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1、无线移动通信天线无线移动通信天线内容内容引言移动通信对天线的要求外置式天线内置式天线未来天线开展趋势引言引言移动通信终端移动通信终端蓝牙设备蓝牙设备(Bluetooth)PCPDA移动移动无线无线LAN卡卡无绳无绳RFID卡卡根本特点根本特点天线位于人体附近天线位于人体附近安装在设备内安装在设备内使用位置不固定使用位置不固定便携式无线通信设备对天线要求便携式无线通信设备对天线要求体积小、重量轻、主面的辐射方体积小、重量轻、主面的辐射方向图应是准全向的；向图应是准全向的；带宽要尽可能宽、人体手对带宽要尽可能宽、人体手对天线的影响要尽可能小、人体对天线的影响要尽可能小、人体对天线的电磁能量的比吸收
2、率天线的电磁能量的比吸收率(SAR)应尽可能小；应尽可能小；希望能将天线集成到便携通信设希望能将天线集成到便携通信设备的印制电路板或塑料外壳上。备的印制电路板或塑料外壳上。移动通信对移动通信对 天线天线的要求的要求GSM频带分配表频带分配表天线设计需要考虑天线设计需要考虑天线作为一个系统，而不是孤立的发射天线作为一个系统，而不是孤立的发射/接受终端接受终端;要根据电波传播条件设计天线，要有一定要根据电波传播条件设计天线，要有一定程度的极化或方向图控制能力程度的极化或方向图控制能力;天线要适应环境条件，方向图与区域要求天线要适应环境条件，方向图与区域要求一致，并且允许天线附近有障碍物存在一致，并
3、且允许天线附近有障碍物存在设计天线时要考虑人手和身体的影响设计天线时要考虑人手和身体的影响具有可靠的性能，使用方便;克服人体对电波吸收和散射引起接收特性的改变;多信道传播以辐射指向性造成增益下降；天线要与RF模块连接，要解决阻抗匹配。天线主要技术指标天线主要技术指标天线是把电路中储藏的电能有效转换天线是把电路中储藏的电能有效转换为电磁波为电磁波发射出去或者进行相反过程的无线器发射出去或者进行相反过程的无线器件件频段频段阻抗阻抗驻波比驻波比增益增益比吸收率比吸收率辐射方向图Radiationpattern描述天线在远区辐射场空间分布特性所有的天线都有三维方向图，测试困难实际中使用两维方向图是三维
4、方向图的切面用E面与H面表示辐射方向图是互易的方向性D描述了天线在特定方向聚集电磁波的能力在空间一点天线的功率密度与平均辐射功率密度之比分为定向天线(DirectionalAntenna)与全向天线(Omni-directionalAntenna)与各向同性天线比较自由空间传播损耗增益(G)更加全面描述天线聚集电磁波的能力在空间一点天线的功率密度与平均输入功率密度之比G=D*增益通常指最大方向的增益SAR手持式收发信机在使用时，非常靠近人的头部，其产生的电磁辐射对人体健康的影响日益受到重视。目前并没有令人信服的证据证明各种收发信机，尤其是移动 的电磁辐射会对人体健康造成影响，但是从人体平安的角
5、度出发，世界各个国家和地区都基于现有的研究成果纷纷制定电磁辐射指令和标准。在外电磁场的作用下，人体内将产生感应电磁场。由于人体各种器官均为有耗介质，因此体内电磁场将会产生电流，导致吸收和耗散电磁能量。生物剂量学中常用SAR来表征这一物理过程SAR的意义为单位质量的人体组织所吸收或消耗的电磁功率，单位为W/kg国际非电离辐射防护委员会已于国际非电离辐射防护委员会已于1998年发布了年发布了? 0 - 300 GHz电磁场平安限值导那么电磁场平安限值导那么?，并已被，并已被世界上大多数国家采纳为电磁辐射平安标准世界上大多数国家采纳为电磁辐射平安标准 国际电信联盟于国际电信联盟于2000年发布的年发
6、布的 ITU-T K.52建议建议ITU标准是基于标准是基于ICNIRP导那么的，并建议导那么的，并建议各国采用该导那么的平安限值各国采用该导那么的平安限值 世界卫生组织世界卫生组织WHO也支持采用也支持采用ICNIRP导导那么规定的平安限值那么规定的平安限值 ，并积极着手电磁辐射标，并积极着手电磁辐射标准的协调工作，希望全球采用统一的标准和测准的协调工作，希望全球采用统一的标准和测量方法量方法对对于于移移动动 的的近近场场电电磁磁辐辐射射，国国际际上上普普遍遍采采用用SAR作作为为量量度度。辐辐射射限限值值通通常常定定义义为为任任意意6分分钟钟时时间间段段的的平平均均SAR或或功功率率密密度
