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  • 2021-08-13 14:30:25

    无线射频模块可实现的通信范围不仅仅取决于输出功率和接收器灵敏度,还取决于天线解决方案。了解不同的天线特性,以便为特定应用选择最合适的天线是非常重要的学问。
    在短距离无线通信等低功率无线应用中,天线选择的关键要素是尺寸要求、辐射性能、设计的简易性、生产便利性和设备成本。

    基本概念:
    天线(Antennas):
    天线是设计用于发射或捕获电磁波的电导线(electrical conductor)排列。 天线发射的信号可以被另一个天线检测到,这个过程称为无线电传播。 根据无线电的工作频率将天线制成一定的尺寸。

    波长(Wavelength):
    波长是指无线电波在一个振动周期内传播的距离。也就是沿着波的传播方向,相邻两个振动位相差2π的点之间的距离。波长是计算天线长度最重要的指标。
    波长的计算:
    λ = c/f           c是光速,f是无线电频率
    在这里插入图片描述
    天线增益(Antenna gain):
    给定方向上的天线增益是指在该方向上辐射的能量与全向天线(isotropic antenna)以相同输入功率驱动时在同一方向上辐射的能量之比。全向天线(isotropic antenna)是一种理想的参考天线,它在所有方向上均等地辐射能量。 由于天线不能产生能量,实际天线辐射的总功率与全向天线(isotropic antenna)相同,但在某些方向上它比全向天线(isotropic antenna)辐射更多的能量,因此在其他方向上它必须辐射更少的能量。
    天线增益可以表示为:
    G = D* η* m            D是天线方向性,η是天线效率,m是失配损耗,是失配导致反射从而引起的损耗

    天线增益通常以最大辐射方向上计算,并以dBi(与全向天线相比)或dBd(与偶极子天线相比)表示。 偶极子天线(dipole antenna)也可用作参考天线。与全向天线(isotropic antenna)相比,它的增益为 2.14dBi。

    天线方向性(directivity):
    天线方向性指的是天线在不同平面的辐射电磁波场强,主要表现方法为天线的方向图。与方向性密切相关的是天线的增益。 方向性是衡量天线在给定方向上集中发射功率的能力。在固定的点对点无线电链路中,天线方向性可用于集中所需方向的辐射波。 但是在发射器和接收器位置不固定的系统中,各向同性辐射是首选。

    天线效率(Efficiency):
    小型天线术语中最重要的概念,天线效率是指天线在所有方向辐射出去的功率之和与输入到天线的有功功率之比。它是一个小于1的数值。

    天线带宽(BandWidth):
    天线带宽(BandWidth):表示其辐射特定频率范围的能力。小型天线的带宽与其品质因数(Quality factor)和选择性密切相关。 窄带宽意味着高品质因数(Quality factor)和良好的选择性。

    辐射方向图(radiation pattern):
    也叫天线方向图或远场方向图(far-field pattern),是天线辐射特性(现场强度、极化)以空间坐标函数的图形表示。 辐射方向图是在远场区域确定的。
    在这里插入图片描述
    天线极化(Polarization):
    天线极化是描述天线辐射电磁波矢量空间指向的参数。由于电场与磁场有恒定的关系(电磁波都具有电场分量E和磁场分量H,它们彼此垂直且与传播方向垂直),故一般都以电场矢量的空间指向作为天线辐射电磁波的极化方向。
    如果电场矢量E场垂直定向,则称该波为“垂直极化”。 有时 电场矢量E 场随时间旋转,然后称该波为“圆极化”。两个天线,其方向使得天线波瓣(antenna lobe)最大值彼此面对,是最佳对齐方式。 系统设计者应该尽可能地改善方向特性。

    品质因数(Q-factoror Quality factor)
    品质因数的概念将天线描述为谐振器。 高品质因数意味着尖锐的共振和窄的带宽。
    天线的品质因数可以用下面的公式表示:
    Q = 天线电抗(antenna reactance) /天线阻抗(antenna resistance)
    Q值的概念在考虑天线时非常有用。 由于小天线具有低辐射阻抗和高辐射电抗,所以小天线的Q值很高。 天线越小,Q值越高。 因此,小天线的带宽会很小,更难匹配,更容易受到周围物体的干扰。

    天线类型:
    偶极子天线(dipole antenna):
    在这里插入图片描述
    是在无线电通信中,使用最早、结构最简单、应用最广泛的一类天线。它由一对对称放置的导体构成,导体相互靠近的两端分别与馈电线相连。用作发射天线时,电信号从天线中心馈入导体;用作接收天线时,也在天线中心从导体中获取接收信号。常见的偶极子天线由两根共轴的直导线构成,这种天线在远处产生的辐射场是轴对称的,并且在理论上能够严格求解。偶极子天线是共振天线,理论分析表明,细长偶极子天线内的电流分布具有驻波的形式,驻波的波长正好是天线产生或接收的电磁波的波长。因而制作偶极子天线时,会通过工作波长来确定天线的长度。最常见的偶极子天线是半波天线,它的总长度近似为工作波长的一半。

