_fed patch antenna)
外形小、成本低的天线可用于许多现代通信系统中。
微带贴片天线代表一系列的小型天线，它们具有等角性质和已与通信系统的印刷电路集成在一起的优点。
通过采用简单明了的传输线模型，建立微带线嵌入馈电(inset-fed)贴片天线的精确模型并对之进行分析已成为可能。
另外，通过应用曲线拟合公式，也可以确定50Ω输入阻抗所需的精确嵌入长度。
馈电机制在微带贴片天线设计中扮演了重要角色。
微带天线可以由同轴探针或嵌入的微带线来馈电，同轴探针馈电在有源天线应用中具有优势，而微带线馈电则是适合于开发高增益微带阵列天线。
对于这两种情况，探针的位置或嵌入的长度都将决定输入阻抗的大小。
已通过各种各样的模型，包括传输线模型和空腔模型，以及通过全波分析对同轴探针馈电的贴片天线分输入阻抗特性进行了分析。
无论从实验上还是从理论上，都证明了同轴探针馈电贴片天线的输入阻抗特性遵守三角函数：cos2[π(y0/L)]，其中，L等于贴片长度，y0等于从边缘沿着贴片长度L方向的馈电位置。
另一方面，从实验上也证明在低介电常数材料上，嵌入馈电的探针天线的输入阻抗表现为以下函数的4阶特性：cos4[π(y0/L)]。
幸运的是，现已开发出一种简单的分析方法，该方法利用传输线模型来获得嵌入馈电微带贴片天线的输入阻抗。
利用这种方法，在使用现代薄介电电路板材料时，可引用曲线拟合公式来确定嵌入长度，以便实现50Ω的输入阻抗。
图1是嵌入馈电微带贴片天线的图示。
参数εr、h、L、W、w< SUB >f< /SUB >和y0分别代表基板的介电常数、厚度、贴片长度、贴片宽度、馈线宽度和馈线嵌入距离。
嵌入馈电微带贴片天线的输入阻抗主要取决于嵌入距离y0，并在某种程度上取决于嵌入宽度(馈线与贴片导线之间的间距)。
嵌入长度的变化不会在谐振频率上产生任何改变，但是嵌入宽度的变化却会导致谐振频率的改变。
因此，在下面的讨论中，贴片导线与馈线之间的间距是保持不变，等于馈线宽度。
侧馈矩形微带贴片天线的仿真心得体会
侧馈矩形微带贴片天线的仿真心得体会前段时间仿了一下5GHz的侧馈微带贴片天线，写下一些小心得。
一、切记要将贴片的高度设计在Z=0的高度，否则你转为.def时文件并不能打开。
二、功分器的关键参数是贴片的长度，它对谐振点的频率有影响。
另外，1/4波长匹配器的长度对匹配有影响。
三、天线的最重要的指标是S11，低于-20dB最好，但是低于-15dB 也可用。
在使用HFSS设计的过程中，如果使用波端口激励，那么端口应该在空气腔的边缘处。
如果使用集总参数激励，那么端口应该在空气腔的内部。
在这里使用波端口激励。
第一步：定义变量第二步：建模空气腔：air box介质：substrate，Rogers4003,0.813mm微带线：patch波端口激励：port1,port2,port3第三步：设置边界及波端口激励一、边界的顺序是很重要的，在这里应该会设置微带线为perfect,之后再设计电阻为RLC。
Substrate的底面应该要设为perfect。
air box的不与波端口和substrate接触的面应该要设为radiation。
二、波端口积分方向为从Z=-H到Z=7*H，正中间。
第四步：设置求解频率以及扫描频率第五步：检查是否设计正确第六步：查看仿真结果，若结果不理想，再进行参数扫描。
如下图所示：添加参数扫描范围parametric，查看它的变化规律，仿真出最好的实验结果。
得到扫描范围后，可对其进行优化，optimization，得出理想的结果。
第七步：仿真结果如下图所示问题：个人觉得S11参数还可以再小一点，因此加了优化变量在调试求得更好的现象。
若能求解出最好的值，那么就再选求得的值前段时间仿了一下5GHz的侧馈微带贴片天线，写下一些小心得。
一、切记要将贴片的高度设计在Z=0的高度，否则你转为.def时文件并不能打开。
二、功分器的关键参数是贴片的长度，它对谐振点的频率有影响。
另外，1/4波长匹配器的长度对匹配有影响。
天线原理笔记
