天線的作用和地位
l發(fā)射天線：無線電發(fā)射機輸出的射頻信號功率，通過饋線（電纜）輸送到天線，由
天線以電磁波形式輻射出去；
l接收天線：電磁波到達接收地點后，由天線接收下來（僅僅接收很小很小一部分功率），并通過饋線送到無線電接收機； l可見，天線是發(fā)射和接收電磁波的一個重要的無線電設備，沒有天線也就沒有無線電通信。
天線的分類
天線品種繁多，以供不同頻率、不同用途、不同場合、不同要求等不同情況下使用。
按用途分類，可分為通信天線、電視天線、雷達天線等；
按工作頻段分類，可分為短波天線、超短波天線、微波天線等；
按方向性分類，可分為全向天線、定向天線等；
按外形分類，可分為線狀天線、面狀天線等。
移動通信天線
l基站天線：無論是GSM 還是CDMA， 板狀天線是用得最為普遍的一類極為重要
的基站天線。這種天線的優(yōu)點是：增益高、扇形區(qū)方向圖好、后瓣小、垂直面方
向圖俯角控制方便、密封性能 可靠以及使用壽命長
l l手機天線：依據(jù)結構和形式可以將手機天線分為
外置式：?波長鞭狀(whip)、?波長伸縮式(retractable)(振子、螺旋天線組合）、 螺旋(helix)
內(nèi)藏式：微帶貼片、微帶縫隙
外置式天線的特點
外置式天線(多為伸縮式),如單極化天線和螺旋天線在手機上廣泛應用
外置式天線缺點：
– 不能集成到印制電路板或設備外殼上，增加總尺寸(尤其是伸縮式) ；
– 易于折斷和彎曲；
– 天線比吸收率（SAR值）高，不易屏蔽，人體對天線的性能影響較大；
– 僅有一種極化特性，在人體附近場性能較差；
– 螺旋天線加工不易達到精確控制和重復性，需要匹配電路，使成本
和損耗都增加；
– 可伸縮的外置式天線還存在天線可伸縮次數(shù)的物理極限；
– 伸縮天線在處于某一中間位置時，天線在電氣上并未與電話機相連；
– 可伸縮外置式天線通常要求一個內(nèi)置分集天線來解決衰減問題；
– 外置式天線通過隔離接收與發(fā)射頻段來取消雙工器。
結論：設計一個高效率、性能完善的雙頻天線不容易
內(nèi)置集成微帶天線的特點
優(yōu)點
·內(nèi)置微帶天線可集成到印制電路板和外殼上，在手機內(nèi)部，不額外增加尺寸
· 內(nèi)置微帶天線有機械剛性，不易被損壞；
· 采用屏蔽技術來屏蔽天線輻射出的對人體有影響的電磁波，SAR值非常?。?/span>
· 天線受人體的影響相對要?。?/span>
· 微帶天線的輸入阻抗容易做到50Ω ，不需要匹配電路或非平衡轉(zhuǎn)換器，容易
實現(xiàn)批量生產(chǎn)，重復性好；
· 設計參數(shù)通過最優(yōu)化手段實現(xiàn)體積小、成本低，并能增加帶寬，同時提高對
垂直和水平極化波的接收靈敏度，實現(xiàn)更好的全向輻射特性；
· 容易設計出雙頻段的內(nèi)置集成微帶天線。
缺點
·工作頻帶窄，常規(guī)設計的相對帶寬約為中心頻率的（1～6）％，改進后可達
（15～20）％，仍屬窄頻帶天線之列；
·有導體和介質(zhì)損耗，影響輻射頻率；
·功率容量較小
結論：減小人體和天線相互作用影響，微帶天線是內(nèi)置天線應用的最佳選擇。
天線的預備知識
電磁波的輻射
天線，是電磁波的換能器件，用以發(fā)射和接收電磁波。它把在電路里流動的高頻電流通過電磁感應轉(zhuǎn)換成高頻電磁波向外輻射，高頻電流流過任何導體時，導體內(nèi)部的電子隨著高頻電流振動，在導體外面空間會感應激發(fā)電磁波。天線也可以把在空間的電磁波通過感應轉(zhuǎn)換成高頻電流，因此，可以說天線是收發(fā)互逆的。任何天線在接收時的所有特性及參數(shù)都可以由該天線在發(fā)射狀態(tài)時的已知特性及參數(shù)決定，反之亦然。簡單地說，若一條天線的接收效果好，則該天線的發(fā)射效果也好。
l導線上有交變電流流動時，就可以發(fā)生電磁波的輻射，輻射的能力與導線的長度和形狀有關。若兩導線的距離很近，電場被束縛在兩導線之間，因而輻射很微弱；將兩導線張開，電場就散播在周圍空間，因而輻射增強。
