天线知识

摘要摘要英文

1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、

半径：17.32mm 匹配线：l:7.732mm W:0.25mm 50ohm:17mm 3.057mm

绪论，首先介绍本文的研究背景及微带天线的研究现状。 简要介绍天线的基本知识及理论。

介绍微带天线的基本知识理论。

论述圆极化微带天线的概念与实现原理。 介绍微带天线的工作特性及其对天线的基本要求。

介绍圆极化微带天线的设计及运用计算机仿真软件仿真天线。 总结 结束语 想参考文献

摘要：随着全球定位系统(GPS)在全球的快速发展，特别是在手机业务中的使用，使得对GPS天线要求越来越高，不仅要满足其圆极化的特性，对其外观及与系统集成度方面的要求也进一步增多，特别是在小型化的研究上，除此之外，还要求降低其成本，才是其能广泛推广的关键。

本文针对GPS天线的上述性能，研究了微带贴片天线的特性，并在传统微带天线的基础上利用表面开槽、切角技术来实现其圆极化及小型化。设计了一个单层单贴片微带天线，该天线采用微带线单点馈电，通过在圆形贴片上切角及开缝隙操作实现其圆极化和小型化，工作频率在2.4GHz，用于GPS卫星接收系统。

关键词：、微带天线、圆极化、切角、缝隙、GPS、圆形、ADS软件

摘要翻译

目录

摘要……………………………………………………………………1 Abstract……………………………………………………………….1

目录……………………………………………………………………1 第一章 绪论…………………………………………………………1 §1.1 引言

§1.2 GPS天线的发展及现状

§1.3 论文的基本内容

第二章 天线的基本知识及基础理论 §2.1 天线的作用及地位 §2.2 传输线的基础知识 §2.3 天线的基本性能参数 §2.4 天线的分类与选择 第三章 微带天线的基础知识 §3.1 微带天线的发展及现状 §3.2 微带天线的基本理论 §3.2.1 微带天线的辐射机理 §3.2.2 微带天线分析方法 第四章 GPS天线圆极化和小型化技术 §4.1 天线的圆极化技术 §4.1.1 圆极化的基本概念

§4.1.2圆极化的实现方法 §4..2天线的小型化技术

第五章 微带贴片天线的设计 第六章 总结 第七章 致谢

第八章 参考文献

第一章 绪论

§1.1 引言

随着全球电信业的急速发展，个人的行动通信也越来越发达和普及，至今基本上己是人手一机，手机也变成个人随身的物品，手机的所在位置也是

个人的位置，因此在个人发生紧急事故或意外时，确定手机的位置也就确定了人的位置，所以各国政府陆续规定手机要有定位的功能;目前定位的方法有很多种，但是以全球卫星定位系统是最方面、准确的。

全球卫星定位系统(GPS)的通讯设备对其天线的要求能提供右手圆极化(right-hand circular polarization)且其场型能均匀涵盖整个上半球形;圆形极化操作设计是应用在卫星通讯传播上的使用的传播方式，其对于电磁波在传送以及接收的方向上，也远比线性极化传播较无限制，再加上电磁波在电离层会产生法拉第旋转效应，使得圆形极化在近年来卫星通讯上极具重要性。

GPS天线通常使用平面天线(patch antenna)和螺旋性天线(helical antenna)，这两种天线都可以形成圆极化的半球波束，都可作为GPS接收系统常用的天线形式。但是微带天线由于其低轮廓、重量较轻、成本低，易于制作且易于和RF器件集成等优点，在许多实际应用中常被采用。近年来微带天线由于它的尺寸小、成本低、易实现圆极化、小型化等优点，在全球定位系统应用中独占鳌头。

圆极化天线的实用意义主要体现在:1.圆极化天线可接收任意极化的来波，且其辐射波也可由任意极化天线收到，故电子侦察和干扰中普遍采用圆极化天线;2.在通信、雷达的极化分集工作和电子对抗等应用中广泛利用圆极化天线的旋向正交性;3.圆极化波入射到对称目标(如平面、球面等)时旋向逆转，因此圆极化天线应用于移动通信、GPS等能抑制雨雾干扰和抗多径反射。

除了对圆极化的要求外，随着各种无线电元器件的小型化以及空间技术的发展，人们对缩小天线尺寸的要求更为迫切。而GPS功能在个人行动通一讯设备，特别是手机中的普及，更使GPS天线的小型化研究成为十分热门的话题。

