（電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)論文）手機雙頻天線及射頻前端低噪聲放大器的研制.pdf

英文摘要 a b s t r a c t a st h ew i d e l yu s i n go fh a n d s e t ，t h e r ei sah i g h e rr e q u i r e m e n to ft h es i z ea n dt h e a b o u tt h ep e r f o r m a n c ei m p o r t a n tr fp a r t - h a n d s e ta n t e n n a b e c a u s et h e r ea r es m a l l s p a c ea n dc o m p l e xe n v i r o n m e n ti nt h eh a n d s e t ，s om a n yr e s e a r c h e r sd e d i c a t et o r e s e a r c ht h em e t h o d st h a t i m p r o v i n gt h et e c h n i q u e s t om a k et h ea n t e n n a s m i n i a t u r i z a t i o na n dm u l t i b a n d w i t ht h eg s m 9 0 0 d c s18 0 0d u a l b a n dh a n d s e t s ，u s e r s c a nc h a n g et h ec o m m u n i c a t i o nb a n db e t w e e ng s ma n dd c sf r e e l y , s oi ti su s e d w i d e l y a st h ec r u c i a lp a r to ft h ed u a l - b a n dh a n d s e t ，t h er e s e a r c ho nt h ed u a l b a n d a n t e n n ai su s e f u l w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，t h ec o m m u n i c a t i o n s e r v i c ep r o v i d e r sa n dt h ec o m m t m i c a t i o ne q u i p m e n tm a n u f a c t u r e r sc a l lf o rt h et o o l s t h a tr a d i a t el i t t l ee n e r g ya n de f f e c tf a rd i s t a n c e i tm a k e st h ea v a i l a b l es i g n a lt ob eo na v e r yl o wl e v e li nm o s te n v i r o n m e n t s s oi ti sw o r t ht or e s e a r c ht h el o wn o i s ea m p l i f i e r w h i c hc a ne n l a r g et h ea v a i l a b l es i g n a lw h i l ea v o i d i n gm a k et h es n r b e i n gw o r s e b a s e do nw i d e l yr e f e r e n c eo fd o m e s t i ca n do v e r s e a sl i t e r a t u r e sa n dt h eh a n d s e t i n t e r n a la n t e n n at h e o r y , t h ep i f aa n t e n n ai sa n a l y z e de x h a u s t i v e l y ap i f aa n t e n n af o r g s m 9 0 0 m h z d c s18 0 0 m h zh a n d s e ti sd e s i g n e d i nt h i sd e s i g n ，t h ee l e c t r o m a g n e t i c s i m u l a t i o ns o f t w a r eh f s sw a su s e dt os i m u l a t ea n d o p t i m i z et h ea n t e n n a , o nt h eb a s i s o ft h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t , t h ea n t e n n aw a sm a n u f a c t u r e da n dt e s t e d