1天线原理1.1.天线的作用任何无线电设备都是通过无线电波来传递信息，因此就必须有能辐射或接收电磁波的装置。
天线的第一个作用就是辐射和接收电磁波。
当然能辐射或接收电磁波的东西不一定都能用来作为天线。
例如任何高频电路，只要不是完全屏蔽起来的，都可以向周围空间或多或少地辐射电磁波，或者从周围空间或多或少地接收到电磁波。
但是，任意一个高频电路并不一定能作天线，因为它辐射和接收电磁波的效率很低。
只有能够有效地辐射和接收电磁波的设备才有可能作为天线使用。
天线的另一个作用是“能量转换”。
大家知道，发信机通过馈线送入天线的并不是无线电波，收信天线也不能直接把无线电波送入收信机，这里有一个能量的转换过程。
即把发信机所产生的高频振荡电流经馈线送入天线输入端，天线要把高频电流转换为空间高频电磁波，以波的形式向周围空间辐射；反之在接收时，也是通过收信天线把截获的高频电磁波的能量转换成高频电流的能量后，再送给收信机。
显然这里有一个转换效率问题：天线增益越高，则转换效率就越高。
1.2.天线的工作原理天线本身就是一个振荡器，但又与普通的LC振荡回路不同，它是普通振荡回路的变形。
1.2.1.辐射原理LC是发信机的振荡回路。
电场集中在电容器的两个极板之中，而磁场则分布在电感线圈的有限空间里，电磁波显然不能向广阔空间辐射。
如果将振荡电路展开，使电磁场分布于空间很大的围，这就创造了有利于辐射的条件。
下图示出了它的演变过程。
导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长短和形状有关。
如由于两导线的距离很近，且两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消，因而辐射很微弱。
如果将两导线开，这时由于两导线的电流方向相同，由两导线所产生的感应电动势方向相同，因而辐射较强。
于是，来自发信机的、已调制的高频信号电流由馈线送到天线上，并经天线把高频电流能量转变为相应的电磁波能量，向空间辐射。
当导线的长度L远小于波长时，导线的电流很小，辐射很微弱；当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，因而就能形成较强的辐射。
pifa天线
PIFA天线基本结构
*The basic PIFA consists of a ground plane, a top plate element, a feed wire attached the ground plane and the top plate, and a shorting plane that is connected between the ground and top plate.
多工作频带PIFA
两个或两个以上工作频带便得移动通信更 加便利，以下是常见移动通信频段
GSM:Global System for Mobile; DCS:Digital Cellular Sytem; PCS: Personal Communication System; IMT: International Mobile Telecommunication ISM: Industrial , Scientifical, Medical
PIFA: Planar Inverted-F Antenna 平面倒F天线
平面倒F天线的理论与实例
喻志远 电子科技大学 2006.2.20
小天线的主要类型
1。Microstrip Antenna(MSA) 微带天线 2。PIFA：平面倒F天线 3。IL： 倒L天线 4。Monopole Microstrip Antenna单极微 带天线
有限接地平面对PIFA天线的影响
有限天线是小天线的重要组成部分，它对天线的 电特性有重大影响。 有限接地平面将对天线的谐振频率，带宽，天线 增益，方向图，产生直接影响 设计者常需要对PIFA天线的尺寸，接地平面的 大小和其电特性之间作出折衷. 对无限大的接地平面，人们可以用镜像法来分析 接地平面对天线的影响，但有限大的接地平面， 其边缘的电流分布对场的辐射有重要贡献。