    偶极子天线的增益为2.14dBi。 天线极化的电磁场对应于元件的方向。 它可以是水平或垂直极化

    偶极子天线的典型辐射方向图
    在这里插入图片描述
    在产品设计中我们通常不使用偶极子天线,因为它是 1/4 波长的单极天线的两倍大。 偶极子天线的性能非常好,如果有足够的空间,它很容易在应用中实现。 偶极子天线是一种廉价的解决方案,因为其成本仅限于匹配网络和巴伦。

    全向天线(isotropic antenna):
    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,理想的全向天线辐射方向图为球形。以其为基准,定义了一种天线增益的单位dBi。理想的全向天线的增益为0dBi。
    全向天线的典型辐射方向图:
    在这里插入图片描述

    单极天线(monopole antenna):
    在这里插入图片描述
    单极天线也叫鞭状天线(whip antenna),本质上说单极天线就是在地平面上延伸出来的一个1/4波长的导线。单极天线需要地平面才能正常工作,地平面可以是实际地面,也可以是诸如搭载工具车体等人造接地面上。单极天线的远端应该远离地平面。
    单极天线在谐振频率下的阻抗为 37 欧姆。 所以它很容易匹配到50欧姆。
    单极天线的典型辐射方向图:
    在这里插入图片描述
    单极天线很容易设计,单极天线的谐振频率可以通过天线长度的微小变化来调整。 相对于偶极子天线,单极天线的极化可以是水平的也可以是垂直的。 它的辐射模式类似于偶极子天线。因为单极天线的功率仅在地平面上半平面辐射,理论上它的增益比偶极子天线高3dB左右。
    当物理尺寸可接受且存在接地平面时,单极天线是最佳解决方案。 较小的接地平面会影响单极天线的性能,并使天线的辐射方向图向上倾斜。
    用一根电导线就可以实现单极天线,也可以将外部导线用PCB上的布线代替,根据介电常数和电路板厚度,PCB天线的长度比计算的1/4波长短10%至20%。 应避免在天线走线上形成 90º 直角。正常尺寸的单极天线的增益通常为4dbi。

    单极天线的优点是价格便宜,性能好。如果模块尺寸很小,一个简单替代方法是将单极天线剪短并在单极天线底部附近添加一个电感器以补偿高容抗。 这种天线的性能几乎与全尺寸单极天线相当。

    螺旋天线(helical antenna):
    螺旋天线一种具有螺旋形状的天线。它由导电性能良好的金属螺旋线组成。它们可以被设计为以正常模式运行的小螺旋,或以轴向模式运行的大螺旋。如果螺旋天线的直径和长度都远小于一个波长,则螺旋天线很小,这通常是短距离无线通信产品应用的情况。
    螺旋天线的阻抗取决于许多参数:线圈直径、线圈的环间距、线圈长度(或匝数)和频率。任何这些参数、附近物体或人体的变化都会使天线“失谐”,使其远离共振。螺旋天线比单极天线更难以优化。
    螺旋天线的天线效率高于具有相同尺寸的非螺旋天线。但是,其增益通常比全尺寸单极天线的增益低5dB。此外,如果出于尺寸目的,将螺旋线放置在地平面附近,会使其增益更低。
    螺旋天线是圆极化的,即辐射的电磁波包含垂直和水平分量。这与偶极子天线不同,偶极子天线仅垂直于其轴辐射。
    从尺寸的角度来看,螺旋天线非常有吸引力,因为它的长度可以比全尺寸的单极天线短得多。如果线圈缠绕得足够紧,它可能会短于波长的十分之一。
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    贴片天线(chip antenna):
    一般是指陶瓷材料用HTCC或者LTCC等工艺烧结而成的。由于类似芯片,因此称之chip antenna。
    贴片天线是表面贴装设备,一般设计用于300MHz 至 2.5GHz 的频率,是可用的最小天线。贴片天线设备的带宽非常窄,必须在精确的频率下制造。 它们依赖于地平面,很容易因手部效应而失谐。 芯片天线通常在制造工厂现场调谐。
    贴片天线具有良好的增益,但仍低于单极天线。 极化平行于芯片的长轴,因此最大辐射垂直于长轴。贴片天线可能是最昂贵的天线解决方案。
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    环形天线:
    环形天线是将一根金属导线绕成一定形状,如圆形、方形、三角形等,以导体两端作为输出端的天线。绕制多圈(如螺旋状或重叠绕制)的称为多圈环天线。

    短距离无线设备中常用的天线设计实例:
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    天线总结:
    单极天线是物理上最大的天线,适用于需要最佳范围的应用。 单极天线覆盖范围很广,也是最容易设计和应用的天线。 如果天线尺寸是关键的考量参数,螺旋天线和环形天线是一个很好的折衷方案, 它们的所有组件通常可以完全封闭并做得非常紧凑。 它们比单极天线更难设置和优化,因为天线的特性受到附近物体的强烈影响。 环形天线的天线辐射范围最差。
    常用天线的参数对比图
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    天线匹配(antenna matching):
    一些类型的天线可不用任何外部器件固有地匹配到设计地阻抗(典型的单端50欧姆)。然而板子大小,塑料壳子,金属屏蔽罩和天线附近的器件会引起天线的失调。
    找出最合适的天线设计是有机会的,但有效的天线开发需要使用天线测试设备,例如网络分析仪、校准测试天线、半波测试暗室(SAR)等。除非您可以熟练使用此类设备,否则推荐使用标准天线设计。
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    短距离无线通信模块将天线放置在应用电路板上,应用电路板需要将外部天线匹配到50欧姆(SAW 滤波器阻抗)。
    如果天线不是 50 欧姆,则必须在无线通信模块和天线之间实施匹配网络。典型的匹配网络有π型和T型匹配。
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    天线设计实例:
    有耗损的PCB触点和陶瓷罩子导致极差的天线效率
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    良好的天线效率
    统一的天线辐射方向图
    隐藏在统一的2mmABS罩中
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  • 天线多频设计方法精讲

