天线及其测量方法

现代微波与天线测量技术第6讲：无源天线及其测量技术彭宏利博士2008.11微波与射频研究中心上海交通大学－电信学院－电子工程系第1/39页第8节：无源天线及其测量技术8.1.天线概述；8.2.天线主要性能指标；8.3.Helical外置天线；8.4.PIFA内置天线；8.5.Monopole内置天线；8.6.PIFA和Monopole天线比较；8.7.天线性能与环境：其它部件对手机天线性能的影响8.8.天线测量条件和测量参数；8.9.天线方向图测量技术；8.10.天线增益测量技术；8.11.天线极化参数测量第2/39页8.1.天线概述8.1.1.天线的定义在无线电发射和接收系统中，用来发射或接收电磁波的元件，被称为天线。8.1.2.天线的作用天线的作用是转换电磁波的型态：„发射天线将电路传输结构中的导引波转换成空间中的辐射波；„接收天线将空间中的辐射波转换成电路传输结构中的导引波；„接收和发射天线是互易的。„导引波（Guidedwave）：电磁波被局限在一般电路中，沿传输线往特定的方向前进，分析参数为电压和电流。„辐射波（Radiationwave）：电磁波可以往空间任意方向传播，分析参数为电场和磁场。8.1.3.天线工作机理第3/39页导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长短和形状有关。如果两平行导线的距离很近，则两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消，辐射很微弱。如果两导线张开，则由于两导线的电流方向相同，两导线所产生的感应电动势方向相同，因而辐射较强。当导线的长度ｌ远小于波长时，导线的电流很小，辐射很微弱。当导线的长度可与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，能形成较强的辐射。通常将能产生显著辐射的直导线称为振子。8.1.4.天线分类基站天线：第4/39页终端天线：8.2.天线主要性能指标8.2.1.工作频率和带宽3dB增益带宽：天线增益下降3dB时对应的频带宽度。驻波比带宽：在一定驻波比条件下，天线输入口的工作频带宽度。移动通信系统中，通常使用后一种定义，即基站天线的输入驻波比≤1.5时，天线的工作带宽；手机天线驻波比≤2.5时的工作带宽。8.2.2.驻波比第5/39页当天线馈线和天线匹配时，高频能量全部被天线转化成辐射电磁波。其特点是，馈线上传输的是行波，即线上没有反射波、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。当天线馈线和天线不匹配时，馈线上传播的是行驻波。可用反射系数Γ表示。也可用回波损耗（ReturnLoss）来表示天线与馈线的匹配状况。电压驻波比VSWR、反射系数Γ、回波损耗RL的关系式如下：11+−=ΓVSWRVSWR，Γ−Γ+=11VSWR，⎟⎠⎞⎜⎝⎛+−−=Γ−=11lg20lg20VSWRVSWRRL8.2.3.阻抗AAArLAjXRjXRRZ+=++=)(天线等效阻抗其中：第6/39页RL—消耗电阻，由组成的材料的导电率决定RA—天线电阻Rr—辐射电阻，用来等效被辐射出去的能量jXA—天线电抗天线的阻抗（AAAjXRZ+=）会随频率的不同而不同，一般希望在操作频率附近，天线的阻抗和输入电路的阻抗相互匹配，这样可以有昀大的功率输入天线中。达到天线匹配的方式：a)修改天线本身结构，包括几何结构，馈电点位置，构成材料等。这样修改的的好处是天线结构会比较简单，缺点是有时候匹配不容易做成。b)加入匹配网络：利用元件如电感，电容，电阻等；或者传输线变换结构等，来达到匹配的目的。这样的修改的好处是匹配容易达成，缺点是增加的天线结构的复杂度，不利于缩小化，并且匹配网络会消耗部分功率，同时也会让阻抗的频宽变窄。8.2.4.定向性（Directivity，D）度量天线把辐射功率（Pr）传向某一特定方向的能力。rravePUPUUUDmaxmaxmax44ππ===其中：Umax—昀大辐射强度第7/39页Uave—平均辐射强度8.2.5.