patch天线相关知识
GPS天线概述GPS就是通过接受卫星信号，进行定位或者导航的终端。
而接受信号就必须用到天线。
GPS卫星信号分为L1和L2，频率分别为1575.42MHZ和1228M HZ，其中L1为开放的民用信号，信号为圆形极化。
信号强度为-125~-130dBm左右，属于比较弱的信号。
这些特点决定了要为GP S信号的接受准备专门的天线。
分类⒈从极化方式上GPS天线分为垂直极化和圆形极化。
以现在的技术，垂直极化的效果比不上圆形极化。
因此除了特殊情况，GPS天线都会采用圆形极化和线性极化。
⒉从放置方式上GPS天线分为内置天线和外置天线。
天线的装配位置也是十分重要。
早期GPS手持机多采用外翻式天线，此时天线与整机内部基本隔离，EMI几乎不对其造成影响，收星效果很好。
现在随着小型化潮流，GPS天线多采用内置。
此时天线必须在所有金属器件上方，壳内须电镀并良好接地，远离EMI干扰源，比如CPU，SDRAM，SD卡，晶振，DC/DC。
车载GPS的应用会越来越普遍。
而汽车的外壳，特别是汽车防爆膜会GP S信号产生严重的阻碍。
一个带磁铁（能吸附到车顶）的外接天线对于车载GP S来说是非常有必要的。
3.从供电方面又分有源和无源。
外置式GPS为有源天线，比方达伽马G PS外置式天线基本上就属于有源天线。
那无源天线就是不含LN A放大器，只是天线本体。
构造绝大部分GP S天线为右旋极化陶瓷介质，其组成部分为：陶瓷天线、低噪音信号模块、线缆、接头。
其中陶瓷天线也叫无源天线、介质天线、PATCH，它是GPS天线的核心技术所在。
一个GPS天线的信号接受能力，大部分取决与其陶瓷部分的成分配料如何。
低噪声信号模块也称为L NA，是将信号进行放大和滤波的部分。
卫通星GPS天线的分类及重要作用
GPS天线的分类及重要作用GPS接收天线的作用，是将卫星来的无线电信号的电磁波能量变换成接收机电子器件可摄取应用的电流。
天线的大小和形状十分重要，因为这些特征决定了天线能获取微弱的GPS 信号的能力。
根据需要，天线可设计成可以工作在单一的L1频率上，也可以工作在L1和L2两个频率上。
由于GPS信号是圆极化波，所以所有的接收天线都是圆极化工作方式。
尽管有多种多样的条件限制，仍然有许多不同的天线类型存在，如单极的，双极的，螺旋的，四臂螺旋的，以及微带天线。
我们在市面上看到的GPS接收器的内置天线一般有两种－－平板式天线和四臂螺旋式天线，到底两种天线各有什么优劣呢，让我们来为您一一解答。
一..平板式天线（Patch Antenna）平板式天线由于其耐用性和相对地容易制作，所以成了应用最为普遍的一类天线。
其形状可以是圆的也可以方的或长方的，如同一块敷铜的印刷电路板。
它由一个或多个金属片构成，所以GPS天线最常用的形状是块状结，像个烧饼。
由于天线可以做得很小，因此适合于航空应用和个人手持应用。
天线的另一个主要特性，是其的增益图形，即方向性。
利用天线的方向性可以提高其抗干和抗多径效应能力。
在精确定位中，天线的相位中心的稳定性是个很重要的指标。
但是，普通的导航应用中，人们希望用全向天线，至少能接收天线地平以上五度视野内所有天空中的可见卫星信号，但是平板式天线在卫星于天线正上方时，讯号增益才是最大，这就有两个问题：1、平板的接收范围在平板上方，平板要面向天空，这对于手持以及车载都会带来麻烦，我们可以看到可调角度的CF接收器越来越多（可折叠的SDGPS ），就是因为平板式天线这种特性使得厂家为了接收器有更好的收讯效果才想出来的招。
2、我们知道，虽然我们正头顶上的卫星信号比较好，比较容易锁定，但其实正头顶上的卫星是最没用的，如果没有低角度的卫星，误差会相对较高，精度将会很差。
所以基于这些缺点，GPS接收器上也开始使用四臂螺旋式天线二.四臂螺旋式天线（Quadrifilar Helix Antenna ）四臂螺旋式天线由四条特定弯曲的金属线条所组成。
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GPS天线概述