    千次阅读 多人点赞 2018-10-08 00:09:25
    很多朋友问我天线多频如何实现,确实对于初学天线设计的朋友来讲,多频天线是一个很大的难点,但却又是不得不去克服和掌握的重点,今天我就在博客详细的给大家分析讲解天线实现多频的计划总主要方法。 一、谐振分枝...

    很多朋友问我天线多频如何实现,确实对于初学天线设计的朋友来讲,多频天线是一个很大的难点,但却又是不得不去克服和掌握的重点,今天我就在博客详细的给大家分析讲解天线实现多频的计划总主要方法。

    一、谐振分枝法

     

    分枝法是应用最多、也是最容易理解的一种多频实现方法,在传统的GSM/DCS/PCS和双频WIFI天线的设计中应用非常广。其最简单的理解方法就是天线的一个分枝对应一个工作频段,且各个分枝之间是相互独立的,这种方法在进行分频调谐时优势非常明显,由于分枝的相对独立性,因此在调节一个频段时不会对其他的频段产生较大的影响,现在我们可以简单的看几组实物照片,如下:

     

    1 采用分枝法的双频WIFi天线

    图2 采用分枝法GSM/DCS天线

     

    从图1和图2来看,两种多频天线使用的都是分枝法,对于图1,其为偶极子多频天线,较短的分枝对应5G的wifi频段,而较长的分枝则对应2.45GHz的WIFI频段。图2中的2G手机天线为单极子结构形式,通过适当的馈电位置可以调整其长分枝和短分枝的有效长度,从而调整高频和低频的工作频段。

    现在我使用HFSS软件设计一个简单的双频WIFI天线,来研究各分枝对天线共组频段的影响。模型和各参数变量定义如图3和图4,该偶极子天线程360度旋转对称,所以设计尺寸只需要考虑一边就可以,另一个臂只需要进行简单的旋转复制就可以。

    图3 模型变量定义

     

    模型的初始尺寸计算(基于FR4介质的PCB天线):首先确定天线的工作频段,要求天线实现2.45GHz和5.5GHz两个频段,则各分支的长度介于相应频段0.25个介质波长~0.25个自由空间波长之间。使用长分枝实现2.45GHz的谐振,则长分枝的长度为15mm<L1+H<30mm,短分枝的长度6mm<L2<15mm,因此初始值可以定为L1=18mm,H=5mm,L2=7mm,其中L1+H实现2.45GHz的谐振,L2实现5.5GHz的谐振,模型建立如图4:


    图4 HFSS建立的三维模型

    经过HFSS软件仿真优化之后最终参数值确定如下:L1=18.5mm,H=3mm,L2=7mm,其S11参数求解如图5所示,从图中可以看出,天线在2.45GHz和5.5GHz频段上都具有非常好的阻抗和带宽特性,满足双频WIFI的工作要求。

     

    图5 S11仿真图

     

    现在来分析不同分支发生变化时对天线工作频段的影响.

    取L1=16.5mm,18.5mm和20.5mm,查看此时天线的工作频段变化情况,如图6所示:

    图6 L1对S11的影响

    从图中能看到,当L1逐渐变大时,天线在低频的工作频段逐渐减小,而高频的整体工作频段几乎没有收到影响,因此可以得到结论,L1对低频的工作频段具有决定性的影响,而对高频的影响几乎可以忽略不计。

    同样,保持L1不变,取L2=5mm,7mm和9mm,S11的仿真结果如图7所示:

    图7 L2对S11的影响

    从图可知,L2发生变化时,天线高频部分的谐振出现非常大波动,而低频部分几乎没有受到影响,因此可以得出结论,多分枝结构的多频天线分枝之间具有相对独立性。

    注意:多分枝结构通常用于两个频段时效果比较理想,当频段超过三个频段或者不同长度的分枝超过三个枝节时,分枝之间的互扰会变大,枝节引起天线各个频段的性能变差,因此多分枝结构在设计时建议不超过三个分枝。

    二、倍频设计

    倍频方法很多朋友都不了解,倍频最简单的解释方法就是一个分枝实现多个频段,其利用了谐波的原理,把要求的工作频段f看成基波,则根据电磁学的基本理论可以知道,该信号除了在基波f频段上产生谐振以外,还会引发二次谐波、三次谐波等。在単分支的天线设计中,可以通过一些结构方式,合理的利用谐波特性来实现単分支结构天线的多频谐振。

     

    对于一个标准结构的单极子或者偶极子天线(如图8),如果天线的基波谐振频率为f0,那么天线同时会在3f0,5f0,7f0……,(2n+1)f0产生谐振,也就是天线将在基波频率的奇数倍产生谐振,在偶数倍由于谐波的抵销效应而不会产生谐振,如图9所示。

    图8 标准结构的偶极子天线


    图9 天线倍频谐振

    图8中所示的天线为工作于900MHz的标准结构PCB偶极子天线,其一个臂长为75mm,介于基波的0.25个介质波长到0.25个自由空间波长之间。

    图9可以非常清晰的看到,天线在900MHz,2700MHz,4500MHz都产生了谐振,但S11的值越往后越差,因此可以得出结论谐波可以被用于天线多频的设计。

    当然,可能很多朋友会有这样一个疑问,単分支的多频都是出现在3倍基波的,而实际的天线设计中很少有多频天线的高频谐振点刚好出现在基波的奇数倍上,那么倍频原理还能够利用吗?

