第二講電小天線(xiàn)原理和分析

1、第二講 電小天線(xiàn)原理和分析一、 電小天線(xiàn)的概念電小天線(xiàn)就是指最大幾何尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)（0.1以下）的天線(xiàn)。所有手機(jī)內(nèi)置天線(xiàn)都是電小天線(xiàn)。當(dāng)天線(xiàn)的尺寸與波長(zhǎng)相比很小時(shí)，其實(shí)質(zhì)就是一個(gè)帶有少量輻射的電感器或電容器。它仍然是整個(gè)天線(xiàn)系統(tǒng)的一個(gè)分支，與一般大天線(xiàn)相比并無(wú)本質(zhì)差別，只是其電尺寸小，所以有特別需要注意的一些方面。二、 電小天線(xiàn)電特性分析1 方向性在上一講介紹天線(xiàn)基本原理時(shí)曾介紹天線(xiàn)的輻射方向系數(shù)D的概念。它反映了輻射能量的集中程度。方向系數(shù)也可以采用下面的方法定義。當(dāng)在最大方向上同等距離時(shí)，假設(shè)某一實(shí)際天線(xiàn)與各向同性天線(xiàn)都在該點(diǎn)產(chǎn)生相同的場(chǎng)強(qiáng)，則方向系數(shù)等于：其中表示輻射功率。電流元或磁流

2、元的方向圖都呈蘋(píng)果狀8字型，方向系數(shù)為1.5。而電小天線(xiàn)的電尺寸很小，因此其方向圖接近電流元或磁流元的方向圖，因此其方向系數(shù)接近1.5。半波偶極子天線(xiàn)的方向系數(shù)則為1.64。2 輻射效率輻射效率的定義是：其中是輻射電阻，是損耗電 阻。在損耗電阻中包括天線(xiàn)自身的歐姆損耗還包括饋線(xiàn)和匹配網(wǎng)絡(luò)中的損耗電阻，即：其中是天線(xiàn)上的損耗電阻，是饋線(xiàn)和匹配網(wǎng)絡(luò)中的損耗電阻。一般來(lái)說(shuō)在提到天線(xiàn)效率時(shí)并不考慮，但由于小天線(xiàn)和匹配電路密切相關(guān)，比如一個(gè)小的電容性天線(xiàn)，由于天線(xiàn)輸入容抗很高，電阻很小，如果要求此天線(xiàn)和發(fā)射機(jī)匹配，則在匹配電路中必然要求引入一個(gè)串連的大電感使之調(diào)諧，并通過(guò)變換將低阻值變換為所需的電阻值。

3、這是匹配電路必然帶來(lái)可觀的損耗，所以考慮電小天線(xiàn)的效率必須將計(jì)入，以便于對(duì)比各種電小天線(xiàn)的性能。注意 上式中的各項(xiàng)電阻歸算于同一電流，或者是波幅電流或者是平均電流。從輻射效率的定義式可知，提高輻射效率的途徑不外乎從提高輻射電阻和降低損耗電阻入手。思考 為什么手機(jī)天線(xiàn)設(shè)計(jì)中提倡盡量不使用匹配電路，或匹配元件盡量少？3 增益根據(jù)天線(xiàn)增益公式：要提高增益則應(yīng)設(shè)法提高輻射效率和方向系數(shù)，但對(duì)電小天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，由于，所以提高增益的途徑，主要依賴(lài)于提高天線(xiàn)的輻射效率。4 輸入阻抗天線(xiàn)輸入阻抗定義為天線(xiàn)輸入端的電壓和電流之比。的有功和無(wú)功分量分別用和表示，稱(chēng)為輸入電阻和輸入電抗。在一個(gè)頻帶內(nèi)的幾個(gè)頻率上測(cè)量或計(jì)

4、算天線(xiàn)輸入阻抗的數(shù)值，可以作出輸入阻抗和頻率的關(guān)系曲線(xiàn)，因?yàn)檩斎胱杩故菑?fù)數(shù)，一般必須分別作出和兩組曲線(xiàn)。還有一種顯示阻抗軌跡曲線(xiàn)的方法是使用史密斯圓圖工具。電小天線(xiàn)的通常很低，它由天線(xiàn)的輻射和天線(xiàn)的損耗兩方面的因素形成。5 工作頻帶天線(xiàn)的工作頻帶定義為天線(xiàn)在輻射方面的特性基本滿(mǎn)足所提出的要求時(shí)的頻帶。由于電小天線(xiàn)方向性在工作頻段內(nèi)類(lèi)似電流元特性，在整個(gè)波段變化不顯著，所以主要變化特性一般指輸入阻抗的變化，工作頻帶也都是指阻抗帶寬。手機(jī)天線(xiàn)一般要求阻抗帶寬在VSWR<2.5附近。容性天線(xiàn)等效為一個(gè)和的串連電路，此時(shí)天線(xiàn)的品質(zhì)因數(shù)Q值：其中在天線(xiàn)包含匹配電路時(shí)需要將匹配電感中的電阻部分計(jì)入。