7、度。最最根根本本的的电电磁磁辐辐射射限限值值是是，适适用用于于受受控控环环境境的的、任任意意6分分钟钟全全身身平平均均SAR限限值值为为0.4 W/kgIEEE 1982、IEEE 1992、CENELEC 1995、ICNIRP 1998。在在非非受受控控环环境境下下全全身身平平均均的的SAR应应小小于于0.08 W/kg天线结构与形式天线结构与形式外置式：外置式：波长鞭状、波长鞭状、波长伸缩波长伸缩式、螺旋式、螺旋内藏式：内藏式：PIFA,微带贴片、介质、背腔微带贴片、介质、背腔式、式、铁氧体式铁氧体式外置外置 天线天线各种外置 天线各种外置 天线半波振子理论与实践证明：无限细的半波振子上
8、的电流分布与无耗开路传输线的电流分布相同：远区电场E只有分量：场强的大小：其中方向性函数为：当时：归一化场强函数为：归一化功率函数为：半波振子的方向性是2.15dBidBi是相当于各向同性天线的分贝数对称振子长度L不同时天线的方向图与方向性系数四分之一波长单极天线鞭状天线单极天线是振子臂垂直与地面架设的天线地为理想导体，地的影响用镜像来代替辐射场是等效振子在上班空间的辐射场当单极底馈天线的鼓励电压是等效双极振子天线的一半时，存在与上半空间的辐射场相同单极天线与等效的双极天线有如下关系：方向性函数和方向图相同(上半)单极天线的输入阻抗是双极天线的一半单极天线的方向性系数是双极天线的两倍，即方向性
9、大3dB实际受限制实际应用中，地面大小是有限的，最大辐射方向有地面稍微上翘螺旋天线螺旋天线是由金属导线或金属管绕制成螺旋形，并正确馈电而成，螺旋天线通常由同轴线馈电，同轴线内导体与螺旋线的一端相接，外导体与地板相接。螺旋天线的参数：时发生法向模，天线与波长相比很小，可以认为其幅度和相位均匀，远场方向图与远场无关，可以通过一圈的研究得出远场方向图。l四分之一波长鞭状天线和法向模螺旋天线都可用作天线，电磁波沿螺旋线轴线传播的相速比鞭状天线慢，谐振长度可以缩短。l方向图和增益类似于半波振子l带宽比半波振子的窄l谐振的四分之一波长的螺旋天线在便携无线电设备外壳上能鼓励起很强的射频电流，设备外壳成为辐射
10、系统的组成局部结论结论不能集成到印制电路板或设备外壳不能集成到印制电路板或设备外壳上，增加总尺寸上，增加总尺寸(尤其是伸缩式尤其是伸缩式)；易于折断和弯曲；易于折断和弯曲；天线比吸收率天线比吸收率SAR值高，不易值高，不易屏蔽，人体对天线的性能影响较大；屏蔽，人体对天线的性能影响较大；仅有一种极化特性，在人体附近场仅有一种极化特性，在人体附近场性能较差。性能较差。螺旋天线加工不易到达精确控制和螺旋天线加工不易到达精确控制和重复性，需要匹配电路，使本钱和重复性，需要匹配电路，使本钱和损耗都增加；损耗都增加；可伸缩的外装式天线还存在天线可伸缩次数的物理极限；伸缩天线在处于某一中间位置时，天线在电气
11、上并未与 机相连；伸缩天线外装式天线通常要求一个内装分集天线来解决衰减问题；外装式天线通过隔离接收与发射频段来取消双工器设计一个高效率、性能完善的双频 天线不容易外置式线天线的评价外置式线天线的评价移动通信基站发射天线都是采用移动通信基站发射天线都是采用垂直极化，当垂直极化，当垂直放于自由空垂直放于自由空间中时可从其水平面上得到最高间中时可从其水平面上得到最高的接收灵敏度，于是可用来评价的接收灵敏度，于是可用来评价天线的性能。天线的性能。通常外置式通常外置式辐射方向图也通过同辐射方向图也通过同时测量有无人体和大脑影响的效时测量有无人体和大脑影响的效应。考虑到人体效应，天线的效应。考虑到人体效应