    答案当然是可以利用,我在上面所演示的例子中针对的是标准的偶极子天线,也就是没有做任何弯折等方式处理标准偶极子,对这样没有处理过的偶极子或者单极子其高频谐振均靠近奇数倍的基波频点,这是理论情况。但是当对结构进行弯折等处理以后,天线的高频谐振频点会慢慢变低,如上面演示的天线,如果对偶极子进行合理的弯折处理,可以将高频的谐振频点调整到1700MHz,2400MHz左右,而低频的基波频率不会发生变化,因此通过对结构的处理可以自由的调整天线的倍频频点,现在市面上常见的弹簧多频天线就是利用了这样的设计原理,通过调整弹簧的线圈半径、螺距等参数,可以获得理想的工作频段和带宽。

    三、寄生分枝的添加

    寄生分枝的主要原理是通过增加一段短路的耦合枝节来产生高频谐振或者拓展高频带宽的一种方式。寄生分枝直接加入以后,会和天线的原生分枝产生耦合效应,相当于在原生分枝和寄生分枝之间添加了一个电容,原生直接通过耦合方式给寄生分枝馈电,寄生分枝将产生和自身结构尺寸相对应的谐振频点,从而拓展了整个天线的工作带宽。

    如图10所示是一个通过添加寄生分枝来拓展高频带宽的例子,该天线是一个工作于GSM/DCS/PCS频段的手机PIFA天线,如下:

     

    图10 添加寄生分枝的2G手机天线


     

    图11 添加寄生分枝后S11

    图12中,天线原生分枝通过倍频产生M1和M2两个工作频点,增加接地的寄生分枝后,天线拓展出M3频点,由于M2和M3两个频点离的比较近,因此M2和M3叠加以后能够极大的拓展天线在高频部分的工作带宽。

    当然,寄生分枝的添加有多重多样的方式,可以向图10中那样添加到馈电端,也可以添加到天线的末端,直接通过耦合来产生新的工作频点(如图12),再或者可以通过耦合馈电的方式来拓展带宽(如图13)。

    图12 末端添加寄生分枝

    图13 耦合馈电

    看了上面的内容,也许有些朋友还会问,我在上面所讲的方法似乎都只针对只用2-3个工作频段的设计情况,那么针对更多频段的情况又应该如何来设计,比如全网通的LTE天线,要求天线的工作频段能够覆盖当前运营商支持的五模十频、五模十七频或者直接工作频率来描述就是能够同时覆盖790-960MHz和1600-2700MHz,那么像这样的天线又应该如何来设计?

    其实这类天线的设计并不难,只需要将我在前面所讲的集中多频方法进行简单的组合应用就可以,也就是说,在一副天线中可能同时用到倍频、多分枝、添加寄生分枝等多种方式,只要合理的调整结构和尺寸,就能设计出能够满足要求的LTE天线。当然,天线的设计处理仿真之外还需要大量的调试和测试才能完成,这一过程需要花不少的时间。

    实例一:单极子印刷LTE手机天线设计

    现在我带大家来看两个LTE全网通手机天线设计的例子(手机天线对接收性能要求比较高,对发射性能要求较低,通常以S11<-6dB为手机天线的设计指标),如14所示为一副印刷单极子全网络手机天线,天线覆盖700-800MHz和1600-2500MHz,其结构如图所示。

    图14 印刷单极子手机天线结构

    在图14中,该天线主要利用了分枝、倍频和耦合的原理,其中D分枝和E分枝为直接馈电的两个谐振分枝,实现两个不同的工作频段;(G+C+F)分枝和(G+C+B+A)分枝为耦合枝节的两个谐振分枝,通过不同的长度实现两个不同的工作频段;(G+C+B+A)为天线中最长的一个分枝,除了自身的基波频段外,还有产生谐波倍频工作频段,具体分析如下:

    G+C+B+A组合形成一段比较长的分枝(总长度接近800MHz的0.25个波长),这段分枝在G段上通过耦合获得电流,G+C+B+A分枝实现800MHz的谐振,同时,由于倍频效应,该分支将在1700MHz和2.4GHz频段附近产生倍频谐振,因此该分支能够实现800MHz,1700MHz和2400MHz三个工作频段;

    D分枝和E分枝属于直接馈电的原生分枝,D直接实现1800MH左右的工作频段(长度接近于1800MHz的0.25个波长);E分枝在2.3GHz附近产生谐振(其长度接近2.2GHz的0.25个波长);