GPS就是通过接受卫星信号，进行定位或者导航的终端。
而接受信号就必须用到天线。
GPS卫星信号分为L1和L2，频率分别为1575.42MHZ和1228MHZ，其中L1为开放的民用信号，信号为圆形极化。
信号强度为-125~-130dBm左右，属于比较弱的信号。
这些特点决定了要为GPS信号的接受准备专门的天线。
分类
⒈从极化方式上GPS天线分为垂直极化和圆形极化。
以现在的技术，垂直极化的效果比不上圆形极化。
因此除了特殊情况，GPS天线都会采用圆形极化和线性极化。
⒉从放置方式上GPS天线分为内置天线和外置天线。
天线的装配位置也是十分重要。
早期GPS手持机多采用外翻式天线，此时天线与整机内部基本隔离，EMI几乎不对其造成影响，收星效果很好。
现在随着小型化潮流，GPS天线多采用内置。
此时天线必须在所有金属器件上方，壳内须电镀并良好接地，远离EMI干扰源，比如CPU，SDRAM，SD卡，晶振，DC/DC。
车载GPS的应用会越来越普遍。
而汽车的外壳，特别是汽车防爆膜会GPS信号产生严重的阻碍。
一个带磁铁（能吸附到车顶）的外接天线对于车载GPS来说是非常有必要的。
3.从供电方面又分有源和无源。
外置式GPS为有源天线，比方达伽马GPS外置式天线基本上就属于有源天线。
那无源天线就是不含LNA放大器，只是天线本体。
构造
绝大部分GPS天线为右旋极化陶瓷介质，其组成部分为：陶瓷天线、低噪音信号模块、线缆、接头。
其中陶瓷天线也叫无源天线、介质天线、PATCH，它是GPS天线的核心技术所在。
一个GPS天线的信号接受能力，大部分取决与其陶瓷部分的成分配料如何。
低噪声信号模块也称为LNA，是将信号进行放大和滤波的部分。
其元器件选择也很重要，否则会加大GPS信号的反射损耗，以及造成噪音过大。
线缆的选择也要以降低反射为标准，保证阻抗的匹配。
性能
1、陶瓷片：陶瓷粉末的好坏以及烧结工艺直接影响它的性能。
现市面使用的陶瓷片主要是25×25、18×18、15×15、12×12。
陶瓷片面积越大，介电常数越大，其共振频率越高，接受效果越好。
陶瓷片大多是正方形设计，是为了保证在XY方向上共振基本一致，从而达到均匀收星的效果。
2、银层：陶瓷天线表面银层可以影响天线共振频率。
理想的GPS陶瓷片频点准确落在1575.42MHz，但天线频点非常容易受到周边环境影响，特别是装配在整
机内，必须通过调整银面涂层外形，来调节频点重新保持在1575.42MHz。
因此GPS整机厂家在采购天线时一定要配合天线厂家，提供整机样品进行测试。
3、馈点：陶瓷天线通过馈点收集共振信号并发送至后端。
由于天线阻抗匹配的原因，馈点一般不是在天线的正中央，而是在XY方向上做微小调整。
这样的阻抗匹配方法简单而且没有增加成本。
仅在单轴方向上移动称为单偏天线，在两轴均做移动称为双偏。
4、放大电路：承载陶瓷天线的PCB形状及面积。
由于GPS有触地反弹的特性，当背景是7cm×7cm无间断大地时，patch天线的效能可以发挥到极致。
虽然受
外观结构等因素制约，但尽量保持相当的面积且形状均匀。
放大电路增益的选择必须配合后端LNA增益。
Sirf的GSC3F要求信号输入前总增益不得超过29dB，否则信号过饱和会产生自激。
GPS天线有四个重要参数：增益（Gain）、驻波（VSWR）、噪声系数（Noise figure）、轴比（Axial ratio）。
其中特别强调轴比，它是衡量整机对不同方向的信号增益差异性的重要指标。
由于卫星是随机分布在半球天空上，所以保证天线在各个方向均有相近的敏感度是非常重要的。
轴比受到天线性能、外观结构、整机内部电路及EMI等影响。
选择
能自行生产GPS陶瓷天线的厂家主要是达伽马导航、嘉兴佳利电子、佳邦、嘉康电子等厂家。
大部分厂家均从国内外采购陶瓷部分，配合设计的放大电路。
超级智能终端越来越成为大势所趋，狭小的空间对配件的大小提出了很高的要求。
原来国内的技术只在15×15以上成熟，10×10以上基本成熟。
现在最小可以做到7×7左右，良率会偏低。