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1、微带天线的小型化 技术研究,内容,引言 微带天线的小型化技术 1.采用高介电常数的材料 2.短路加载 3.开槽开缝 4.有源捷变 结论,引言,微波集成技术和空间技术迫切需求低剖面天线 微带天线得到日益广泛的关注和应用 体积小、重量轻、低剖面、能与载体共形 易于制造,成本低,易于集成 便于实现圆极化、双极化和双频段,通信系统的发展方向 小型化 多功能 高性能 传统手机天线目前存在着缺点 集成度低 增益不高 人体特定吸收比(SAR)偏高,解决以上问题的有效方法内置微带天线 低SAR 较高平均有效增益 手机外形设计多样化 未来手机天线技术的发展方向之一,微带天线的结构及特点 微带天线是由一块厚度远小
2、于波长的介质板（称为介质基片）和（用印刷电路或微波集成技术）覆盖在它的两面上的金属片构成的, 其中完全覆盖介质板一片称为接地板, 而尺寸可以和波长相比拟的另一片称为辐射元。,微带天线的结构,微带天线最常用的两种馈电方式 一种是侧面馈电, 也就是馈电网络与辐射元刻制在同一表面, 另一种是底馈, 就是以同轴线的外导体直接与接地板相接, 内导体穿过接地板和介质基片与辐射元相接。,微带天线的辐射原理(传输线法) 辐射元的长为L, 宽为W, 介质基片的厚度为h 辐射元、介质基片和接地板视为一段长为L的微带传输线 传输线的两端断开形成开路,矩形微带天线开路端电场结构,场分布侧视图,微带天线的小型化技术,1
3、.采用高介电常数的材料,微带天线的谐振频率近似与成反比 天线谐振频率固定时，尺寸与 成反比 介电常数增大，天线的尺寸将减小,设计实例,两种不同介电常数的GPS微带天线,GPS微带天线,微带天线的增益和带宽随介电常数增大而减小 天线（b）通过使用较厚的基片来弥补提高介电常数而导致的带宽的下降,两种介电常数的GPS微带天线，工作在同一频率1.575GHz,天线（a）的介电常数为 ，基片厚度,天线（b）的介电常数为 ，基片厚度,2.短路加载,2.1 PIFA与PILA,矩形微带天线的场分布,矩形微带贴片天线一般工作在 模,贴片下电场分布如图所示 沿 轴将天线短路，不会改变天线的场分布 与常规天线相比
4、，尺寸减小了50 同轴探针馈电和微带线馈电的天线叫平面倒F型天线（PIFA） 和平面倒L型天线(PILA) 短路面局部短路，可使贴片的面积进一步减少,局部短路PILA天线,研究实例,1. PILA天线,与常规矩形贴片相比，天线的带宽略有下降 满足移动通信的要求，要提高天线的带宽,2. PIFA天线,双L型PIFA天线,一个L型贴片单元由同轴探针直接驱动 另外一个L型贴片位于驱动单元的附近 两个贴片的谐振频率略有不同 通过两个贴片单元之间的耦合，使天线的带宽提高了一倍,PIFA与PILA以及他们的变形在移动通信终端中被大量使用,两种变形的PIFA双频天线,3.变形的PIFA双频天线,图a中，在贴
5、片的周围对称分布宽度为2mm的缝隙 内部贴片在高频率端谐振，其余部分在低频段谐振 同轴探针直接和内部贴片相连，激励起两个频率 接地板向上弯曲90度 充分利用天线的高度 减小接地的面积减小天线尺寸 改善天线的全向辐射特性 降低天线邻近人体效应,天线在GSM和DCS频段的带宽分别是200MHz和180MHz 进一步去掉电流密度较小的部分贴片不会影响天线的性能 进一步减小天线的体积 图b是去掉一部分贴片后的天线结构，天线的带宽分别是180MHz和220MHz。,2.2短路探针,PIFA和PILA的接地面进一步减小，可以用短路探 针来代替 在80年代初期，短路探针就被用来调谐天线谐 频率 采用同轴探针
6、馈电时，若附加短路探针并靠近 馈电探针时可以在很大程度上减小贴片尺寸,工作原理 同轴馈电探针之间形成强耦合，等效于一个并联电容 在谐振频率附近，微带天线可等效成并联谐振电路 因此利用短路探针可以使天线在低于谐振频率处达到阻抗匹配,研究实例,短路探针加载小型化微带天线,各种贴片形状的短路加载小型化微带天线,圆形贴片面积减小约90，带宽降低0.6% 采用三角形贴片单元，短路探针加载后面积小于常规天线的5 三角形贴片的0场位于 轴距底边 处，与矩形和圆形贴片相比，有很大的调整范围,短路探针的位置愈靠近贴片的周围 天线的面积减小的越厉害 馈电的位置愈靠近短路点 带来制造工艺上的困难 对输入阻抗的特性影