匹配效率输入功率=反射功率+进入天线功率反射损耗（ReturnLoss，RL）输入功率反射功率≡RL（无单位）⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=输入功率反射功率lg10RL（单位：dB）和S参数相联系8.2.6.辐射效率（RadiationEfficicency，rη）辐射功率和输入功率的比值，是度量天线能否有效将输入能量辐射出去的指标。inrrPP=η比较定向性和增益的公式，8.2.7.增益（Gain，G）在相同输入功率下，天线的昀大辐射强度和理想点源天线的辐射强度比值。第8/39页inaveinPUUUGmax)(max4π==DGrη=8.2.8.辐射场型天线附近空间中的电磁场，可分为近场和远场近场特性：电抗性，电磁能量被存储在空间中，没有辐射出去；当天线的电流被切断时，这些能量会退回天线中。辐射场型是指天线的远场中辐射电场强度与接收者方向角度的关系第9/39页8.2.9.端口隔离度对于有两个极化输出端口的天线，在一端输入信号在另一端口泄漏信号的能力8.2.10.极化极化是指电磁波的电场矢量的方向轨迹。第10/39页分为线极化（垂直极化，水平极化，45度极化），椭圆极化（圆极化是一种特例）。电磁波在空间传送时，其电场的方向若沿着一椭圆轨迹变化，则为椭圆极化（有长短轴），按旋转方向可分为右旋极化和左旋极化，圆极化是椭圆极化的一种特例（长短轴相等时）。8.2.11.手机天线的特殊指标（1）EIRP—EffectiveIsotropicRadiatedPower有效全向辐射功率（2）TRP—TotalRadiatedPower总辐射功率（3）NHPRP—NearHorizontalPartRadiatedPower接近水平面辐射功率（这个就是第11/39页平时说的发射功率）（4）EIS—EffectiveIsotropicSensitive有效全向灵敏度（5）TIS—TotalIsotropicSensitive总全向灵敏度（6）NHPIS—NearHorizontalPartIsotropicSensitive接近水平面全向灵敏度8.3.手机外置天线：8.3.1.杆状天线（Stubbyantenna）长度一般是1/4波长，需要接地，具有良好的天线性能。如图所示，基本上分三种：螺旋天线CoilBasedStubbyAntenna绕线杆状天线WoundWireStubbyantenna第12/39页软性线路板杆状天线FlexCircuitBasedStubbyAntenna上述的天线形式基本上都可以通过螺旋天线变型得来，单一绕线螺旋天线的带宽不是很好，一般通过改变绕线的螺距和螺旋的外径来展宽。第13/39页8.3.2.拉杆天线Retractableantenna一般拉出后的长度是1/2波长，缩回去的长度是1/4波长。拉出后的状态也需要接地，外第14/39页观尺寸很大，天线性能很好，特别是在拉出状态下。如图一般分为三种：顶端加载螺旋天线TopLoadedWhipAntenna低端加载螺旋天线：BottomLoadedWhipAntenna顶端和低端都加载螺旋天线Top&BottomLoadedWhipAntenna第15/39页拉杆天线本身的带宽不是很宽，需要通过顶部或者底部加载螺旋来展宽带宽。8.3.3.偶极子天线Dipole长度一般是1/2波长，需要接地并且是平衡馈电，尺寸很大。具有很好的天线性能，1~2dBi的平均增益。实际中很少使用。第16/39页影响外置天线设计的因素接地（1）接地（2）天线盖帽机壳第17/39页翻盖打开或者合上屏蔽8.3.4.外置天线优缺点缺点：„不能集成到印制电路板或设备外壳上，增加了总尺寸„易于折断和弯曲„天线比吸收率（SAR值）高，不易屏蔽，人体对天线的性能影响较大，考虑到人体效应，天线的效率约为10%，也就是说，当手机天线靠近人体使用时的整个效率会大大降低。„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。