t h et e s tr e s u l t s h o wt h a tt h ef r e q u e n c yr a n g eo f t h ed u a l b a n da n t e n n ai s ：8 8 0 m h z 一9 6 0 m h zf o rg s m ， a n d1710 m h z 一18 8 0 m h zf o rd c sw h i c hi sm e e t i n gt ot h ed e s i g nr e q u i r e m e n t i nt h i s p a p e r , al n a w o r k e da tf r e q u e n c y18 0 0 m h zi sa l s od e s i g n e d b a s e do nt h ep r i n c i p l e a n da n a l y s i sm e t h o d so fl n a ，t h ei n i t i a ld e s i g nw a si n t r o d u c e d t h e nt h ec i r c u i t p a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e dw i t ht h ee l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o ns o f t w a r ea d s f i n a l l y t h el n aw a sm a n u f a c t u r e da n dt e s t e d 弧es i m u l a t i o na n dt e s tr e s u l ts h o wt h a ta tt h e f r e q u e n c y18 0 0 m h z ，t h en o i s ef i g u r ei s1 3 8 7 ，t h ei n p u tr e t u r nl o s si s - 9 4 0 d ba n dt h e g a i ni s9 4 4 d bw h i c hi sf i tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t 英文摘要 k e yw o r d s ：d u a l - b a n da n t e n n a ；m i n i a t u r i z a t i o n ；l n a ；h a n d s e t ；t h e e l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o ns o f t w a r e 大連海事大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：本論文是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨立進行研究工作所取得的成果， 撰寫成學(xué)士學(xué)位論文= = 壬扭塑麴丞綾區(qū)盟麴煎堂匱噬重越態(tài)墨的嬰劍：。除論文中 已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，對論文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中 以明確方式標(biāo)明。本論文中不包含任何未加明確注明的其他個人或集體己經(jīng)公開 發(fā)表或未公開發(fā)表的成果。本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名：查：痖筆 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者及指導(dǎo)教師完全了解大連海事大學(xué)有關(guān)保留、使用研究生學(xué) 位論文的規(guī)定，即：大連海事大學(xué)有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交學(xué)位論文 的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大連海事大學(xué)可以將本學(xué) 位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，也可采用影印、縮印或掃描 等復(fù)制手段保存和匯編學(xué)位論文。同意本學(xué)位論文收錄到中國優(yōu)秀博碩士學(xué)位 論文全文數(shù)據(jù)庫( 中國學(xué)術(shù)期刊( 光盤版) 電子雜志社) 、中國學(xué)位論文全文數(shù) 據(jù)庫( 中國科學(xué)技術(shù)信息研究所) 等數(shù)據(jù)庫中，并以電子出版物形式出版發(fā)行和 提供信息服務(wù)。保密的論文在解密后遵守此規(guī)定。 本學(xué)位論文屬于： 保密口，在年解密后適用本授權(quán)書。 