    G+C+F分枝产生2GHz附近的谐振(长度接近于2GHz的0.25个波长)。

    根据上面结构的预期设想,天线将同时覆盖700MHz-800MHz和1600MHz-2600MHz的所有频段,基于此来计算天线的初始尺寸和建模仿真,模型如图15。

    图15 印刷单极子手机天线模型

    天线采用FR4介质,厚度为1mm,其S11仿真结构如图16所示。

     

    图16 印刷单极子手机天线S11仿真结果

    从图16来看,天线的工作频率覆盖了700MHz-800MHz和1600MHz-2500MHz,基本符合预期的设计要求。

    实例二:立体式全网络手机天线设计

     

    图17所示为一副可以支持690-900MHz和1600-2700MHz的LTE手机天线,其结构如下。

    图17 立体式全网通手机天线结构

    该天线结构较为简单,共有两个分枝和一个寄生分枝,其中,A分枝的基波实现800MHz的工作频段,其谐波产生1700MHz和2500MHz工作频段;B分枝实现1.8GHz的工作频段,寄生分枝通过耦合效应实现2GHz-2.4GHz的工作频段,三个分枝通过叠加组合,便可以实现预期的工作频段要求,采用HFSS的S11仿真结果如图18所示。

    图18 立体式全网通手机天线S11仿真结果

    从图18来看,天线的工作频段完整的覆盖了690-900MHz和1600-2700MHz两个频段区间,因此,天线的仿真结果符合对天线结构的预期分析。

    总结:天线的多频设计只需要掌握分枝、倍频、寄生添加等几种主要的多频方法,而后通过设计合理的结构,将几种方法组合应用,就可以实现任意多的工作频段。当然,我在博客中所讲的内容只是多频天线设计的一些常规方法,其他的还有LOOP结构应用,LC集总元件匹配,PIN二极管重构等等,我会在后面的博客中详细与大家分享。

    好了,时间有点晚了,本次多频天线的讲解暂时到这里,如有需要咨询的朋友可加作者QQ: 3180564167(注明CSDN博客)咨询。

    作者长期从事终端天线设计培训,包括手机天线、阵列天线、微带滤波器、功分器等,欢迎咨询。

    作者博客将持续更新新的结构和方案,欢迎关注。

    作者在新浪博客和CSDN博客同步更新,欢迎查看和咨询

     

     

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  • 天线设计基础设计

    千次阅读 2021-09-18 21:59:03
    分枝法是应用最多、也是最容易理解的一种多频实现方法,在传统的GSM/DCS/PCS和双频WIFI天线设计中应用非常广。其最简单的理解方法就是天线的一个分枝对应一个工作频段,且各个分枝之间是相互独立的,这种方法在...

    双频工作可利用激励多模和采用分层结构实现双频工作的重要途径。

    一、谐振分枝法
    分枝法是应用最多、也是最容易理解的一种多频实现方法,在传统的GSM/DCS/PCS和双频WIFI天线的设计中应用非常广。其最简单的理解方法就是天线的一个分枝对应一个工作频段,且各个分枝之间是相互独立的,这种方法在进行分频调谐时优势非常明显,由于分枝的相对独立性,因此在调节一个频段时不会对其他的频段产生较大的影响,现在我们可以简单的看几组实物照片,如下:在这里插入图片描述

    参考:参考

    无线电波在空间传播时,其电场方向是按一定的规律而变化的,这种现象称为无线电波的极化。无线电波的电场方向称为电波的极化方向。如果电波的电场方向垂直于地面,我们就称它为垂直极化波。如果电波的电场方向与地面平行,则称它为水平极化波在这里插入图片描述
    天线的输入阻抗
    天线和馈线的连接端,即馈电点两端感应的信号电压与信号电流之比,称为天线的输入阻抗。输入阻抗有电阻分量和电抗分量。输入阻抗的电抗分量会减少从天线进入馈线的有效信号功率。因此,必须使电抗分量尽可能为零,使天线的输入阻抗为纯电阻。
    输入阻抗与天线的结构和工作波长有关,基本半波振子,即由中间对称馈电的半波长导线,其输入阻抗为(73.1+j42.5)欧姆。
    2.3 天线的方向性
    天线的方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。对于接收天线而言,方向性表示天线对不同方向传来的电波所具有的接收能力。天线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示.
    方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的发射或接收电磁波的能力。
    在这里插入图片描述
    天线的功能: 控制辐射能量的去向

    在地平面上,为了把信号集中到所需要的地方,要求把“面包圈” 压成扁平的。在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    利用反射板可把辐射能控制聚焦到一个方向
    反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线在这里插入图片描述
    在我们的“扇形覆盖天线”中,反射面把功率聚焦到一个方向进一步提高了增益
    这里, “扇形覆盖天线” 与单个对称振子相比的增益为10log(8mW/1mW) = 9dBd 在这里插入图片描述
    方向图中,前后瓣最大电平之比称为前后比在这里插入图片描述
    天线增益与方向图的关系
    一般说来,天线的主瓣波束宽度越窄,天线增益G越高。当旁瓣电平及前后比正常的情况下,可用下式近似表示
    其中,Ga为天线增益(为倍数,计算时要换算成dB值)
    为垂直半功率角,为水平半功率角。