因此，在上述的前提下，本文将针对GPS天线结构进行研究和讨论，着重研究微带天线的圆极化和小型化技术，设计了几种新型的天线结构。

§1.2 GPS天线的研究现状

早在1953年德尚教授就己经提出利用微带线的辐射来制成微带天线的概念。但是在随后的近20年里，对此只有一些零星的研究。直到1972年，由于微波集成技术的发展和空间技术对低剖面天线的迫切需求，芒森和豪威尔等研究者制成了第一批实用微带天线。1979年在美国新墨西哥州大学举行了微带天线的的专题会议。70年代是微带天线取得突破性进展的时期。在80年代中，微带天线无论在理论与应用的深度上和广度上都获得了进一步的发展。对于微带天线

的圆极化技术，由三种主要的方法，分别是单馈法、多馈法以及多元法。实现方式多以切角、表面开槽或准方形、近圆形来实现。对于制作小型化微带天线的方法，最基本的可以利用较大的介电常数当基板。结构不但可以缩小天线且能制造双频的效果，这样只需要一组天线的面积。还有文献「7」是在微带天线上挖出凹槽等，借由金属片上电流的变化使得天线被缩小。还有一种结构，则是在辐射金属片与接地面间加上晶片电阻，不但可以缩小天线也可以改善天线的频宽问题。在许多移动终端的GPS天线中，多使用的是陶瓷介质的切角微带天线来实现其圆极化小型化的要求。目前这种陶瓷天线可以做到IOnun*1Onnll，但是的其成本也会相对提高。国内由于GPS业务在手机上的使用还为十分普及，因此这种天线的需求不是很高，制作厂商也相对较少。文献〔8〕给出了一种短路环形贴片结构，它可以降低多径效应，满足

其辐射方向图的要求。

为了满足GPS天线宽波束的要求，文献〔9」中的两位作者研究了地对GPS天线性能的影响，并得出当接地面的半径接近于半波长时，可以得到最优的天线波束。螺旋天线结构是1946年，由JohnD.KruaS第一个发现的，其建立整个螺旋的理论基础，并且也从实际的实验中去验证，使得日后螺旋性天线不单只用在GPS上，在卫星通一讯上也是不可或缺的。Kilgus第一个提出了谐振式螺旋天线。

谐振式螺旋天线主要有四条螺旋臂组成，后来为了满足双频的要求，又提出了八臂螺旋结构。在文献〔101中给出了印刷电路板式螺旋天线，通过对螺旋臂结构的设计实现了螺旋天线的小型化。

随着科技和天线技术的发展，以及GPS系统在人类生活中的广泛使用，人们对天线的要求也越来越高，人们最初使用的是微带贴片天线，这个技术己基本成熟，通过设计各种形状的贴片来实现圆极化以满足GPS系统的需求。以双频天线举例来说，由于无线通信的发展使得在雷达、通信和定位系统等领域都迫切需要双频、双极化的天线，以实现频率复用、收发双工和天线共用。2004年，加拿大NovAtel公司新近推出一种GPS700型天线。这是一种以孔径祸合缝隙天线阵

技术为特征的自主式GPS天线。同年，美国伊利诺斯州的Mxarda公司推出了一种GPS移动式天线，它是Mxa一Matics公司用于综合信息服务、产品系列的部件，它由一个密封高增益27dB的GPS天线。它适用于货车和贵重物品的跟踪。

§1.3 论文的基本内容

对微带天线的圆极化及小型化做了详细分析通过使用D3电磁场仿真软件ADS(Advanced Design System)对天线进行仿真，研究了这天线在增益、方向图及极化等特性。

此篇论文的具体研究内容包括: 1.微带贴片天线的理论研究方法 2.天线实现圆极化和小型化的各种方法 3.圆极化微带贴片天线的设计和研究。 4.几种微带结构的贴片天线的研究和对比 拟解决的关键问题:

1.GPS微带天线的设计、研究和制作。 2.圆形贴片上开槽，切角实现圆极化。

第二章 天线的基本知识及基础理论

§2.1 天线的作用及地位

通信、雷达、遥感、广播、电视、导航等无线电设备，都是依靠无线电波来工作的，都需要有无线电波的辐射和接收，例如，最基本的无线电通信系统如图所示。在某地的发射系统有发射机、馈线和发射天线组成；在另一地的接收系统有接收天线、馈线和接收机组成。信号经发射机调制成高频电磁能量，以导波形式经馈线送至发射天线。发射天线将该能量转换成空间辐射的某种极化的无线电波。电波按指定方向经过一定方式传播之后到达接收端，一部分规定极化的电波能量经接收天线转变成导波形式的高频电磁能量，经

馈线发至接收机，最后经解调取出信号，完成信息的转送。

发射机

辐射或接收无线电波的设备称为天线，天线主要完成导行波与空间电波能量之间的转换

一 天线基础知识

表征天线性能的主要参数有方向图，增益，输入阻抗，驻波比，极化方式等。

1.1 天线的输入阻抗

天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。匹配的优劣一般用四个参数来衡量即反射系数，行波系数，驻波比和回波损耗，四个参数之间有固定的数值关系，使用那一个纯出于习惯。在我们日常维护中，用的较多的是驻波比和回波损耗。一般移动通信天线的输入阻抗为50Ω。