不保密影( 請在以上方框內(nèi)打“”) 論文作者簽名：汐脅乏導(dǎo)師簽名：系匆殄 日期：砷年匆月堙日 手機雙頻p i f a 以及前端電路低噪聲放大器的研制 第1 章緒論 1 1 研究背景 現(xiàn)代移動通信技術(shù)的發(fā)展始于本世紀2 0 年代，在7 0 年代中期至8 0 年代中期 得到了蓬勃發(fā)展。1 9 7 8 年底，美國貝爾試驗室研制成功先進移動電話系統(tǒng) ( a m p s ) ，建成了蜂窩狀移動通信網(wǎng)，大大提高了系統(tǒng)容量。1 9 8 3 年，首次在芝 加哥投入商用。同年1 2 月，在華盛頓也開始啟用。之后，服務(wù)區(qū)域在美國逐漸擴 大。到1 9 8 5 年3 月已擴展到4 7 個地區(qū)，約1 0 萬移動用戶。其它工業(yè)化國家也相 繼開發(fā)出蜂窩式公用移動通信網(wǎng)。日本于1 9 7 9 年推出8 0 0 m h z 汽車電話系統(tǒng) ( h a m t s ) ，在東京、大膠、神戶等地投入商用。西德于1 9 8 4 年完成c 網(wǎng)，頻段 為4 5 0 m h z 。英國在1 9 8 5 年開發(fā)出全地址通信系統(tǒng)( t a c s ) ，首先在倫敦投入使用， 以后覆蓋了全國，頻段為9 0 0 m h z 。法國開發(fā)出4 5 0 系統(tǒng)。加拿大推出4 5 0 m h z 移動電話系統(tǒng)m t s 。瑞典等北歐四國于1 9 8 0 年開發(fā)出n m t _ _ 4 5 0 移動通信網(wǎng)， 并投入使用，頻段為4 5 0 m h z 。 八十年代中期開始，進入了數(shù)字移動通信系統(tǒng)發(fā)展和成熟時期。第一代移動 通信網(wǎng)是模擬系統(tǒng)，由于用戶需求急速發(fā)展，其容量已經(jīng)不夠，因此八十年代歐 洲首先推出了數(shù)字移動通信網(wǎng)g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e ) ，隨后美國和日本 也制訂了各自的數(shù)字移動通信體制。如今，蜂窩狀移動通信系統(tǒng)是世界上最迅猛 的工業(yè)，用戶數(shù)量激增。由于手機用戶激增，使手機通信網(wǎng)絡(luò)處于超負荷運轉(zhuǎn)狀 態(tài)，最終導(dǎo)致手機用戶在打電話時出現(xiàn)掉線，串音，話音質(zhì)量不好，難以上網(wǎng)等 故障現(xiàn)象。為了解決這些故障現(xiàn)象，手機運營商和生產(chǎn)商不斷采取相關(guān)措施來擴 容手機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。于是g s m 一1 8 0 0 m h z 應(yīng)運而生了，也叫做d c s 一1 8 0 0 m h z ，它 的出現(xiàn)使基于g s m d c s 的雙頻網(wǎng)絡(luò)變?yōu)楝F(xiàn)實。d c s 是g s m 的一個延伸，由于增加 了一個新的頻帶，擴展了g s m 的信道資源，加強了在蜂窩產(chǎn)業(yè)的競爭。 使用設(shè)計在g s m 9 0 0 d c s l 8 0 0 的雙頻手機，用戶可以在g s m 9 0 0 和d c s l 8 0 0 之 間自由地切換。雙頻手機可以使手機同時接收g s m 9 0 0 和d c s l 8 0 0 兩個頻段的信 號，從中做出選擇，哪一個頻段信號更強，就選擇哪個頻段的基站信號，如果一 方接不通，可以自由的轉(zhuǎn)到另一個頻段上。在一些手機用戶比較集中的地區(qū)，尤 第1 章緒論 其適合雙頻手機的應(yīng)用。因為可以靈活的在g s m 9 0 0 和d c s l 8 0 0 之間切換，所以可 保持通話暢通和保證通話質(zhì)量。由于手機可以同時工作于兩個不同的網(wǎng)段之中， 因此具有很大的競爭力【。 半導(dǎo)體工藝技術(shù)的進步與移動無線通信的發(fā)展使得系統(tǒng)的小型化、高集成度 和高性能化研究已日益成為當(dāng)前研究的熱點。天線作為無線通信系統(tǒng)中的重要組 成部件之一，其性能的好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)的通信質(zhì)量。無線通信技術(shù)的飛速發(fā) 展對終端天線提出了越來越高的要求，天線的小型化、雙頻及多頻設(shè)計在近幾年 受到特別的關(guān)注【2 ，3 1 。 隨著工作頻率的同益提高，模擬和數(shù)字電路設(shè)計工程師們正在不斷的開發(fā)和 改進電路。用于無線通信的模擬電路工作在吉赫茲波段。計算機的時鐘頻率也在 不斷的提高。全球定位系統(tǒng)載波頻率在1 2 2 7 6 0 m h z 和1 5 7 5 4 2 m h z 范圍。個人通信 系統(tǒng)中用的低噪聲放大器工作在1 9 g h z ，并可安裝在比硬幣還小的電路板上。