5、當(dāng)Q值較大時(shí)，設(shè)諧振頻率為，則Q值為：6 有效面積電小天線(xiàn)的有效面積定義為：對(duì)無(wú)耗電小天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，其等效電流元的有效面積為。事實(shí)天線(xiàn)是有耗的，因此該值僅僅是電小天線(xiàn)可以獲得的最大有效面積，引起有效面積下降的主要因素為損耗。提高有效面積的途徑是盡量使天線(xiàn)邊緣電流分布接近均勻分布。三、 電小天線(xiàn)的固有缺陷及解決方法1 電小天線(xiàn)的固有缺陷由于電小天線(xiàn)電尺寸很小，因此其輻射電阻將降低，假定天線(xiàn)本身不存在損耗，盡管其輻射電阻降低，總可以通過(guò)適當(dāng)辦法消除天線(xiàn)的輸入電抗成分，并變換其電阻為適當(dāng)?shù)臄?shù)值使其與發(fā)射機(jī)或接收機(jī)匹配，從而有效完成能量轉(zhuǎn)換功能。但遺憾的是，不僅天線(xiàn)本身存在熱損耗，而且匹配電路也會(huì)引入損耗

6、。當(dāng)天線(xiàn)的輻射電阻很低時(shí)，這些損耗就會(huì)更加突出，從而降低了天線(xiàn)的效率，因此對(duì)小天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，效率低是其突出的問(wèn)題。另一方面，既然小天線(xiàn)相當(dāng)于電容或電感，并且其電阻成分低，亦即其具有一定的高品質(zhì)因數(shù)Q，而Q值反比于帶寬，因此小天線(xiàn)的工作頻帶比較窄，這就意味著工作頻帶寬度也是在設(shè)計(jì)小天線(xiàn)中應(yīng)當(dāng)重視的問(wèn)題。既然效率和帶寬在電小天線(xiàn)設(shè)計(jì)中比其他指標(biāo)突出，因此有時(shí)將或作為電小天線(xiàn)的特定指標(biāo)。在增益一定的情況下，應(yīng)設(shè)法降低Q值，Q值一定時(shí)應(yīng)設(shè)法加G。對(duì)發(fā)射天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，如果在滿(mǎn)足帶寬的要求下確定Q，則此時(shí)增益或效率高成為主要設(shè)計(jì)依據(jù)，而對(duì)接收天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，只要滿(mǎn)足噪聲的要求下，效率的高低并不像發(fā)射天線(xiàn)那么重要。2 褚

7、氏效率極限定理褚氏效率極限定理認(rèn)為，天線(xiàn)所能達(dá)到的極限效率與天線(xiàn)的尺寸空間成正比。因此要想獲得高的輻射效率，首先必須保證為電小天線(xiàn)預(yù)留足夠的空間。在手機(jī)天線(xiàn)設(shè)計(jì)中，這一點(diǎn)具有非常重要的含義。我們?cè)O(shè)計(jì)天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)時(shí)，最容易犯的錯(cuò)誤就是以為內(nèi)置天線(xiàn)附近空間很大，可以放些馬達(dá)、音腔、攝像頭、金屬圈進(jìn)去，因?yàn)槟抢镉凶銐虻目臻g，而手機(jī)板上其余部分空間已經(jīng)不足。這其實(shí)已經(jīng)犯了天線(xiàn)輻射中的大忌，一旦其余事物壓縮了天線(xiàn)的空間，則天線(xiàn)的效率就可能已經(jīng)下降到無(wú)法接受的程度，這在任何款型的手機(jī)設(shè)計(jì)中都是千萬(wàn)應(yīng)當(dāng)引起注意的。3 提高電小天線(xiàn)輻射效率的途徑提高電小天線(xiàn)輻射效率的途徑，概括起來(lái)不過(guò)有以下幾種：（1） 提高輻