驻波比：它是行波系数的倒数，其值在1到无穷大之间。驻波比为1，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。在移动通信系统中，一般要求驻波比小于1.5，但实际应用中VSWR应小于1.2。过大的驻波比会减小基站的覆盖并造成系统内干扰加大，影响基站的服务性能。

回波损耗：它是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。回波损耗的值在0dB的到无穷大之间，回波损耗越大表示匹配越差，回波损耗越大表示匹配越好。0表示全反射，无穷大表示完全匹配。在移动通信系统中，一般要求回波损耗大于14dB。

接收机

1.2 天线的极化方式 所谓天线的极化，就是指天线辐射时形成的电场强度方向。当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波。由于电波的特性，决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减，而垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。

因此，在移动通信系统中，一般均采用垂直极化的传播方式。另外，随着新技术的发展，最近又出现了一种双极化天线。就其设计思路而言，一般分为垂直与水平极化和±45°极化两种方式，性能上一般后者优于前者，因此目前大部分采用的是±45°极化方式。双极化天线组合了+45°和-45°两副极化方向相互正交的天线，并同时工作在收发双工模式下，大大节省了每个小区的天线数量；同时由于±45°为正交极化，有效保证了分集接收的良好效果。（其极化分集增益约为5dB，比单极化天线提高约2dB。）

1.3 天线的增益

增益是指：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信

号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。 可以这样来理解增益的物理含义------为在一定的距离上的某点处产生一定大小的信号。

天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它是选择基站天线最重要的参数之一。

一般来说，增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。天线增益对移动通信系统的运行质量极为重要，因为它决定蜂窝边缘的信号电平。增加增益就可以在一确定方向上增大网络的覆盖范围，或者在确定范围内增大增益余量。任何蜂窝系统都是一个双向过程，增加天线的增益能同时减少双向系统增益预算余量。另外，表征天线增益的参数有dBd和dBi。DBi是相对于点源天线的增益，在各方向的辐射是均匀的；dBd相对于对称阵子天线的增益dBi=dBd+2.15。相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。一般地，GSM定向基站的天线增益为18dBi，全向的为11dBi。 如果用理想的无方向性点源作为发射天线，需要100W的输入功率，而用增益为 G = 13 dB = 20的某定向天线作为发射天线时，输入功率只需 100 / 20 = 5W . 换言之，某天线的增益，就其最大辐射方向上的辐射效果来说，与无方向性的理想点源相比，把输入功率放大的倍数。

半波对称振子的增益为G = 2.15 dBi ; 4个半波对称振子 沿垂线上下排列，构成一个垂直

四元阵，其增益约为G = 8.15 dBi ( dBi这个单位表示比较对象是各向均匀辐射的理想点源) 。

如果以半波对称振子作比较对象，则增益的单位是dBd 。

半波对称振子的增益为G = 0 dBd （因为是自己跟自己比，比值为1，取对数得零值。） ； 垂直四元阵，其增益约为G = 8.15 – 2.15 = 6 dB。.

1.33333天线的方向性

1 天线方向性

发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去，基本功能之二是把大部

分能量朝所需的方向辐射。 垂直放臵的半波对称振子具有平放的 “面包圈” 形的立体方向图（图1.3.1 a）。 立体方向图虽然立体感强，但绘制困难， 图1.3.1 b 与图1.3.1 c 给出了它的两个主平面方向图，平面方向图描述天线在某指定平面上的方向性。从图1.3.1 b 可以看出，在振子的轴线方向上辐射为零，最大辐射方向在水平面上；而从图1.3.1 c 可以看出，在水平面上各个方向上的辐射一样大。

2 天线方向性增强

若干个对称振子组阵，能够控制辐射，产生“扁平的面包圈” ，把信号进一步集中到在水平面方向上。下图是4个半波对称振子沿垂线上下排列成一个垂直四元阵时的立体方向图和垂直面方向图。

也可以利用反射板可把辐射能控制到单侧方向

平面反射板放在阵列的一边构成扇形区覆盖天线。下面的水平面方向图说明了反射面的作用--反射面把功率反射到单侧方向，提高了增益。 天线的基本知识全向阵 （垂直阵列 不带平面反射板）。

抛物反射面的使用，更能使天线的辐射，像光学中的探照灯那样，把能量集中到一个小立体角内，从而获得很高的增益。不言而喻，抛物面天线的构成包括两个基本要素：抛物反射面 和 放臵在抛物面焦点上的辐射源。