l當導線的長度 L 遠小于波長 λ 時，輻射很微弱；導線的長度 L 增大到可與波長相比擬時，導線上的電流將大大增加，因而就能形成較強的輻射。
l電子或磁子振動產(chǎn)生交變電場或磁場，交變的電場或磁場互相轉(zhuǎn)換，形成電磁波以光速向外輻射。理論上使電子和磁子作高頻振動能產(chǎn)生同樣的電磁波，但由于電路里本身就是流動著高頻電流，因此我們常用的是電天線——使電子作高頻振動來產(chǎn)生電磁波。為了使天線的輻射提高，必須使流過天線導體的高頻電流盡量的強。
l當電路處于串聯(lián)諧振狀態(tài)時，電路上的電流最大，因此，若使天線處于諧振狀態(tài)，則天線的輻射最強。由傳輸線理論可知，當導體長度為1/4波長的整數(shù)倍時，該導體在該波長的頻率上呈諧振特性，導體長度為1/4波長為串聯(lián)諧振特性，導體長度為1/2波長為并聯(lián)諧振特性。
l由于1/2波長的振子比1/4波長的振子長，所以1/2波長振子的輻射比1/4波長振子強，但振子超過1/2波長雖然輻射繼續(xù)加強，但由于超過1/2波長的部分的輻射是反相位而對輻射有抵消的作用，因此總的輻射效果反而被打折扣，所以，通常的天線都采用1/4波長或1/2波長的振子長度單位，這種由兩根長度相同的導體構成的天線就叫偶極天線。這是最簡單、最基本的天線，其他的天線都可以等效成偶極天線的變形和疊加。
對稱振子
偶極天線也叫做對稱振子，是一種經(jīng)典的、迄今為止使用最廣泛的天線，單個半波對稱振子可簡單地獨立地使用或作為拋物面天線的饋源，也可采用多個半波對稱振子組成天線陣。
每臂長度為四分之一波長、全長為二分之一波長的振子，稱半波對稱振子。
天線的測試參數(shù)－S-參數(shù)
衡量天線性能的參數(shù)包括
1、VSWR
2、輸入阻抗&阻抗匹配
3、輻射方向圖&增益
VSWR：傳輸線上相鄰的波腹點和波谷點的電壓振幅之比，其值在1到無窮大之間。駐波比為1，表示完全匹配；駐波比為無窮大表示全反射，完全失配。
在移動通信系統(tǒng)中，一般要求駐波比小于1.5，但實際應用中VSWR應小于1.2。過大的駐波比會減小基站的覆蓋并造成系統(tǒng)內(nèi)干擾加大，影響基站的服務性能
阻抗匹配
◆ 天線的輸入阻抗是天線饋電端輸入信號電壓與輸入信號電流的比值。
◆ 天線與饋線的連接，最佳情形是天線輸入阻抗是純電阻且等于饋線的特性阻抗，這時饋線終端沒有功率反射，饋線上沒有駐波，天線的輸入阻抗隨頻率的變化比較平緩。
◆ 天線的阻抗匹配就是消除天線輸入阻抗中的電抗分量，使電阻分量盡可能地
接近饋線的特性阻抗。
天線方向圖
l l把振幅方向性函數(shù)繪制成場強隨θ、 φ變化的曲線圖就是天線方向圖，所以
這兩個名詞在天線中是通用的。
l發(fā)射天線的基本功能之一是把從饋線取得的能量向周圍空間輻射出去，基本
功能之二是把大部分能量朝所需的方向輻射。
l垂直放置的半波對稱振子具有平放的 “面包圈” 形的立體方向圖。立體方向圖
雖然立體感強，但繪制困難。
l平面方向圖描述天線在某指定平面上的方向性。半波對稱振子在軸線方向上
輻射為零，最大輻射方向在水平面上；在水平面上各個方向上的輻射一樣大。
天線的波瓣寬度
l l方向圖通常都有兩個或多個瓣，其中輻射強度最大的瓣稱為主瓣，其余的瓣稱為副瓣或旁瓣。
l l在主瓣最大輻射方向兩側，輻射強度降低 3 dB（功率密度降低一半）的兩點間的夾角定義為波瓣寬度（又稱 波束寬度 或 主瓣寬度 或 半功率角）。波瓣寬度越窄，方向性越好，作用距離越遠，抗干擾能力越強。
l l還有一種波瓣寬度的定義，即 10dB波瓣寬度，是方向圖中輻射強度降低 10dB （功率密度降至十分之一） 的兩個點間的夾角。
天線的方向性系數(shù)D(θ,φ)
天線的方向性函數(shù)或方向圖表示天線各方向輻射的相對大小，不能明確表示場在
某特定方向上集中的程度，故引進方向性系數(shù)的概念
l l發(fā)射天線在某一方向上的方向性系數(shù)：該方向上輻射功率密度與天線在各方向輻