    天线增益与方向图半功率波瓣宽度关系曲线在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    板状天线增益与水平波瓣宽度在这里插入图片描述
    为使波束指向朝向地面在这里插入图片描述
    天线波束下倾的演示在这里插入图片描述
    波束下倾
    用于 :控制覆盖、减小交调
    两种方法:机械下倾、电下倾在这里插入图片描述
    电下倾的产生在这里插入图片描述
    天线和馈线的连接端,即馈电点两端感应的信号电压与信号电流之比,称为天线的输入阻抗。
    分为机械下倾和电下倾两种情况
    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场强的平方之比,即功率之比。
    一个天线与对称振子相比较的增益、用“dBd”表示。一个天线与各向同性辐射器相比较的增益、用“dBi”表示。例如: 3dBd = 5.17dB

    连接天线和发射(或接收)机输出(或输入)端的导线称为传输线或馈线。传输线的主要任务是有效地传输信号能量。因此它应能将天线接收的信号以最小的损耗传送到接收机输入端,或将发射机发出的信号以最小的损耗传送到发射天线的输入端,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或平衡。
    当传输线的几何长度等于或大于所传送信号的波长时就叫做长传输线,简称长线。
    无线传输线
    传输线的种类
    超短波段的传输线一般有两种:平行线传输线和同轴电缆传输线(微波传输线有波导和微带等)。
    平行线传输线通常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。
    匹配的概念
    什么叫匹配?我们可简单地认为,馈线终端所接负载阻抗Z等于馈线特性阻抗Z。时,称为馈线终端是匹配连接的。
    在实际工作中,天线的输入阻抗还会受周围物体存在和杂散电容的影响。为了使馈线与天线严格匹配,在架设天线时还需要通过测量,适当地调整天线的结构,或加装匹配装置。
    匹配和失配例在这里插入图片描述
    反射损耗
    当馈线和天线匹配时,高频能量全部被负载吸收,馈线上只有入射波,没有反射波。馈线上传输的是行波,馈线上各处的电压幅度相等,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,负载就不能全部将馈线上传输的高频能量吸收,而只能吸收部分能量。入射波的一部分能量反射回来形成反射波。在这里插入图片描述
    6 馈线和天线的电压驻波比
    在不匹配的情况下,馈线上同时存在入射波和反射波。
    反射波和入射波幅度之比叫作反射系数。
    在这里插入图片描述
    驻波比、反射损耗和反射系数在这里插入图片描述
    平衡装置
    电源、负载和传输线,根据它们对地的关系,都可以分成平衡和不平衡两类。若电源两端与地之间的电压大小相等,极性相反,就称为平衡电源,否则称为不平衡电源;
    与此相似,若负载两端或传输线两导体与地之间阻抗相同,则称为平衡负载或平衡(馈线)传输线,否则为不平衡负载或不平衡(馈线)传输线。

    二分之一波长平衡变换器
    又称“U”形平衡变换器,它用于不平衡馈线与平衡负载连接时的平衡变换,并有阻抗变换作用。
    在这里插入图片描述

    四分之一波长平衡-不平衡变换器
    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.在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    我们可简单地认为,馈线终端所接负载阻抗Z等于馈线特性阻抗Z。时,称为馈线终端是匹配连接的。
    当传输线的几何长度等于或大于所传送信号的波长时就叫做长传输线,简称长线。
    又称“U”形平衡变换器,它用于不平衡馈线与平衡负载连接时的平衡变换,并有阻抗变换作用。
    无限长传输线上各点电压与电流的比值等于特性阻抗,用符号Z。表示。同轴电缆的特性阻抗Z=〔138/εr 1/2 〕×log(D/d)欧姆。通常Z。=50欧姆/或75欧姆(在公式中:D为同轴电缆外导体铜网内径; d为其芯线外径; εr为导体间绝缘介质的相对介电常数。)
    由上式不难看出,馈线特性阻抗与导体直径、导体间距和导体间介质的介电常数有关,与馈线长短、工作频率以及馈线终端所接负载阻抗大小无关。

    基站天馈系统示意图在这里插入图片描述
    CDMA基站天馈系统
    1天线调节支架
    用于调整天线的俯仰角度,一般调节范围为:0°~15 °;
    2 室外跳线
    用于天线与7/8〞主馈线之间的连接。常用的跳线采用1/2 〞馈线,长度一般为3米。
    3 接头密封件
    用于室外跳线两端接头(与天线和主馈线相接)的密封。常用的材料有绝缘防水胶带(3M2228)和PVC绝缘胶带3M33+)。
    4 接地装置(7/8〞馈线接地件 )
    主要是用来防雷和泄流,安装时与主馈线的外导体直接连接在一起。一般每根馈线装三套,分别装在馈线的上、中、下部位,接地点方向必须顺着电流方向。