1.4 天线的波瓣宽度

波瓣宽度是定向天线常用的一个很重要的参数，它是指天线的辐射图中低于峰值3dB处所成夹角的宽度（天线的辐射图是度量天线各个方向收发信号能力的一个指标，通常以图形方式表示为功率强度与夹角的关系）。

天线垂直的波瓣宽度一般与该天线所对应方向上的覆盖半径有关。因此，在一定范围内通过对天线垂直度（俯仰角）的调节，可以达到改善小区覆盖质量的目的，这也是我们在网络优化中经常采用的一种手段。主要涉及两个方面水平波瓣宽度和垂直平面波瓣宽度。水平平面的半功率角（H－Plane Half Power beamwidth）:(45°,60°,90°等)定义了天线水平平面的波束宽度。角度越大,在扇区交界处的覆盖越好，但当提高天线倾角时，也越容易发生波束畸变,形成越区覆盖。角度越小，在扇区交界处覆盖越差。提高天线倾角可以在移动程度上改善扇区交界处的覆盖，而且相对而言，不容易产生对其他小区的越区覆盖。在市中心基站由于站距小，天线倾角大，应当采用水平平面的半功率角小的天线，郊区选用水平平面的半功率角大的天线；垂直平面的半功率角（V－Plane Half Power beamwidth）:（48°, 33°,15°,8°）定义了天线垂直平面的波束宽度。垂直平面的半功率角越小，偏离主波束方向时信号衰减越快，在越容易通过调整天线倾角准确控制覆盖范围 。

方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣。

参见图1.3.4 a , 在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低 3 dB（功率密度降低一半）的两点间的夹角定义为波瓣宽度（又称 波束宽度 或 主瓣宽度 或 半功率角）。波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。

还有一种波瓣宽度，即 10dB波瓣宽度，顾名思义它是方向图中辐射强度降低 10dB （功率密

度降至十分之一） 的两个点间的夹角，见图1.3.4 b .

1.5 前后比(Front-Back Ratio)

表明了天线对后瓣抑制的好坏。选用前后比低的天线，天线的后瓣有可能产生越区覆盖，导致切换关系混乱，产生掉话。一般在25－30dB之间，应优先选用前后比为30的天线。 方向图中，前后瓣最大值之比称为前后比，记为 F / B 。前后比越大，天线的后向辐射 （或接收）越小。前后比F / B 的计算十分简单--- F / B = 10 Lg {（前向功率密度） /（ 后向功率密度）}

对天线的前后比F / B 有要求时，其典型值为 （18 --- 30）dB，特殊情况下则要求达 （35 --- 40）dB 。

二 天线分类与选择

移动通信天线的技术发展很快，最初中国主要使用普通的定向和全向型移动天线，后来普遍使用机械天线，现在一些省市的移动网已经开始使用电调天线和双极化移动天线。由于目前移动通信系统中使用的各种天线的使用频率，增益和前后比等指标差别不大，都符合

网络指标要求，我们将重点从移动天线下倾角度改变对天线方向图及无线网络的影响方面，对上述几种天线进行分析比较。

2.1 全向天线

全向天线，即在水平方向图上表现为360°都均匀辐射，也就是平常所说的无方向性，在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，一般情况下波瓣宽度越小，增益越大。全向天线在移动通信系统中一般应用与郊县大区制的站型，覆盖范围大。

2.2 定向天线

定向天线，在在水平方向图上表现为一定角度范围辐射，也就是平常所说的有方向性，在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，同全向天线一样，波瓣宽度越小，增益越大。定向天线在移动通信系统中一般应用于城区小区制的站型，覆盖范围小，用户密度大，频率利用率高。

根据组网的要求建立不同类型的基站，而不同类型的基站可根据需要选择不同类型的天线。选择的依据就是上述技术参数。比如全向站就是采用了各个水平方向增益基本相同的全向型天线，而定向站就是采用了水平方向增益有明显变化的定向型天线。一般在市区选择水平波束宽度B为65°的天线，在郊区可选择水平波束宽度B为65°、90°或120°的天线（按照站型配臵和当地地理环境而定），而在乡村选择能够实现大范围覆盖的全向天线则是最为经济的。

2.3 机械天线

所谓机械天线，即指使用机械调整下倾角度的移动天线。

机械天线与地面垂直安装好以后，如果因网络优化的要求，需要调整天线背面支架的位臵改变天线的倾角来实现。在调整过程中，虽然天线主瓣方向的覆盖距离明显变化，但天线垂直分量和水平分量的幅值不变，所以天线方向图容易变形。