8、射電阻；（2） 降低損耗電阻：包括降低天線(xiàn)本身的熱損耗和降低匹配電路的損耗；（3） 保證功率有效饋送到天線(xiàn)上，減少天線(xiàn)鄰近物體及地面條件變化對(duì)天線(xiàn)的影響，保證匹配。當(dāng)然，采取以上各種措施減小天線(xiàn)尺寸時(shí)，必須滿(mǎn)足工作頻帶的要求。4 提高輻射電阻的途徑最常使用的提高輻射電阻的途徑是加頂和加載。比如列車(chē)頂部的天線(xiàn)高度受到限制，為增加垂直部分的有效高度，可以在天線(xiàn)頂部加裝水平部分使天線(xiàn)類(lèi)似型。當(dāng)水平部分和垂直部分之和接近時(shí)，有效高度最大，同時(shí)可以使天線(xiàn)的輸入電抗分量大大減小。手機(jī)天線(xiàn)使用變形單極子天線(xiàn)作為內(nèi)置天線(xiàn)時(shí)，也常采用類(lèi)似的措施。加頂天線(xiàn)頂部形狀可以很多，如傘形、蓋型等等。手機(jī)外置天線(xiàn)使用的螺旋

9、天線(xiàn)是一種連續(xù)加載天線(xiàn)，為縮小天線(xiàn)的尺寸，將諧振長(zhǎng)度一定的天線(xiàn)繞成螺旋狀。5 降低天線(xiàn)和匹配電路的損耗電阻當(dāng)天線(xiàn)的電尺寸較大時(shí)，天線(xiàn)的熱耗相對(duì)天線(xiàn)的輻射而言不大，因?yàn)槠湫矢?，但?dāng)天線(xiàn)尺寸減小時(shí)，其輻射較弱，天線(xiàn)本身的損耗也就相應(yīng)突出。當(dāng)然，可以設(shè)法使用低耗元件（如電容）來(lái)降低其損耗，但也只能達(dá)到有限的目的。通過(guò)研究人們發(fā)現(xiàn)利用金屬的超導(dǎo)特性可以改善天線(xiàn)及匹配電路的損耗，但是在手機(jī)設(shè)計(jì)中不實(shí)用。手機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)降低匹配電路損耗電阻的措施有：盡量不使用匹配元件或使用低耗匹配元件；盡量使RF模塊靠近天線(xiàn)饋點(diǎn)，縮短饋線(xiàn)的長(zhǎng)度；盡量使用PCB阻抗線(xiàn)而不要使用同軸電纜。說(shuō)明 OC03項(xiàng)目已經(jīng)發(fā)生過(guò)一次深刻的教

10、訓(xùn)。6 減小鄰近物體的影響在手機(jī)天線(xiàn)中，對(duì)天線(xiàn)性能影響最嚴(yán)重的環(huán)境因素就是Speaker、馬達(dá)和金屬裝飾環(huán)。Speaker主要影響接收性能，對(duì)接收頻段是一種強(qiáng)烈的噪聲源。如果使用PIFA內(nèi)置天線(xiàn)形式，應(yīng)盡量避免將Speaker、馬達(dá)裝在天線(xiàn)輻射單元下方，絕對(duì)不允許將兩個(gè)Speaker同時(shí)裝入天線(xiàn)輻射單元和地面之間。金屬裝飾環(huán)不能在天線(xiàn)的投影面上方，并且與天線(xiàn)的最小間距應(yīng)大于6mm。說(shuō)明 OC03曾將雙Speaker放入天線(xiàn)下方，導(dǎo)致項(xiàng)目拖期三個(gè)月。四、 電小天線(xiàn)常用的分析方法對(duì)電小天線(xiàn)進(jìn)行分析的方法，常見(jiàn)的方法有：1 集總參數(shù)分析法這種分析方法的基本思想是，將天線(xiàn)看作終端開(kāi)路的傳輸線(xiàn)，并用集總電感或電容等效傳輸線(xiàn)的分布參數(shù)。這種分析方法不很?chē)?yán)格，并且對(duì)復(fù)雜形狀的天線(xiàn)往往較難于分析，但是較為直觀，可以幫助我們作出定性的判斷。當(dāng)天線(xiàn)的尺寸小于弧度長(zhǎng)時(shí)，天線(xiàn)就相當(dāng)于一個(gè)電容或