由 于無線通信的快速發(fā)展，更緊湊的放大器、濾波器、振蕩器和混頻器電路將被設(shè) 計出來。通常它們的工作頻率高于1 g h z ，這使得我們必須專門解決在常用的低頻 系統(tǒng)中沒有遇到過的問題【4 】。 1 2 手機天線以及低噪聲放大器 傳統(tǒng)的手機天線可以根據(jù)天線所處的位置分為外置天線和內(nèi)置天線兩大類。 早期受制造工藝的影響只能采用外置天線，這種天線的優(yōu)點是頻帶范圍寬、接收 信號比較穩(wěn)定、制造簡單、費用相對低：缺點是天線暴露在機體外易損壞、天線 靠近人體時導(dǎo)致性能變壞、不易加諸如反射層和保護層等來減小天線對人體的輻 射傷害、接收和發(fā)送必須使用不同的匹配電路等。隨著制造工藝的改進，內(nèi)置天 線很快被手機制造商所重視，它具有一些非常誘人的優(yōu)點，如可小型化、不易損 壞：而且可以安裝在手機內(nèi)部，加上反射層之后可以減小天線對人體的輻射；在 隔離接收與發(fā)射頻段方面也相當(dāng)簡便，不需要雙工器；若采用e 場和h 場元件分集 技術(shù)，則不必附加獨立的分集天線；設(shè)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(shè)計出雙頻段的內(nèi)置集成微帶天線【5 】。 p i f a 天線自產(chǎn)生以來，一直到今天都一直是內(nèi)置天線的主要形式，因為它尺 手機雙頻p i f a 以及前端電路低噪聲放大器的研制 寸較小，可以充分利用p c b 板作為接地面，并通過接地片將諧振長度縮小為四分之 波長。但是隨著手機小型化和集成度更高的發(fā)展要求，原有p i f a 天線逐漸顯示出 一些對結(jié)構(gòu)方面的嚴格限制。 人們現(xiàn)在對無線通信工具的要求越來越高，功率輻射小、作用距離遠、覆蓋 范圍大已成為各運營商乃至無線通訊設(shè)備制造商的普遍追求，因此，對系統(tǒng)的接 受靈敏度提出了更高的要求。在各種特定的無線通訊系統(tǒng)中，能有效提高靈敏度 的關(guān)鍵因素就是降低接收機的噪聲系數(shù)，而決定接收機的噪聲系數(shù)的關(guān)鍵部件就 是處于接收機最前端的低噪聲放大器( l n a ) 。低噪聲放大器的主要作用是放大 天線從空中接收到的微弱信號，降低噪聲干擾，以供系統(tǒng)解調(diào)出所需的信息數(shù)據(jù)， 所以低噪聲放大器的性能優(yōu)劣對整個通信接收機來說是至關(guān)重要的。 1 3 論文中主要的內(nèi)容和章節(jié)安排 本文通過對大量文獻資料的研究和學(xué)習(xí)，在認真分析和總結(jié)了多種實現(xiàn)移動 天線的小型化、雙頻段方法的基礎(chǔ)上設(shè)計了一款應(yīng)用于g s m d c s 雙頻網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 的移動通信天線。同時設(shè)計實現(xiàn)了一款應(yīng)用于1 8 g h z 的低噪聲放大器。設(shè)計中 均進行了理論分析、提出了設(shè)計方法。在采用仿真軟件優(yōu)化了設(shè)計參數(shù)以滿足技 術(shù)要求之后進行了實際的制作和測試。 論文章節(jié)安排如下： 第1 章作為緒論，主要介紹了論文的研究背景，以及手機天線和低噪聲放大 器的簡介。 第2 章主要介紹微帶天線的基本原理，包括微帶天線的輻射機理和傳輸線分 析方法。 。 第3 章介紹了手機內(nèi)置天線的基本理論，包括電小天線的基本原理和p i f a 天 線的基本結(jié)構(gòu)和分析方法。 第4 章介紹低噪聲放大器的基本理論和設(shè)計方法。 第5 章簡單介紹了h f s s 和a d s 仿真軟件。 第6 章設(shè)計并仿真了一款雙頻p i f a 天線和一款工作在1 8 0 0 m h z 的低噪聲放 大器，最后進行了實際制作和測試，給出了仿真和測試結(jié)果，并進行了分析和比 較。 第2 章微帶天線 第2 章微帶天線 微帶天線的概念早在1 9 5 3 年就已經(jīng)提出來了，但是并未引起重視。真正的發(fā) 展和實用起于上世紀7 0 年代。由于微波集成技術(shù)的發(fā)展以及各種低耗介質(zhì)材料的 出現(xiàn)，微帶天線的制作得到了工藝保證：基于微帶天線的許多優(yōu)點，例如重量輕、 體積小、成本低、平面結(jié)構(gòu)、可以和集成電路兼容等，微帶天線得到了廣泛的研 究和發(fā)展，從而是微帶天線獲得了多種應(yīng)用，并且在微波天線這個廣闊的領(lǐng)域里， 作為一個分立的整體而建立了自己的課題【7 8 】。 2 1 天線的基本原理 2 1 1 天線的基本概念 ( 1 ) 天線的作用 任何無線電通信設(shè)備中，總存在一個向空間輻射電磁能量和從空間接收電磁 能量的裝置，這個裝置就是天線。天線的作用就是將調(diào)制到射頻頻率的數(shù)字信號 或模擬信號發(fā)射到空間無線信道，或從空間無線信道接收調(diào)制在射頻頻率上的數(shù) 字或模擬信號。 ( 2 ) 天線問題 從電磁場理論出發(fā)，天線問題實質(zhì)上就是研究天線所產(chǎn)生的空間電磁場分布， 以及由空間電磁場分布所決定的電特性。空間任何一點的電磁場滿足電磁場方程 麥克斯韋方程及其邊界條件。因此，天線問題是時變電磁場問題的一種特殊 形式。 從信號系統(tǒng)的角度出發(fā)，天線問題可以理解為考察由一個電磁波激勵源產(chǎn)生 的電磁響應(yīng)特性。從通信系統(tǒng)的角度出發(fā)，天線可以理解為信號發(fā)射和接收器， 收發(fā)天線之間的無線電信號強度滿足通道傳輸方程和多徑衰落特性。 ( 3 ) 天線結(jié)構(gòu)的理解 可以把天線看作為不同的模型來理解。典型的模型如開放的電容、開放的傳 輸線、t m m n 波導(dǎo)( 將天線輻射看作是在4 7 【空間管道中傳輸?shù)牟▽?dǎo)，則對應(yīng)的傳 輸波型是t m 型波，但在傳輸過程中不斷遇到波導(dǎo)的不連續(xù)性，因此不斷激勵高 次模) 和由電磁波源和電磁波傳輸介質(zhì)形成電磁波傳輸?shù)臋C構(gòu)。 手機雙頻p i f a 以及前端電路低噪聲放大器的研制 電磁波具有波粒二象性。頻率越低，波動性越強；頻率越高，粒子性越強。 所以光波主要表現(xiàn)出粒子性，而長波表現(xiàn)出波動性。射頻電磁波就是介于這二者 之間的種電磁波，它既有顯著的波動性，又有顯著的粒子性。 2 1 2 電磁場基本方程 ( 1 ) 麥克斯韋方程 v 日：+ a d a ， v e ：一望 岔 ( 電生磁。若電場變化，則磁場隨之變化) ( 磁生電。若磁場變化，則電場隨之變化) v 。b = o( 磁力線是無始無終的封閉閉合曲線) v d = p ( 電力線出發(fā)和終止于自由電荷) ( 2 1 ) 麥克斯韋方程的物理含義：變化的電場可以產(chǎn)生磁場，變化的磁場可以產(chǎn)生 電場，這是電磁波可以脫離輻射體在空間存在的物理基礎(chǔ)。 ( 2 ) 邊界條件 兩種不同媒質(zhì)的分界面，媒質(zhì)參數(shù)會發(fā)生突變，引起某些場分量的不連續(xù)。 電磁場邊界條件是： n x ( h 2 - h ，) = 以 ( 媒質(zhì)分界面處磁場切向不連續(xù)) 玎( 巨- e 。) = 0 ( 媒質(zhì)分界面處切向電場連續(xù)) 甩( 最一召。) = 0 ( 媒質(zhì)分界面處法向磁感應(yīng)強度連續(xù)) 磊( d 2 一d 。) = 反 ( 媒質(zhì)分界面處法向電位移矢量不連續(xù)) ( 2 2 ) 根據(jù)電磁場邊界條件，在媒質(zhì)分界面處電場的切向分量和磁感應(yīng)強度的法向 分量是連續(xù)的。這是非常重要的概念。 2 1 。3 天線的電參數(shù) ( 1 ) 輸入阻抗和帶寬 天線的輸入阻抗即饋電端輸入電壓和輸入電流的比值。輸入到天線的功率被 第2 章微帶天線 輸入阻抗吸收，并被天線轉(zhuǎn)換成輻射功率。 天線的輸入阻抗由兩部分組成，即：乙= r 爿+ 。其中z a 稱為天線的輸入 電阻，。稱為天線的輸入電抗。理想情況下，天線的輸入阻抗是純電阻并等于 饋線的特性阻抗，這時饋線終端沒有功率反射。天線匹配電路的作用就是消除天 線輸入阻抗中的電抗分量，使電阻分量盡可能接近饋線的特性阻抗。描述匹配的 優(yōu)劣常用的參數(shù)是駐波比和回波損耗。 假設(shè)饋線的特性阻抗是z o ，則饋點處的反射系數(shù)由式( 2 3 ) 定義： r = ( 乙一z o ) ( 乙+ z o ) ( 2 3 ) 駐波比定義為： v s w r = ( 1 + l r i ) ( 1 一l r l ) ( 2 4 ) 其值在1 和無窮大之間。完全匹配狀態(tài)下( z a = z 。) ，駐波比為l ；完全失配 狀態(tài)下( 饋線終端短路或開路，z a = o 或無窮大) 駐波比為無窮大。手機天線一 般要求駐波比小于2 5 。 回波損耗( r l ) 定義為： r l = 2 0 1 0 9 ( r ) ( 2 5 ) 它是反射系數(shù)絕對值的倒數(shù)，以分貝值表示?；夭〒p耗值在o d b 到負無窮大 之間，其絕對值越大表示匹配越好。o d b 表示全反射，負無窮大表示完全匹配。 手機天線一般要求回波損耗小于7 d b 左右。 駐波比( v s w r ) 和回波損耗( i u ) 兩個參數(shù)之間有固定的數(shù)值對應(yīng)關(guān)系： 肚2 嘶g ( 黑 眨6 ， 天線的輸入阻抗取決于天線本身的結(jié)構(gòu)、工作頻率并受環(huán)境因素的影響，一 般它只能通過實驗確定。輸入阻抗測試等效于駐波比和回波損耗測試。 在天線諧振頻率附近，可使電氣性能( 回波損耗或駐波比) 滿足使用要求的 頻帶范圍稱為天線的帶寬。 ( 2 ) 方向系數(shù) 手機雙頻p t f a 以及前端電路低噪聲放大器的研制 天線的方向系數(shù)描述電磁能量集中程度以描述方向特性，又稱為方向增益， 最大輻射方向的方向系數(shù)定義如式( 2 7 ) 。 