实践证明：机械天线的最佳下倾角度为1°－5°；当下倾角度在5°－10°变化时，其天线方向图稍有变形但变化不大；当下倾角度在10°-15°变化时，其天线方向图变化较大；当机械天线下倾15°后，天线方向图形状改变很大，从没有下倾时的鸭梨形变为纺锤形，这时虽然主瓣方向覆盖距离明显缩短，但是整个天线方向图不是都在本基站扇区内，在相邻基站扇区内也会收到该基站的信号，从而造成严重的系统内干扰。

另外，在日常维护中，如果要调整机械天线下倾角度，整个系统要关机，不能在调整天线倾角的同时进行监测；机械天线调整天线下倾角度非常麻烦，一般需要维护人员爬到天线安放处进行调整；机械天线的下倾角度是通过计算机模拟分析软件计算的理论值，同实际最佳下倾角度有一定的偏差；机械天线调整倾角的步进度数为1°，三阶互调指标为-120dBc。 2.4 电调天线

所谓电调天线，即指使用电子调整下倾角度的移动天线。

电子下倾的原理是通过改变共线阵天线振子的相位，改变垂直分量和水平分量的幅值大小，改变合成分量场强强度，从而使天线的垂直方向性图下倾。由于天线各方向的场强强度同时增大和减小，保证在改变倾角后天线方向图变化不大，使主瓣方向覆盖距离缩短，同时又使整个方向性图在服务小区扇区内减小覆盖面积但又不产生干扰。实践证明，电调天线下倾角度在1°-5°变化时，其天线方向图与机械天线的大致相同；当下倾角度在5°-10°变化时，其天线方向图较机械天线的稍有改善；当下倾角度在10°-15°变化时，其天线方向图较机械天线的变化较大；当机械天线下倾15°后，其天线方向图较机械天线

的明显不同，这时天线方向图形状改变不大，主瓣方向覆盖距离明显缩短，整个天线方向图都在本基站扇区内，增加下倾角度，可以使扇区覆盖面积缩小，但不产生干扰，这样的方向图是我们需要的，因此采用电调天线能够降低呼损，减小干扰。

另外，电调天线允许系统在不停机的情况下对垂直方向性图下倾角进行调整，实时监测调整的效果，调整倾角的步进精度也较高（为0.1°），因此可以对网络实现精细调整；电调天线的三阶互调指标为-150dBc，较机械天线相差30dBc，有利于消除邻频干扰和杂散干扰。

2.5 双极化天线

双极化天线是一种新型天线技术，组合了+45°和-45°两副极化方向相互正交的天线并同时工作在收发双工模式下，因此其最突出的优点是节省单个定向基站的天线数量；一般GSM数字移动通信网的定向基站（三扇区）要使用9根天线，每个扇形使用3根天线（空间分集，一发两收），如果使用双极化天线，每个扇形只需要1根天线；同时由于在双极化天线中，±45°的极化正交性可以保证+45°和-45°两副天线之间的隔离度满足互调对天线间隔离度的要求（≥30dB），因此双极化天线之间的空间间隔仅需20-30cm；另外，双极化天线具有电调天线的优点，在移动通信网中使用双极化天线同电调天线一样，可以降低呼损，减小干扰，提高全网的服务质量。如果使用双极化天线，由于双极化天线对架设安装要求不高，不需要征地建塔，只需要架一根直径20cm的铁柱，将双极化天线按相应覆盖方向固定在铁柱上即可，从而节省基建投资，同时使基站布局更加合理，基站站址的选定更加容易。

对于天线的选择，我们应根据自己移动网的覆盖，话务量，干扰和网络服务质量等实际情况，选择适合本地区移动网络需要的移动天线：

--- 在基站密集的高话务地区，应该尽量采用双极化天线和电调天线；

--- 在边、郊等话务量不高，基站不密集地区和只要求覆盖的地区，可以使用传统的机械天线。

我国目前的移动通信网在高话务密度区的呼损较高，干扰较大，其中一个重要原因是机械天线下倾角度过大，天线下倾角度过大，天线方向图严重变形。要解决高话务区的容量不足，必须缩短站距，加大天线下倾角度，但是使用机械天线，下倾角度大于5°时，天线方向图就开始变形，超过10°时，天线方向图严重变形，因此采用机械天线，很难解决用户高密度区呼损高、干扰大的问题。因此建议在高话务密度区采用电调天线或双极化天线替换机械天线，替换下来的机械天线可以安装在农村，郊区等话务密度低的地区。

无源天线：它纯粹是一个金属体，是平常看到很普通的各种天线。??有源天线：是在这普通的天线后加放大器，提高灵敏度，降低信噪比。??收音机一般不适合有源天线，否则因灵敏度过高易混台，还容易引起正回授发生啸叫。电视用有源天线时，适合单频道远程接收，天线需用七单元折合振子天线，加三级放大，实验证明，在武汉六楼可收到湖北孝感电视台、云梦台、蔡甸台等。??