射功率密度的平均值之比
l l方向性系數(shù)是以平均輻射功率為標準來說明輻射能量在某一方向上集中的程度的 l l對于無方向性天線，任何方向上D＝1 l l因此，也可以說，天線在某一方向的方向性系數(shù)等于它在該方向上的輻射功率密
度與具有相同輻射功率的無方向性天線的輻射功率密度之比
l l接收天線在某一方向上的方向性系數(shù)：電磁波從該方向進入時負載上的接受功率
與天線從各方向接收而送入負載的接收功率平均值之比
增益
發(fā)射天線在某方向的增益定義為：天線在該方向上的輻射功率密度與饋有相同的輸入功率的無損耗、無方向性的理想天線在該方向輻射功率密度之比。它定量地描述一個天線把輸入功率集中輻射的程度。
增益是一個比值，若無特別說明，實用中增益一般指最大輻射方向上的增益，常以分貝表示G（dB）＝10lgG（單位寫作dBi）
天線增益有時以無損耗（ηA＝1）半波振子的增益作比較標準，稱為相對增益g g＝G/1.64 g（dB）＝G（dB）－2.15（單位寫作dBd）
接收天線在某方向的增益定義為：從該方向接收時負載所吸收到的功率與一個理想的（無損耗、無方向性）天線從該方向所接收的功率之比。
天線的效率
發(fā)射天線輻射到外部空間的實功率與輸入到天線上的實功率之比
接收天線輸入負載的最大接收功率與該天線無損耗時輸入負載的最大接收功率之比
方向性系數(shù)、增益、效率的關系
G(θ,φ)=D(θ,φ)ηA
天線的極化
天線的極化是指該天線在給定空間方向上遠區(qū)輻射場的極化，若無特別說明，則是指天線在其最大輻射方向上輻射場的極化。
電磁波在傳播時其電場或磁場的方向是有固定的規(guī)律的，我們叫電磁波的極化，
是以電場分量的方向命名。電磁波的電場和地面垂直，稱為垂直極化波；電波的
電場與地面平行，稱為水平極化波。電波的極化是由發(fā)射天線決定的，因此天線
按其輻射電波的極化分為水平極化和垂直極化天線
根據(jù)天線收發(fā)互逆，接收時天線也必須采用與發(fā)射同種極化的天線才能有最好的接收效果。
天線的頻帶寬度
l l天線或天線系統(tǒng)的方向圖、方向性系數(shù)（增益）、輸入阻抗和極化特性等都是和工作頻率有關的。 l天線的特性參數(shù)（方向圖、阻抗、極化等）可以保持在規(guī)定的技術要求范圍之內(nèi)的頻率范圍，稱為天線的頻帶寬度。
★方向圖帶寬——方向圖的變化（如主最大方向偏離預定方向、主瓣展寬或副瓣電平增高等）不超過允許限制的頻率范圍
★方向性系數(shù)（增益）帶寬——方向性系數(shù)或增益降到允許值（一般為預定值的50％）的頻率范圍
★阻抗帶寬——一般指饋線上的駐波比不超過某一限額（例如ρ≤1.6或ρ≤2）的頻率范圍
l如果設備對天線的幾個參數(shù)都提出了頻帶要求，則該天線的頻帶寬度只能取以上幾種帶寬中最窄的一個。
設計天線要考慮的因素
l總體思想：在使用的頻率范圍內(nèi)，使天線的有效增益盡可能大。在保持高有效增益的前提下，還要允許縮小尺寸和減輕重量，以及提高使用壽命。高效率的天線設計可以降低手機發(fā)射功率，降低移動電話本身功耗，延長電池使用壽命。因此，為了研制小型化蜂窩移動電話，保證天線具有最大增益是非常重要的。 l移動環(huán)境中，天線性能和平均有效增益的計算 l天線設計中的人體輻射安全考慮：模擬機7W、數(shù)字機2W l天線要與RF模塊連接，要解決阻抗匹配 l l需解決的關鍵技術問題：
– 克服人體對電波吸收和散射所引起接收特性的改變
– 多信道傳播以輻射指向性造成增益下降等問題。
l對于某些手機天線，采用分集天線。它由兩部分構成，外部天線為伸縮的鞭狀天線，收藏在機體內(nèi)，收發(fā)兼用；內(nèi)藏天線為平面天線，用作接收專用天線。利用這兩種天線，在接收時可供選擇分集。 為了滿足超小型化手機的需要，最近將內(nèi)藏天線研制成平板狀的反向F天線以及用微帶貼片做成的小型天線，除體積進一步縮小外，并具有高增益和大寬帶等優(yōu)點，它是制在介質(zhì)基板或PCB上，通過合理形狀設計，求得特性最佳化。