    5 7/8〞馈线卡子
    用于固定主馈线,在垂直方向,每间隔1。5米装一个,水平方向每间隔1米安装一个(在室内的主馈线部分,不需要安装卡子,一般用尼龙白扎带捆扎固定)。常用的7/8〞卡子有两种;双联和三联。7/8〞双联卡子可固定两根馈线;三联卡子可固定三根馈线。
    6 走线架
    用于布放主馈线、传输线、电源线及安装馈线卡子。
    7 馈线过窗器
    主要用来穿过各类线缆,并可用来防止雨水、鸟类、鼠类及灰尘的进入。
    8 防雷保护器(避雷器)
    主要用来防雷和泄流,装在主馈线与室内超柔跳线之间,其接地线穿过过线窗引出室外,与塔体相连或直接接入地网。
    9 室内超柔跳线
    用于主馈线(经避雷器)与基站主设备之间的连接,常用的跳线采用1/2〞超柔馈线,长度一般为2~3米。由于各公司基站主设备的接口及接口位置有所不同,因此室内超柔跳线与主设备连接的接头规格亦有所不同,常用的接头有7/16DIN型、有N型。有直头、亦有弯头。
    10 尼龙黑扎带,主要有两个作用:
    (1)安装主馈线时,临时捆扎固定主馈线,待馈线卡子装好后, 再将尼龙扎带剪断去掉。
    (2)在主馈线的拐弯处,由于不便使用馈线卡子,故用尼龙扎带
    固定。室外跳线亦用尼龙黑扎带捆扎固定。
    11 尼龙白扎带:用于捆扎固定室内部分的主馈线及室内超柔跳线。

    7/8馈线卡子的安装方法?
    避雷器的作用和安装方法是什么?
    用于固定主馈线,在垂直方向,每间隔1。5米装一个,水平方向每间隔1米安装一个(在室内的主馈线部分,不需要安装卡子,一般用尼龙白扎带捆扎固定)。
    主要用来防雷和泄流,装在主馈线与室内超柔跳线之间,其接地线穿过过线窗引出室外,与塔体相连或直接接入地网。

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  • 圆极化微带阵列天线设计

    千次阅读 2022-01-09 16:09:32
    微带阵列天线

    1.设计背景

    我们知道任意天线辐射的电磁波都是椭圆极化波,其极端情况是线极化波和圆极化波,传统的无线通信设备加载的是线极化天线,辐射线极化波。线极化波很容易受到气候、环境、载体运动方位等因素的影响而带来极化偏转损失甚至是失效,很难满足新时代无线通信的要求。采用圆极化天线辐射的圆极化波极化偏转损失较小,并且遇到反射物后会产生极化反转。在无线网络中可以不拘束于天线的摆放方位从而使无线通信设备进行正常通信;在卫星通信应用中可以消除电离层法拉第旋转效应引起的极化畸变损失;在卫星、遥感遥测、雷达等系统应用中可以减少信号的漏失,圆极化天线作为天线家族中的一员,在雷达、遥感、通信、军事等多个方面获得了广泛关注。圆极化微带天线的优点是剖面薄、易实现、方向性不敏感和易共形,而一般圆极化微带天线的缺点也较突出,即带宽较窄。这一缺点对过往陈旧的通信设备没有太大影响,但是现如今通信技术的迅猛发展使得市场上的通信设备不断朝着高速、高容量的趋势发展,这也对设备中的天线提出更严格的要求,要求天线实现宽带化。因此设计具有宽频带性能的圆极化微带天线是大势所趋。

    2.设计指标

    (1)频率:2170-2200MHz(接收),1980-2010Mhz(发射)

    (2)增益:在正负20度波束宽度内,大于10dB

    (3)极化:左旋圆极化

    (4)驻波:1.5

    (5)轴比:<3dB

    (6)输入输出接口:SMA

    (7)输入输出阻抗:50欧姆

    (8)尺寸:小于200*200*18mm^3

    3.设计原理

    (1)辐射原理

    通常微带天线的辐射由导体跟接地板共同决定,确切的说是由接地板和导体边沿形成的场产生的。微带天线的典型结构如图1所示,其中图1(a)是一个矩形微带贴片。假设电场在微带结构的宽度与厚度方向没有变化时,微带天线的电场结构就变为图1(b)所示,这时电场仅在半波长(入/2)的贴片长度方向变化。将场以地板为参考向量,就可以分解为法向量和切向向量,又因为贴片长此时头λ/2,所以分解后的场在法向量处反向,那么法向量产生的远场区相互抵消,在法向量处几乎不产生辐射场。进一步,切向分量相对于地板平行且同向,切向向量相互叠加,使得水平方向合成场增加,易得辐射场最强之处在垂直与结构表面方向上。进一步分析水平方向上的电场,取无限大的水平面作为参考平面,则可以采用两个具有同相激励的缝隙来等效水平电场,如图1(c)所示,并且两个辐射缝隙同向激励。

    1. 矩形微带天线结构       (b)微带天线侧视图        (c)微带天线俯视图

    图1 微带天线

    (2)馈电原理

    微带天线的激励方法也称为馈电方法,种类很多,馈电方式的不同天线的性能也大有差异。在这里我们主要使用的耦合馈电,耦合馈电包括临近耦合馈电和缝隙耦合馈电,是一种非接触的馈电,耦合馈电能够有效的展宽带宽,可以将工作带宽提高到10%以上,刚好能够覆盖接收和发送频率1980-2200Mhz。

    图2 耦合馈电

     这种结构的馈线一般不和辐射片在同一个面,因此降低了馈线对天线辐射方向图的干扰,达到展宽带宽的目的。同时,这种馈电结构由于馈电线是在介质基板的下方,属于开放平面,因而这种耦合馈电的天线也易于与其他元器件集成。