有源天线 - 有源天线

有源天线 - 正文

只含金属和介质的一般天线中如果还含有晶体三极管、隧道二极管、变容二极管等有源器件，就成为有源天线。它能改善电小天线的性能。有源天线中的有源器件可以直接装入天线（图1），也可以使天线和放大器连接而组成一个天线系统（图2）。普通天线配以有源器件,可以改善电小天线的阻抗，展宽频带,改善系统的噪声特性等，所以有源天线有助于实现天线小型化。

有源天线

有源天线

有源天线中的有源器件可以工作在线性和非线性两种情况，互易原理适用于前者，而不适用于后者。 图1为一有源天线，输入阻抗为

式中R1、C1、L1分别为天线的电阻、电容和电感；S＝Ic/Vbe为晶体管的互导；β＝Ic/Ib为电流放大倍数。通常β?1，所以有源天线的输入电阻为

Ri＝R1+1/S天线的谐振频率为

式中

为无源天线的谐振频率。因此,有源天线与同形等高的无源天线相比，谐振频率降低，

输入电阻提高，因而天线的带宽变宽。

图2为配有放大器的小环有源天线,如果放大器的输入阻抗远小于天线的阻抗，则天线可得到与频率无关的输出电流。若设计正确，带宽能达几个倍频程。

图3为一个有源接收系统。TA1为无源天线在1-1′端的等效噪声温度,TE为接收机的噪声温度。在无源天线和接收机之间接入由晶体管和其他网络（如匹配网络）构成的中间网络。若中间网络的增益为

GN，1-1′端上等效噪声温度为TN1，则整个接收机系统在1-1′端上表示的总噪声温度为

TS1=TA1+TN1+TE/GN

可见，中间网络使系统增加了一个噪声项(TN1),设计时应尽可能减小TN而增大GN，以使有源噪声温度与无源噪声温度(TA1+TE)相比得到改善。

有源天线

传输线的几个基本概念

连接天线和发射机输出端（或接收机输入端）的电缆称为传输线或馈线。传输线的主要任务是有效地传输信号能量，因此，它应能将发射机发出的信号功率以最小的损耗传送到发射天线的输入端，或将天线接收到的信号以最小的损耗传送到接收机输入端，同时它本身不应拾取或产生杂散干扰信号，这样，就

要求传输线必须屏蔽。

顺便指出，当传输线的物理长度等于或大于所传送信号的波长时，传输线又叫做长线。

3.1传输线的种类

超短波段的传输线一般有两种：平行双线传输线和同轴电缆传输线；微波波段的传输线有同轴电缆传输线、波导和微带。平行双线传输线由两根平行的导线组成它是对称式或平衡式的传输线，这种馈线损耗大，不能用于UHF频段。同轴电缆传输线的两根导线分别为芯线和屏蔽铜网，因铜网接地，两根导体对地不对称，因此叫做不对称式或不平衡式传输线。同轴电缆工作频率范围宽，损耗小，对静电耦合

有一定的屏蔽作用，但对磁场的干扰却无能力

使用时切忌与有强电流的线路并行走向，也不能靠近低频信号线路。

3.2传输线的特性阻抗

无限长传输线上各处的电压与电流的比值定义为传输线的特性阻抗，用Ｚ0表示。同轴电缆的特性阻抗的计算公式为

Ｚ。＝〔60/√εr〕×Log(D/d)[欧]。

式中，D为同轴电缆外导体铜网内径；d为同轴电缆芯线外径；εr为导体间绝缘介质的相对介电常数。通常Ｚ0=50欧，也有Ｚ0=75欧的。由上式不难看出，馈线特性阻抗只与导体直径D和d以及导体间介质的介电常数εr有关，而与馈线长短、工作频率以及馈线终端所接负载阻抗无关。

3.3馈线的衰减系数

信号在馈线里传输，除有导体的电阻性损耗外，还有绝缘材料的介质损耗。这两种损耗随馈线长度的增加和工作频率的提高而增加。因此，应合理布局尽量缩短馈线长度。单位长度产生的损耗的大小用衰减

系数β表示，其单位为dB/m（分贝／米），电缆技术说明书上的单位大都用dB/100m（分贝／百米）.设输入到馈线的功率为Ｐ1，从长度为L（m）的馈线输出的功率为Ｐ2，传输损耗TL可表示为： TL＝10×Lg(Ｐ1/Ｐ2)(dB) 衰减系数为β＝TL/L(dB/m)

例如，NOKIA7/8英寸低耗电缆，900MHz时衰减系数为β＝4.1dB/100m，也可写成β＝3dB/73m，也就是说，频率为900MHz的信号功率，每经过73m长的这种电缆时，功率要少一半。

