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1、分类号T N 8 2 0 1密级公开重庆邮电大学硕士学位论文论文题目移动终端超宽带天线的设计英文题目D e s i g no nu l t r a - w i d e b a n dA n t e n n ao fM o b i l eT e r m i n a l硕士研究生田海燕指导教师学科专业李校林正高级工程师集成电路工程论文提交日期垄Q ! 圣：垒丝论文答辩日期2 0 1 3 5 - 1 8论文评阅人蠢童逊垄至答辩委员会主席酝j 熟1 3塾垫墨垦堕皇奎兰2 o1 3 年? 月，g 日I ) 年? 月，g 日独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果
2、。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废邮鱼态堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：、曰诤扮签字日期：铆7 弓年月3 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解重废邮电太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权重庞邮电去堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论
3、文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：、刃峥跨导师签名：季旁三、舡签字日期：们1 3 年月3 日签字日期：曹，3 年厂月3E t摘要重庆邮电大学硕士论文摘要随着信息产业的快速发展，无线通信系统的工作频段不断拓展。作为终端系统中最重要的组件之一，宽带天线的设计直接影响移动终端的性能及应用，天线结构小型化和宽带化成为目前研究的热点。结合移动终端实际模型，论文研究了各种终端类型相匹配天线的抗干扰特性，以非变频超宽带为目标研发了多款新型超宽带终端天线。天线的电磁辐射分析及特征阻抗分析作为天线设计基础，论文讨论了天线基本基本设计方法和超宽带天线的各种实现方法，并以无线终端系统中三种常用的P I F
4、A ( P l a n a ri n v e r t e d FA n t e n n a ) 、单极和L T C C ( L o wT e m p e r a t u r eC o F i r e dC e r a m i c )天线为例，阐述了影响天线性能的因素，重点分析了外围金属器件对不同类型的终端内置天线的性能影响，总结出不同类型天线在终端设备中的抗干扰特性。针对超宽带天线的特殊要求，运用上述若干研究结果，设计出一款抗干扰特性较好的超宽带平面对数周期单极天线。该天线由齿轮型对数周期贴片、金属地板和微带传输线组成。根据制作天线实物进行测试，在V S W R 电场、磁场均无推迟效应( 即无
5、相位延迟) ； 电场与静电场中电偶极子的场相同，磁场与恒定磁场中元电流的场相同，所以也称电偶极子的近区场为似稳场； 电场和磁场的相位相差9 0 0 ，平均坡印廷矢量为零。由此可见，近区内主要是电磁能量交换，忽略波的传播( 辐射) ，因此也称近区场为束缚或感应场。2 2 2 2电偶极子的远区场计算定义f i r 1 的区域为远区场( 也称为辐射区) ，f i r 1 即r 九，含有伊的高次项可以忽略，保留1 B r 项，可以得到：H ，= H o = E d = E ，= 0万：J _ , a l a ls i n 0 P 一价( 2 1 1 )t 兀，_面。：i 丝丛s i n 曰P 邯r 4