„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确定为总功率损耗的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„所测得的自由空间方向图和由人体吸收之后的方向图有很大差异优点：„天线较容易设计，研发周期短。„手机主板及上面元件对天线影响较小。8.4.PIFA内置天线8.4.1.倒F天线PIFA将安装在地平面上的四分之一波长天线变成L型，并在偏离安装接地点的某一点进行馈电。第18/39页选择合适的馈电点就易于实现对馈线的阻抗匹配，频带宽度则随天线高度增加。一般应用中，采用平面辐射单元代替线形辐射单元，当平面单元的周边长度约为半波长时将产生宽带谐振特性，同时缩小了辐射单元尺寸。辐射体面积约550～600mm2，与PCB主板TOP面的距离（高度）6～7mm。天线与主板有两个馈电点，一个是天线模块输出，另一个是RF地。天线的位置在手机顶部。主板上面的天线投影区域内有完整的铺地，同时不要在天线侧安排元器件，特别是马达、SPEAKER、RECEIVER、FPC排线、LDO等较大金属结构的元件和低频驱动器件。因为上述部件对天线的电性性能有很大的负面影响。PIFA天线如按要求设计环境结构，电性能相当优越，包括SAR指标，是内置天线首选方案。适用于有一定厚度手机产品，折叠、滑盖、旋盖、直板机。线性单元平面单元各种PIFA天线变型后的应用实例：（1）Singlepath第19/39页（2）Dualpath（3）Loop/PIFA第20/39页（4）Tripath（5）Parasiticinside（6）Parasiticoutside第21/39页第22/39页8.4.2.常见的几种PIFA架构形式A型：软性线路板辐射体通过热熔柱粘合在塑料支架上，并和镀金的冲压馈电片咬合在一起。优点：线路板辐射体设计灵活，可以很快的作出原型。缺点：金属馈电片需要机加工，成本适中，但是和PCB相连不很牢固。B型：软性线路板辐射体通过热熔柱粘合在塑料支架上，和镀金的pogo-pin咬合接触。优点：线路板辐射体设计灵活，可以很快的得到原型，并且装配简单和PCB链接牢固。第23/39页缺点：用于链接的pogo-pin需要机加工，如果需要很大的改变那么周期会比较长，成本高，而且必须电子检测确定pogopin的完整。C型：金属触片和辐射体都通过热熔柱和塑料支架连接，属于内部接触。辐射体用磷青铜制作并镀镍，并在接触点区域周围选择性的镀金。优点：完整的解决方案，便宜。缺点：一旦大规模冲压工具投入使用相关的灵活性就很低了，潜在的机加工成本很高。当第24/39页从2D到3D图形的转换的时候，设计的自由度受到了限制，大规模机加工周期很长，一般需要4到6周的时间。D型：PCB板辐射体通过热熔柱粘合在塑料支架上，和镀金的pogo-pin咬合接触。辐射体采用FR4作基板铜箔刻画出辐射体。优点：辐射体的设计较灵活，可以很快得到原型，和PCB连接牢固。缺点：pogo-pin接触需要机加工，如果需要大改变则需要很长的周期，并且FR4可能在高频处会减少天线的效率。8.4.3.设计实例第25/39页第26/39页第27/39页8.5.Monopole内置天线辐射体面积300～350mm2，与PCB主板TOP面的距离（高度）3～4mm，天线辐射体与PCB的相对距离应大于2mm以上。天线与主板只有一个馈电点，是模块输出。天线的位置在手机顶部或底部。MONOPOLE单极天线如按要求设计环境结构，电性能可达到较高的水平。缺点是SAR稍高。不适用折叠、滑盖机，在直板机和超薄直板机上有优势。主板上面的天线投影区域不能有铺地，或无PCB，同时也不要安排马达、SPEAKER、RECEIVER等较大金属结构的元件。由于单极天线的电性能对金属特别敏感，甚至无法实现。天线的馈电点的位置与PIFA方式有区别。一般建议设计在天线的四个角上。天线实例：第28/39页第29/39页特殊结构天线设计在手机顶部或底部立面（厚度）上，用金属丝成型，如MOTO的V3、V8超薄系列，他们为天线设计的金属空白区域很大，实际上这是属