而普通的非低耗电缆，例如，SYV-9-50-1，900MHz时衰减系数为β＝20.1dB/100m，也可写成β＝3dB/15m，也就是说，频率为900MHz的信号功率，每经过15m长的这种电缆时，功率就要少一半！

3.4匹配概念

什么叫匹配？简单地说，馈线终端所接负载阻抗ＺL等于馈线特性阻抗Ｚ0时，称为馈线终端是匹配连接的。匹配时，馈线上只存在传向终端负载的入射波，而没有由终端负载产生的反射波，因此，当天线作为终端负载时，匹配能保证天线取得全部信号功率。如下图所示，当天线阻抗为50欧时，与50欧的电缆是匹配的，而当天线阻抗为80欧时，与50欧的电缆是不匹配的。

如果天线振子直径较粗，天线输入阻抗随频率的变化较小，容易和馈线保持匹配，这时天线的工作频率范围就较宽。反之，则较窄。在实际工作中，天线的输入阻抗还会受到周围物体的影响。为了使馈线与天线良好匹配，在架设天线时还需要通过测量，适当地调整天线的局部结构，或加装匹配装置。

3.5反射损耗

前面已指出，当馈线和天线匹配时，馈线上没有反射波，只有入射波，即馈线上传输的只是向天线方向行进的波。这时，馈线上各处的电压幅度与电流幅度都相等，馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗。而当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时，负载就只能吸收馈线上传输的部分高频能量，而不能全部吸收，未被吸收的那部分能量将反射回去形成反射波。

3.6电压驻波比

在不匹配的情况下,馈线上同时存在入射波和反射波。在入射波和反射波相位相同的地方，电压振幅相加为最大电压振幅Ｖmax，形成波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方电压振幅相减为最小电压振幅Ｖmin，形成波节。其它各点的振幅值则介于波腹与波节之间。这种合成波称为行驻波。 反射波电压和入射波电压幅度之比叫作反射系数，记为R 反射波幅度（ＺL－Ｚ0）

R＝─────＝─────── 入射波幅度（ＺL＋Ｚ0）

波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数，也叫电压驻波比，记为VSWR 波腹电压幅度Ｖmax（1+R）

VSWR＝──────────────＝──── 波节电压辐度Ｖmin（1-R）

终端负载阻抗ＺL和特性阻抗Ｚ0越接近，反射系数R越小，驻波比VSWR越接近于１，匹配也就越好。 3.7平衡装置

信号源或负载或传输线，根据它们对地的关系，都可以分成平衡和不平衡两类。

若信号源两端与地之间的电压大小相等、极性相反，就称为平衡信号源，否则称为不平衡信号源；若负载两端与地之间的电压大小相等、极性相反，就称为平衡负载，否则称为不平衡负载；若传输线两导体与地之间阻抗相同，则称为平衡传输线，否则为不平衡传输线。

在不平衡信号源与不平衡负载之间应当用同轴电缆连接，在平衡信号源与平衡负载之间应当用平行双线传输线连接，这样才能有效地传输信号功率，否则它们的平衡性或不平衡性将遭到破坏而不能正常工作。如果要用不平衡传输线与平衡负载相连接，通常的办法是在粮者之间加装“平衡－不平衡”的转换装置，一般称为平衡变换器。 3.7.1二分之一波长平衡变换器 又称“Ｕ”形管平衡变换器，它用于不平衡馈线同轴电缆与平衡负载半波对称振子之间的连接。“Ｕ”形管平衡变换器还有1:4的阻抗变换作用。移动通信系统采用的同轴电缆特性阻抗通常为50欧，所以在YAGI天线中，采用了折合半波振子，使其阻抗调整到200欧左右，实现最终与主馈线50欧同轴电缆的阻抗匹配。

3.7.2四分之一波长平衡-不平衡器

利用四分之一波长短路传输线终端为高频开路的性质实现天线平衡输入端口与同轴馈线不平衡输出端口之间的平衡-不平衡变换。

不同形状单贴片单层微带贴片天线的扩展带宽技术

阿朴杜拉A. S . , 穆罕默德 Y. E. , 刘元安 (北京邮电大学 电信工程学院, 北京 100876)

摘要: 采用多种带宽改进技术, 应用于不同形状的单层片状天线, 主要包括: 短路销钉, 双宽缝(E形)等Λ同时, 采用基于MOM 的软件包分析了天线性能, 证明方形天线可以工作在3 个频率点, 即1183 GHz、 2116 GHz 和 2174 GHz, 其最大的增益达到 914 dB; E 形天线工作在 2113 GHz 和 215GHz, 当中心频率为 214 GHz 时, 带宽达到33.133% (反射损耗≤- 10 dB) , 其最大增益为9125 dB。