肚再蒜 q 7 ) 其中，f 是場強方向函數(shù)。方向系數(shù)的物理含義是，天線輻射的最大方向上 獲得與該點相同功率所需的點源的總輻射功率與實際天線輻射總功率的比值。 ( 3 ) 增益 增益是指：在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想的輻射單元在空間同 一點處所產(chǎn)生的信號的功率密度之比。它定量地描述一個天線把輸入功率集中輻 射的程度。增益顯然與天線方向圖有密切的關(guān)系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小， 增益越高。可以這樣來理解增益的物理含義為在一定的距離上的某點處產(chǎn)生一定 大小的信號。 如果用理想的無方向性點源作為發(fā)射天線，需要1 0 0 w 的輸入功率，而用增 益為g = 1 3 d b 的某定向天線作為發(fā)射天線時，輸入功率只需1 0 0 2 0 = 5 w 換言之， 某天線的增益，就其最大輻射方向上的輻射效果來說，與無方向性的理想點源相 比，把輸入功率放大的倍數(shù)。半波對稱振子的增益為g = 2 1 5 d b i ；4 個半波對稱振 子沿垂線上下排列，構(gòu)成一個垂直四元陣，其增益約為g = 8 1 5 d b i ( d b i 這個單位 表示比較對象是各向均勻輻射的理想點源) 。如果以半波對稱振子作比較對象，則 增益的單位是d b d 。半波對稱振子的增益為g = 0 d b d ( 因為是自己跟自己比，比 值為1 ，取對數(shù)得零值) ； ( 4 ) 極化方向 指天線發(fā)射的電磁波電場或磁場的振動方向。如果電磁波傳播過程中電場振 動方向始終平行于發(fā)射源的電場方向，則稱為線極化，如果傳播過程中電場矢量 端點的軌跡是一個圓，則稱為圓極化。 2 。2 微帶天線的輻射原理 以矩形微帶天線為例，用傳輸線模分析法介紹它的輻射原理【7 1 。設(shè)輻射元的 長為，寬為w ，介質(zhì)基片的厚度為h ，如圖2 1 ?，F(xiàn)將輻射元、介質(zhì)基片和接地 板視為一段長為l 的微帶傳輸線，在傳輸線的兩端斷開形成開路。根據(jù)微帶傳輸 第2 章微帶天線 線理論，由于基片厚度h 毛，矗為自由空間波長。場沿h 方向均勻分布。在最 簡單的情況下，場沿寬度w 方向也沒有變化，而僅在長度方向( 1 2 2 ) 有變 蓉垃簟舟基鼉菏 矩形微鐐哭線開路端電煬結(jié)構(gòu)場分布鍘視圖等效輻賽中縫驤 圖2 1 矩形微帶天線 f i g 2 1r e c t a n g u l a rm i c r o - s t r i pa n t e n n a 化。在兩開路端的電場均可以分解為相對于接地板的垂直分量和水平分量，兩垂 直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，兩水平分量 電場所產(chǎn)生的遠區(qū)場同相疊加，而兩垂直分量所產(chǎn)生的場反相相消。因此，兩開 路端的水平分量可以等效為無限大平面上同相激勵的兩個縫隙。縫的電場方向與 長邊垂直，并沿長邊1 4 ，均勻分布?？p的寬度為礎(chǔ)嘲，長度為w ，兩縫間距為l 五2 。 這就是說，微帶天線的輻射可以等效為由兩個縫隙所組成的二元陣列。 2 3 微帶天線的分析方法 分析微帶天線的基本理論大致可分為三類【9 】。最早出現(xiàn)的也是最簡單的方法是 傳輸線模型( t l m t r a n s m i s s i o nl i n em o d e l ) 理論，主要用于矩形貼片。更嚴格、 更有用的是空腔模型( c m c a v i t ym o d e l ) 理論，可用于各種規(guī)則形狀的貼片，但 基本上限于天線厚度遠小于波長的情況。最嚴格而計算最復(fù)雜的是積分方程法 ( i e m i n t e g r a le q u a t i o nm e t h o d ) ，即全波( f w f u l lw a v e ) 理論，從原理上說， 積分方程法可用于各種結(jié)構(gòu)、任意厚度的微帶天線，然而要受計算模型精度的限 制。從數(shù)學(xué)處理上看，第一種理論把微帶天線的分析簡化為一維的傳輸線問題， 第二種理論則發(fā)展到二維邊值問題的求解；第三種理論又進了一步，可計入第三 維的變化。本文將給出矩形貼片天線傳輸線模型理論的詳細內(nèi)容【1 0 】。 如圖2 2 ( a ) 所示，矩形微帶天線的貼片尺寸為x 形，基片厚度為h ，h 凡， 手機雙頻p i f a 以及前端電路低噪聲放大器的研制 矗為自由空間波長。該貼片可看作為長三寬w 的一段微帶傳輸線。沿三邊終端處 呈現(xiàn)看路，因而將形成電壓波腹。一般取三以2 ，以為微帶線上波長，于是三 邊另一端也呈現(xiàn)電壓波腹。天線的輻射主要就由貼片與接地板之間的沿礦邊隙縫 形成。于是矩形貼片可表示為相距三的兩條縫隙】。等效電路如圖2 2 ( b ) 。設(shè)縫 隙上電壓為u ，縫的切向電場沿x 軸均勻分布，e x = u h ，沿z 方向的磁流密 度。 