7、响非常敏感 天线的阻抗带宽非常窄 在许多场合并不适用,解决办法采用多个短路探针 短路点和馈电点的距离明显增大 如果采用空气介质，带宽可达到10,短路探针的存在，H面的交叉极化电平明显提高 解决方法平衡馈电,用两个关于原点对称的短路探针 馈电处的相位相差180度 交叉极化电平降低了20dB 交叉电平的提高以增加天线的面积为代价 是常规短路加载圆形贴片面积的2.7倍,平衡馈电小型化圆形微带天线,2.3电阻加载,电阻加载小型化微带天线,增大阻抗带宽的一种途径是将短路探针替换成电阻加载,加载一个1欧姆的电阻 矩形天线的谐振频率从1900MHz降低为710MHz 10dB阻抗带宽是9.3%,大约为常规矩
8、形贴片的4.9倍，短路加载天线的6.6倍 在明显增加带宽的同时，又增大了欧姆损耗，因此降低了天线效率,研究实例,1.矩形电阻加载小型化天线,2.三角形电阻加载小型化天线,嵌入式微带线馈电的方式 随着电阻值的增大，谐振频率降低，带宽增大 电阻值等于3.9的情况下，与常规三角形天线相比 尺寸大小降低为7.9% 而天线的带宽达到19，是常规三角形天线的10倍。,3.开槽开缝,微带天线谐振频率与贴片的等效谐振长度成反比 增大贴片的等效长度可以降低天线谐振频率 在贴片和接地板上开槽和开缝增大天线有效谐振长度 进行开槽或开缝是一种比较有效的方法,开缝前后矩形微带天线贴片电流的分布,开缝后电流的流向发生改变
9、 延长了电流经过的路径 等效延长了天线的谐振长度，降低了天线的频率 当缝隙远离辐射边时，这种现象更加明显,研究实例,1.小型化的口径耦合微带天线 利用贴片天线的两个正交模，使天线实现双频工作 在中心开“十”字缝隙，使天线的两个频率降低 天线的尺寸减小了40 通过倾斜的正交缝，同时激励起这两个模,口径耦合双频双极化微带天线,2.小型化的圆极化天线 沿方形天线的四边有四个窄槽 水平方向的槽只对垂直方向的电流起作用 垂直方向的槽只对水平方向的电流起作用 水平方向和垂直方向的槽的长度不同 馈电位置位于两个对角线上，从而使微带天线的兼并模分离，产生圆极化 这种形式的天线比常规圆极化天线面积减小了36，并
10、且圆极化带宽有一定程度提高,小型圆极化天线,3.小型化蝶型天线,相当于在矩形的两个非辐射边开两个三角形的槽 面积比矩形贴片面积减小60以上,小型化蝶型天线,4.接地板开缝小型化微带天线,接地板平行于贴片辐射边有两个对称的缝 接地板上电流发生弯曲，进而影响贴片上的电流分布 谐振频率降低为矩形贴片的76 展宽天线的频带，带宽达到3.1%(矩形贴片2.7),接地板开缝小型化天线,开缝和开槽通过电流弯曲增加天线的等效长度 电流的弯曲会使交叉极化电平增加 一种能有效增加天线的有效长度而不增加交叉极化的方法就是采用折合贴片,小型化折合微带天线,5.小型化折合微带天线 贴片单元不再位于一个平面上 向上或者向
11、下弯曲成一定的形状 不会出现纵向的电流 交叉极化电平降低到20dB以下 天线在水平面的投影面积降低了37%。,4.有源捷变,口径耦合频率捷变天线,加载电阻，电感和电容，或者开缝、开槽，都能使天线的谐振频率降低 通过有源的方式，使这些参数连续发生变化，就能使频率捷变,研究实例,1.口径耦合频率捷变天线,口径耦合频率捷变天线,两个用变容二极管代替固定电容 电容值随偏压的变化而变化，引起电容的连续变化 这种天线的频率可在1GHz的范围内变化,2.CPW馈电有源捷变天线,CPW馈电的天线的谐振频率随开路缝的长度而变化 连续改变缝隙的长度就能连续改变天线的频率 在开路缝里嵌入两个PIN二极管 随着所加偏压的不同，PIN管的阻抗不同 缝隙的等效长度发生变化，进而引起天线的频率变化,CPW馈电有源捷变天线,小型化天线的设计有很强的灵活性和很大的发展空间 每一种方法都有其优点和局限性，都有其适应的范围 市场的需要不断推动技术向前发展 实际应用中的小型化天线往往综合前面讲过的几种技术,结论,谢 谢！,