关键词: 微带天线; 带宽改进; 广带天线

微带贴片天线具有重量轻，适应性强，较低的制作成本等许多有用的特性，事实上，这种天线制造工艺确实也非常简单。但是，对于这种天线，一个非常明显的发展瓶颈就是频带特性比较窄。一个典型微带贴片天线的阻抗带宽比使用薄片介质且符合标准（）的天线低1%以上的比例。与此相反的是，这种贴片天线却比普遍用作天线元件的偶极子、狭缝、波导管天线的阻抗带宽要高15%到25%。可以从参考文献（1）得出结论，介质厚度（h）的增加和介电常数（）的减小都能用来增加微带贴片天线的阻抗带宽。然而，这种方法并不能普遍适用贴片天线，仅仅当h/r<0.02时有效。这种用厚介质而高介电常数的介质制成的天线还有许多缺陷，其中包括由于表面波的产生而导致差的发射效率、由于贴片的步进宽度和其它的不连续性而发生虚假的辐射、因为厚度产生的高阶模式。

随着无线通信技术的快速发展，单贴片单介质层宽带天线已经广泛引起了众多研究者的注意。为了提高天线带宽或者在微带贴片天线引入多个频带带宽，不用的技术在这篇论文中讨论并应用。本文的分析基于检验函数的矩量法，利用电磁仿真软件来进行设计仿真。在第一部分中，一个单层介质单层贴片的微带天线将会被讨论和设计。这种天线频带宽的特点主要是由在单贴片上产生3个谐振模式并使其充分的接近而产生的。在第二部分中，为了达到增加天线带宽的目的，一个单介质层单贴片并开有一对

狭缝的微带天线将会被介绍、设计和分析。

1. 带有一对缝隙的单贴片探针型天线

最近的研究显示，在探针极子微带天线的矩形贴片中嵌入一个u形槽，天线的阻抗带宽可以很容易地增加20%。在这篇论文中一个采用双缝隙的新型宽带矩形贴片天线将会被介绍。两个宽缝被插入在矩形贴片一个辐射边沿，如图6所。空气介质的厚度（h）将贴片和地平面隔离开来。这两个缝隙具有相同的长度（l）和宽带（w1）。两个缝隙分别以贴片中心线（Y轴）对称分布，缝隙之间的距离是(w2)。探针极子放置在距离贴片底部边沿为（d）处。图7展示了整个天线的等效电路结构。在贴片的中间部分，电流能够正常流动，所以可以被一个LC 电路替代，当然resonated at the initial frequency.然而，在贴片的边沿部分，电流必须环绕着缝隙流动，因而电流流动路径的长度增加。这种影响可以通过用一串电阻来建模实现，所以边沿部分的等效电路能谐振在一个低频率点上。因此，天线结构用双峰谐振电路来代替单独的LC电路结构。这两种谐振电路相互组合并形成宽带。

为了在宽带的条件下完成阻抗匹配，缝隙的长度（l）应该为0.8L,缝隙的宽度应为0.06W。介质板厚度大约是中心频率为2.4GHz波长的11%。天线的设计参数如下：L=50mm,W=105mm,,h=14mm,l=40mm,W1=6.3mm,W2=15.3mm,dp=10mm.图8显示了在频率轴下的回波损耗计算，可以看出两个相近的谐振模式频率激发在f1=2.13GHz，f2=2.5GHz处。整个天线的阻抗带宽（回波损耗在10dB）为800MHz，相对于中心频率2.4GHz大约占33.33%。在阻抗品带宽的频率下，天线增益图在图9中列出，在增益浮动小于0.34dB的条件下，峰值最大增益为9.25dB。图10画出了在两个谐振点上的E-平面图和H-平面图。

3 Conclusion

In this paper, two different techniques for the design of single- patch single-layer microstrip antennas are presented, the probe- fed single-patch w ith three short ing pins, and the probe-fed single-patch w ith a pair of wide slits . These two configurations can be applied in many wireless communication systems . The first configuration is designed for triple-f requency operation at 1183 GHz, 2116 GHz and 2174 GHz . The second configuration has dual-frequency operation at 2113 GHz and 215 GHz w ith a to tal bandw idth of 33133% cen tered

around 214 GHz .

2. 结论

在本文中，提出了两种不同技术设计的单贴片单层微带天线：带有三个贴角的单贴片探针极子天线，带有一对宽缝隙的单贴片极子天线。这两种结构能够在众多无线通信中应用。第一种结构可以设计出三个频率点1.83GHz,2.16 GHz,1.74 GHz。第一种结构可以设计出两个点2.13GHz,2.5GHz，相对于中心频率2.4 GHz总带宽的33.333%。

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