j m = u h ( 2 8 ) 考慮到理想接地板上磁流的鏡像，縫隙的等效磁流密度要乘2 ，故方向z 等 效磁流為。 i m = 2 j m h = 2 u ( 2 9 ) 再設(shè)磁流沿z 方向也均勻分布，并注意到h 眾，則單縫輻射的遠區(qū)場為。 e礦一2咖石e-jet專in(-譬 8 i 們 2 _ o sc o s 臼1 其中，( 0 ，緲) 為場點球坐標(biāo)，0 是從z 軸算起的極角，礦是從x 軸算起的 方位角。對于間距為l 的兩個縫隙組成的二元陣，因其間距i = l 2 ，又同相激勵， 并注意到在圖所示坐標(biāo)系下兩陣元間相移為k s i n 0 c o s o ，故當(dāng)0 = r t 2 時，其e 面 輻射方向性函數(shù)為 辱( 緲) ：c 。s ( 嬰c 。s ) ( 2 1 1 ) 坡印亭矢量的實部對半空間積分可得輻射功率。當(dāng)h 凡時，輻射功率為 p ：黑 (212)240 1 7 r 2 第2 章微帶天線 厶= h 半卜強俐秒 t 礦 圖2 2 矩形微帶天線及其主面方向圖 f i g 2 2r e c t a n g u l a rm i c r o s t r i pa n t e n n aa n dm a i np a t t e r n 輻射電阻足為 當(dāng) 恥丟= 半 w 矗，r ，= 9 0 2 0 2 w 2 w 凡，r ，= 1 2 0 2 0 w 對后者，縫隙的單位長度的輻射電阻為 r r = 1 2 0 & q 朋 它是下面完整的表示式的簡化式( 當(dāng)h 很小時) 1 0 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 手機雙頻p i f a 以及前端電路低噪聲放大器的研制 通過距離厶和厶換算后可得饋電點的輸入導(dǎo)納為 x ：y o i 壘型墅盟咝+ 坐笙生絲叢l ( 2 1 7 )1 l - z 。c o s f l 1 + j z 。s i n 厶z 。c o s f l l 2 + 尼。s i n 厶j 其中，z w = 1 匕；z o 是微帶線的特性阻抗。 導(dǎo)納e + 由下式給出 e = 甌+ 成 ( 2 1 8 ) 甌= o 0 0 8 3 6 w 凡 ( 2 1 9 ) 玩：o 0 0 1 6 6 8a z iw 。乞 ( 2 2 0 ) 歸化線伸長的表示式 型：0 4 1 2 ( c e + 0 3 ) ( w h + 0 2 6 4 ) ( 2 2 1 ) h ( 幺一0 2 5 8 ) ( w h + 0 8 ) 鼽乞= 孚十字 + 釘他。 在同軸線端口處，探針可用個集總感抗來表示 五萬3 7 7 鋤i - 百2 n - h l 旺2 2 ， “s r、 因此，輸入阻抗為 乙= z 1 + j x l ( 2 2 3 ) 只有填充均勻媒質(zhì)的傳輸線才能傳輸單一的純橫向場t e m 模。由于空氣一介 質(zhì)分界面的存在，微帶線的場空闖由兩個不同介電常數(shù)的區(qū)域構(gòu)成，微帶中的傳 輸模是具有電場和磁場所有三個分量( 包括縱向分量) 的混合模，因此不能傳輸單一 的橫電磁波一t e m 模。不過，在頻率不太高的情況下( 如1 2 g h z 以下) ，當(dāng)滿足基片 厚度遠小于工作波長時，能量大部分都集中在導(dǎo)體帶下面的介質(zhì)基片內(nèi)，且此區(qū) 域的縱向場分量很弱，因此沿微帶傳輸?shù)闹髂Ｅct e m 模分布非常接近，此時傳播 的是準(zhǔn)t e m 模，相應(yīng)的模型就是傳輸線模型。 傳輸線分析方法簡明、直觀性強，計算量也小，但難于應(yīng)用在矩形微帶天線 第2 章微帶天線 及微帶振子以外的情況。 手機雙頻p i f a 以及前端電路低噪聲放人器的研制 3 1 電小天線原理和分析 第3 章內(nèi)置天線 3 1 1 電小天線的概念 電小天線就是指最大幾何尺寸遠遠小于波長( 0 1 彳以下量級) 的天線。所有 手機內(nèi)置天線都是電小天線。 當(dāng)天線的尺寸與波長相比很小時，其實質(zhì)就是一個帶有少量輻射的電感器或 電容器。它仍然是整個天線系統(tǒng)的一個分支，與一般大天線相比并無本質(zhì)差別， 只是其電尺寸小，所以有特別需要注意的一些方面【1 1 1 。 3 1 2 電小天線的特點 ( 1 ) 方向性 電流元或磁流元的方向圖都呈蘋果狀8 字型，方向系數(shù)為1 5 。而電小天線的 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 t 12 1 。 ( 2 ) 輻射效率 輻射效率的定義是： 璣= i r 瓦, r ( 3 1 ) 寸-jr 其中瓜是輻射電阻，尺，是損耗電阻。在損耗電阻中包括天線自身的歐姆損耗 還包括饋線和匹配網(wǎng)絡(luò)中的損耗電阻，即 r l = r l l + r l 2 ( 3 2 ) l山j(luò) 其中r l 。是天線上的損耗電阻，r ：是饋線和匹配網(wǎng)絡(luò)中的損耗電阻。 