    1. 天线结构设计

    对于阵元设计的基本要求是:结构简单,馈电容易,这样才能便于在阵列使用。同时,做为天线的基本参数也要保证,主要是以下几个基本方面:中心频率及频带宽度,方向图及增益性能,阻抗特性等。

    (1)通过天线增益指标,我们可以得到目标天线可以采用阵列方式更容易达到要求,首先设计出天线的阵元,在进行阵列的设计。

    ①根据微带贴片天线的经验公式计算天线的尺寸,若已知的参数有εr(2.2),fr(Hz)(中心频率2.09GHz)和h(1.575mm),要求W和L。计算公式为:

                (3.1)

     由式(3.2)求出微带传输线的有效介电常数εre

                        (3.2)

    将(3.1)式求出的W 代入(3.3)式求出拉伸长度ΔL  

                                    (3.3)

     由(3.4)式中解出实际的长度 ,或通过下式求解

                                             (3.4)

    公式计算得出W=47.64mm,L=56.73mm

    ②微带贴片天线实现圆极化

    实现圆极化的原理就是产生两个正交的线极化电场分量,并且两者振幅相等,相位相差90度。微带天线实现圆极化有多种方式,有单点馈电法、多点馈电法和多元法。顾名思义,单点馈电法只有一个馈电点。首先由合适的馈电点产生正交简并模,然后对天线辐射结构引入微扰单元,使天线表面电流相位发生改变,使两个极化正交的简并模的相位差90度,从而满足辐射圆极化波所需条件。实际设计天线中有多种形式是通过单点馈电法来实现微带天线圆极化的,主要目

    的是为了引入合适的微扰单元,也称简并微扰单元,比如切角、开槽等,此次天线设计我们采用单点同轴馈电法的切角设计方式如图3所示。

    图3 微带贴片天线

    ③使用HFSS仿真天线的各项参数

    I.查看天线谐振频率

    辐射贴片通过公式计算得出为W=47.64mm,L=56.73mm,要实现圆极化,通过切角的方式,则辐射贴片需要设置为正方形,取中值W=L=52mm,设置45-52mm分别仿真得出S11如图4所示。

    图4 天线谐振频率

    通过扫描W参数得到最佳的W=46.8mm,最后的S11如图5所示

    图5 天线谐振频率

    微带贴片圆极化天线是通过使用馈电结构激发具有90°相位差的两个正交线性极化模式产生圆极化。通过切角产生微扰的单馈圆极化天线的工作带宽通常比较窄。另外,使用功分网络或者多层基板可以展宽圆极化天线的轴比带宽,但相对于单点馈电圆极化天线,其结构稍显复杂,在这里我们采用低介质系数的材料做基板使得带宽达到4%~5%。

    II.查看天线的轴比

    通过切角的方式得到圆极化,馈电点的位置Xf影响圆极化的圆度,使用参数扫描Xf位置,选取最好的结果Xf=13.5,最后的轴比结果如图6所示

    图6 天线轴比

    设置谐振点中心点2.09GHz,仿真得到图6我们可以看出天线的轴比在theta角-50°~50°都是3dB以下,说明天线的圆极化还是很不错的。

    III.查看天线振元的增益

    图7 天线左旋圆极化增益

    通过图7可以得出天线的极化方式为左旋圆极化,单个天线振元的最大增益为7.27dB,通过组合阵列的方式每增加一级振元增益大约增加3dB,得出大概计算得出组成4元振列天线最大增益达到13dB左右,能够达到设计要求。

    图8  3D方向图

    IV.查看天线的输入输出阻抗

    输入阻抗是天线与馈线相连接的地方的阻抗值。因为天线的输入阻抗与天线本身的结构、激励方式以及周围的物体和环境有关,因此通常讨论天线的输入阻抗时假设天线是孤立的。天线振元采用同轴馈电,同轴线的输入阻抗为50欧姆阻抗,所以能够达到很好的匹配。

    (2)第一节是对天线振元的设计,下面对天线阵列进行设计

    因为原始设计仅确定了天线单元和匹配网络的尺寸,而天线阵的行间距和列间的尺寸都未确定,所以仿真的重点在于找到合适的行间距和列间距,使得天线阵的辐射性能达到最佳。

    ①首先我们采用最常见的2X2阵列排列方式,通过扫描振元与振元之间的间距,确定天线的工作频率,得到最优的结果列和行间隔为L1=33.2mm。建立模型如图9所示。

                  

    图9 阵列天线模型

    ②仿真得出阵列天线谐振频率如图10所示

    图10 阵列天线谐振频率

    ③仿真得出天线的3D方向图如图11所示

    图11  3D增益立体图

    ④仿真得出天线的增益如图12所示

    图12 阵列天线左旋圆极化增益

    ⑤仿真得出天线的电压驻波比如图13所示

    图13 阵列天线电压驻波比

    ⑥仿真得出天线的轴比如图14所示

    图14 阵列天线轴比

    ⑦天线的输入输出阻抗

    由于电脑的仿真效率比较低,所以未能设计出合适的耦合馈电网络,暂时采用阵列天线采用同轴馈电,同轴线的输入阻抗为50欧姆阻抗,所以能够达到很好的匹配。

    ⑧计算天线的尺寸

    振元介质基板长度与宽度相同,都为90mm,使用2X2排列其尺寸为180mm,介质基板的厚度为1.575mm。

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