6、 x c o s o ，1 2第二章超宽带天线理论基础图2 6 电偶极子的远区场可以得到远场内的结论如下： 辐射区电磁场有推迟效应( 即有相位延迟历) ； E 6 与日在空间互相垂直，且垂直于传播方向，在时间上E e 与日同相位，平均坡印亭矢量不为零，且指向沿r 方向，说明远区场电磁波是沿径向朝外传播的，有能量沿径向朝四周辐射出去，称为T E M 波； 相位相同的点连成的面称为等相位面，辐射区的电磁波为球面波。在等相面上，由于场量的振幅与q 有关，因此辐射波是非均匀球面波； E o 与H 之比为一常数，有阻抗量纲，定义为媒质的本征阻抗或波阻抗，自由空间的波阻抗为：Z o ：鲁：旦：c o p
7、o e o ：厮_ 1 2 0 石3 7 7 f 2 ；- p0 ) 6 0t o e o 坡印廷矢量的模为I s l = 7 H 一 2 = 7 s i n h 。2 2 3 天线的基本参数以对称振子为例，定义并说明天线的一些基本参数如下【2 2 1 ：对称振子的结构如图2 7 所示，它由两根同样粗细、同样长度的直导线构成，在中间的两个端点馈电。每根导线的长度为1 ，称为对称振子的臂长。重庆邮电大学硕士论文图2 7 对称振子取对称振子中心为坐标原点，振子轴沿z 轴。其电流分布近似地表示为：( z ) =O z ，( 2 1 2 ) - I Z 0全长2 ，= O - 5 五的对称振子，称为半
8、波振子，可以近似等效于电偶极子。2 2 3 1 辐射方向图的计算天线的辐射方向图( 简称为天线方向图，也叫波瓣图) 是天线的功场强、率通量密度、相位和极化等辐射参量随空间方向变化的图形显示。一般情况下，辐射方向图在远区测定，并表示为空间方向坐标的函数，称为方向函数。在通常情况下，辐射方向图指功率通量密度的空间分布，有时指场强的空间分布。实际上常用功率通量密度或场强的归一值表示方向图，称为归一化方向图。归一化功率方向图以及归一化场强方向图函数分别为： 删，2 器= 器 删) = 糕 式中，s ( o ，妒) 为坡印廷矢量的幅值且s ( o ，) 霹( 目，) + 霹( 臼，妒) Z o ( W
9、m 2 f 2 1 6 1s ( o ，) M 和E ( O ，) 盯分别是功率通量密度和场强的最大值。Z o 为空间的本征阻抗，等于3 7 7Q 。两者的关系是：只( 臼，) = F V ，)f 2 1 7 )1 4_ 一+幼一Ah A，LLnnk第二章超宽带天线理论基础图2 8 电偶极子的立体方向图厂、J型7r图2 9 电偶极子的E 面方向图图2 1 0 电偶极子的H 面方向图立体方向图形象且直观，但画起来复杂。所以，天线方向图常用两个互相垂直的主平面内的方向图表示，称为平面方向图。研究超高频天线，通常采用天线辐射的两个主平面是E 面和H 面。E 面为最大辐射方向和电场矢量所在的平面，H面
10、为最大辐射方向和磁场矢量所在的平面。图2 8 和图2 9 给出了电偶极子( 电基本振子) 的两个主平面方向图。E 面是通过振子轴的子午平面( f - 常数的平面) ，H 面是垂直于振子轴的赤道平面( q = 9 0 。的平面) 。方向图还可以用分贝表示，称为分贝方向图。电场分贝方向图和功率分贝方向图是相同的，因为I F ( 拶，) I 佃22 01 9 F ( O ，) l。、己( 臼，) d B = 1 0 1 9 l P ( 0 ，) f = 2 0 l g l F ( 0 ，) I = I F ( O ，驴) I d 。2 2 3 2辐射功率和辐射阻抗天线的输入功率为：只= # + 是(