12、，天线的效率约为率约为10%，也就是说，当，也就是说，当天天线靠近人体使用时的整个效率会线靠近人体使用时的整个效率会大大降低。大大降低。能量的损耗主要是由于人脑和手对电磁波的吸收，以及天线在人体附近所引起的失配；要精确测量这两个因素所造成的功率损耗比很困难，通常是采用测量天线在自由空间的回波损耗和在人体旁回波损耗的比值；天线在人体旁失配所引起的功率损耗为总功率损耗的20%；在人体附近有近80%总功率损耗是被人手和大脑所吸收掉。内置内置天线天线Build-in AntennasPIFAILA(InvertedLAntenna)天线结构1.ILA天线水平局部相当于一容性负载方向图与短振子的几乎相同
13、输入电阻很小，输入电抗很大IFA天线的输入电阻IFA天线的结构2.IFA天线ILA天线再加一个L形局部调谐功能天线的带宽窄，典型2不满足移动通信的要求IFA天线的输入驻波比3.PIFA(PlanarInvertedFAntenna)天线用平板代替直线增加带宽，可到达10短路面减小，进一步减小天线的面积，带宽和增益随之下降。微带天线具体见“微带天线的小型化技术内置集成微带天线的特点内置集成微带天线的特点内置微带天线可集成到印制电路板和外内置微带天线可集成到印制电路板和外壳上，在壳上，在内部，不额外增加设备尺内部，不额外增加设备尺寸；寸；内置微带天线有机械刚性，不易被损坏；内置微带天线有机械刚性，
14、不易被损坏；采用屏蔽技术来屏蔽天线，采用屏蔽技术来屏蔽天线，SAR值非值非常小；常小；天线受人体的影响相对要小；天线受人体的影响相对要小；微带天线的输入阻抗容易做到微带天线的输入阻抗容易做到50，不需要匹配电路或非平衡转换器，容不需要匹配电路或非平衡转换器，容易实现批量生，重复性好；易实现批量生，重复性好；微带天线通过耦合方式馈电，在隔离接收与发射频段方面也相当简便，可以消除双工器；假设采用E场和H场元件分集技术，那么不必附加独立的分集天线；设计参数通过最优化手段实现体积小、本钱低，并能增加带宽，同时提高对垂直和水平极化波的接收灵敏度，实现更好的全向辐射特性；容易设计出双频段的内置集成微带天线
15、。减小人体和天线相互作用影响，内置天线是 天线天线应用的最正确选择结论结论减小人体和天线相互作用影响，减小人体和天线相互作用影响，微带天线是内置天线应用的最正微带天线是内置天线应用的最正确选择。确选择。内置集成微带天线的设计内置集成微带天线的设计零位等效面短路可以将传统的半波长微带天线尺寸减少50%，采用局部短路可进一步减小已缩短的14波长天线的尺寸缩短接地面尺寸可减小天线尺寸，改善天线的全向辐射特性，也可降低天线邻近人体效应。但是减小接地面同时会降低天线的效率，需采用其他电路结构，如双C型贴片微带天线 增加厚度或采用平面非平面层状无源器件可改善微带天线带宽，但会使天线尺寸增大。驱动单元和天线
16、无源单元的长和宽通常在一个半波长到14波长范围内。内置集成微带天线的设计实例内置集成微带天线的设计实例内装的小型宽带微带天线结构是内装的小型宽带微带天线结构是将窄小的驱动单元与几何形状不将窄小的驱动单元与几何形状不同的平面层状无源器件相结合。同的平面层状无源器件相结合。通过对这种天线的几何结构的配通过对这种天线的几何结构的配置和组合进行设计和最优化，可置和组合进行设计和最优化，可将其装置将其装置内部内部这种天线的电介质常数为这种天线的电介质常数为6，内置，内置天线尺寸天线尺寸15151.5(mm)，驱动，驱动单元为带三角形孔径的单元为带三角形孔径的C型贴片，型贴片，无源单元是带矩形孔径的无源单
17、元是带矩形孔径的C型贴型贴片片天线设计EDA仿真未来未来 天线天线开展趋势开展趋势小型化宽频带内置式天线小型化宽频带内置式天线需要解决：带宽效率面积天线形式PIFADRADielectric Chip AntennaHalf-Volume dielectric resonator antennaDual resonant stacked shorted patch antenna贴片单元也可以位于同一介质基片上形成单层结构双频双馈微带天线双频单馈微带天线Small sized antenna for wireless applications特性：特性：全向辐射模式全向辐射模式小尺寸小尺寸宽频带宽频带用途用途蓝牙蓝牙(bluetooth)PCPDAPC卡卡移动移动无线无线LAN卡卡(IEEE802.11b)无绳无绳谢谢！