11、 2 1 9 )P ，：包围天线所在体积V 内的损耗功率，是包含导体损耗和介质损耗的实功P 。称为天线的全辐射功率，有：一重庆邮电大学硕士论文 二二_ 一P 2 足+ ，绞( 2 2 0 )式中，P z 是天线的辐射功率，是经过S 面( 包围天线所在体积v 的任意封闭面) 流出的实功率，即最= 圭R e 嘎( E 日) 凼Q z 是辐射的无功功率。假设天线的全辐射功率被一个等效的阻抗所“吸收”，为天线上某处的电流，称此等效阻抗为天线的辐射阻抗。幅为I ，则辐射特征阻抗为：( 2 2 1 )在该阻抗上流过的电流如天线上某处电流的振乏：气华：匙+ ( 2 2 2 )妒式中R t 和X z 分别称为
12、辐射电阻和辐射电抗。由上式可以看出，辐射阻抗与所取的参考电流有关，该电流称为归算电流。若归算电流为驻波天线上的波幅电流如，则称此时的辐射阻抗为“归算于波幅电流的辐射阻抗”。若归算电流为天线输入端电流厶，则称此时的辐射阻抗为“归算于输入电流的辐射阻抗”，前者用Z ：表示，后者用Z ：彳表示。抖k 扣毛一到毛2 辫，”跏。 可以用坡印廷矢量法计算天线的实辐射功率( 简称为辐射功率) 和辐射电阻。取封闭面S 为以天线为中心，r 为半径的球面，当r 足够大时，S 面处于天线的远区，于是有：墨2 吉R e q ( E 日) 凼：去r ”J c r I E l 2 r 2s i n O d O d 妒(
13、2 2 3 )上式利用了在远区，电场和磁场互相垂直并垂直于传播方向，J E I 1 日l = 1 2 0 艘= 3 7 7 Q ，由场强方向函数式( 2 1 5 ) 及I E ( O ，) MJ = 6 0 k 步，得天线的辐射功率是足= 萼蚶l i “ J c r ，2 ( 曰，驴) s i nO d O d 口k( 2 2 4 )因此归于波幅电流的辐射电阻是： 恐= 击= 詈肌m 加t n 矽删2 1 1 M I在没有特别说明的情况下，对于驻波天线，辐射特征电阻均指归算于波幅电流的辐射电阻。已知电基本振子( 电偶极子) 的远区电场为式( 2 1 1 ) ，所以1 6第二章超宽带天线理论基础
14、牛辔s i n 9卢= 寥2 M m ，= - - - - - - - - - - - - - - - 二- - - 一，c o oIA l= 一4 x c o e or4 7 c ，4 x A ，A r2 r热附驯，方向图函数邢) = 半s i ：剑，( 目， r( 2 2 6 )竺铲亿功 删咿( 钳常用的半波振子，避7 3 1 Q ，辐射功率为最3 6 5 I “。2 2 3 3 输入阻抗天线输入阻抗是指天线的输入电压与输入电流的比值，它是决定天线与馈线匹配状态的一个重要参数，不仅由天线自身的形状以及尺寸决定，而且与天线使用环境有关。一般假定天线在理想的工作环境中，既没有相邻的天线，也没有
15、引起反射的障碍物。输入到天线的输入功率被输入阻抗吸收，并转换成辐射功率。当天线的输入阻抗与传输线的特性阻抗不匹配时，馈到天线上的功率会发生反射。天线与馈线匹配越好，馈线上的驻波比或回波损耗就越小。天线辐射效率越高。乙= f 七= R A 十粥( 2 2 8 ) 去l 吖厶天线的输入电流； 月天线的输入电阻，包括归算于输入电流的损耗电阻R 翻和归算于输入电 流的辐射电阻R r A ，即凡= 次翻般删。 已知天线所辐射的总功率为P ：，天线的损耗功率P ，则输入电阻和输入电抗 与功率之间的关系为：柳土扣争崭也以重庆邮电大学硕士论文2 2 3 4 天线的效率和增益天线效率m ：指天线所辐射的总功率P ：和天线从馈线得到的净功率n 的比，即m = P F I _ ，它是衡量天线将高频电流或导波能量转换为电磁波能量的有效程度。一般情况下，天线的输入阻抗并不等于馈线的特性阻抗( 即天线与馈线不匹配) 。天线从馈源得到的净功率( 即输入功率) P 爿等于馈线在连接天线处的入射功率与反射功率之间的差值，也等于辐射功率与损耗功率之和即：P A = P ：+ P ，。设R A 、R z 爿和I o 分别是归算于输入电流I A 的输入电阻、辐射电阻和损耗电阻，则 圹每2 彘= 壶亿s 屯所以，为了得到较高的m ，我们应尽可能降低损耗