一般來說在提到天線效率時并不考慮r l ：，但由于小天線和匹配電路密切相 關(guān)，比如一個小的電容性天線，由于天線輸入容抗很高，電阻很小，如果要求此 天線和發(fā)射機匹配，則在匹配電路中必然要求引入一個串連的大電感使之調(diào)諧， 并通過變換將低阻值變換為所需的電阻值。這是匹配電路必然帶來可觀的損耗， 第3 章內(nèi)置天線 所以考慮電小天線的效率必須將尺。計入，以便于對比各種電小天線的性能【1 3 1 。 由于電小天線電尺寸很小，因此其輻射電阻將降低，假定天線本身不存在損 耗，盡管其輻射電阻降低，總可以通過適當(dāng)辦法消除天線的輸入電抗成分，并變 換其電阻為適當(dāng)?shù)臄?shù)值使其與發(fā)射機或接收機匹配，從而有效完成能量轉(zhuǎn)換功能。 但遺憾的是，不僅天線本身存在熱損耗，而且匹配電路也會引入損耗。當(dāng)天線的 輻射電阻很低時，這些損耗就會更加突出，從而降低了天線的輻射效率，因此對 小天線來說，輻射效率低是其突出的問題。 ( 3 ) 增益 根據(jù)天線增益公式： g = r a d ( 3 3 ) 要提高增益則應(yīng)設(shè)法提高輻射效率璣和方向系數(shù)d ，但對電小天線來說，由 于d 1 5 ，所以提高增益的途徑，主要依賴于提高天線的輻射效率璣。 同時由此也可以看出，在電小天線中，提高增益和提高輻射效率是等效的。 在手機天線中，有時也使用總輻射功率( t r p ) 的概念，即天線的總輻射功率， 可以通過天線在空間各方向上的增益求積分得到。電小天線中的增益( g ) 、輻 射效率( r a ) 和總輻射功率( t r p ) 是三個相互關(guān)聯(lián)的概念，當(dāng)其中一個性能得 到改善時，另外兩個性能也隨之改善。 ( 4 ) 輸入阻抗 電小天線的尺。通常很低，它由天線的輻射和天線的損耗兩方面的因素形成。 ( 5 ) 工作帶寬 由于電小天線方向性在工作頻段內(nèi)類似電流元特性，在整個波段變化不顯著， 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。手機天 線一般要求阻抗帶寬在v s w r 2 5 附近。 既然小天線相當(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)計小天線中應(yīng)當(dāng)重視的問趔1 4 1 。 手機雙頻p i f a 以及前端電路低噪聲放大器的研制 3 2 手機p i f 天線的分析 多年來，太多數(shù)手機天線都一直在沿用一種傳統(tǒng)的p i f a 天線設(shè)計方案5 l 。 目前市面上可以看到的手機內(nèi)置天線，有6 0 - - 8 0 都是采用這種天線設(shè)計。所咀， 這一講主要介紹這種天線的輻射原理和輻射特性。 32 1p i f 天線的基本結(jié)構(gòu) p i f a 天線的英文全名是“p l a n a r i n v e r t e df - s h a p e d a n t e n n a ，即“平而倒f 型天 線”【l q 。由于整個天線的形狀像個倒寫的英文字母f ，故得名。其基本結(jié)構(gòu)是采用 一個平面輻射單元作為輻射體，并以一個大的地面作為反射面，輻射體上有兩個 互相靠近的p i n 腳，分別用于接地和作為饋點。 接地板 圖31p i f a 天線示意圖 f i g31p i f aa n t e n n a p i f a 天線最韌來源于i f a 天線，即倒f 型線天線。但是線性i f a 天線是一種 小尺寸天線，當(dāng)輻射單元僅采用頂部的一個金屬導(dǎo)線時輻射效果并不理想( 輻射 電阻小) ，所以根據(jù)前面我們曾介紹過的，為增大輻射電阻和提高輻射效率而采用 頂部加載的技術(shù)，將頂部的輻射線用輻射平面替代從而形成平面輻射單元。 另一方面，當(dāng)接地線和饋電線僅僅為一條細線時，其等效的射頻分布電感較 大，而引線上的分布電容較小，這就意味著天線具有較高的q 值和較窄的頻帶。 第3 章內(nèi)置天線 根據(jù)電小天線q 值和帶寬的關(guān)系，增大帶寬的途徑就是降低q 值，因此將接地線 和饋電線用具有一定寬度的金屬片取代可以增大分布電容和減小分布電感，從而 增大天線帶寬。這樣就形成了p i f a 天線。 圖3 2 單極天線示意圖 f i g 3 2m o n o p o l ea n t e n n a 3 2 2pif a 天線的近似 ( 1 ) p i f a 天線的傳輸線近似 l 1l 2 l 1 l 2 圖3 3p i f a 天線的傳輸線模型 f i g 3 3t h et r a n s m i s s i o nm o d e lo f p i f aa n t e n n a p i f a 天線的傳輸線近似模型如圖3 3 所利1 8 】。在忽略接地片和饋線的分布效 應(yīng)，p i f a 天線等效于兩段長度分別為，。和，：的傳輸線相并聯(lián)。其中厶表示饋線與 手機雙頻p i f a 以及前端電路低噪聲放大器的研制 接地片之間的電長度，厶表示饋線與開路端的電長度。 考慮饋線和接地片的分布參數(shù)效應(yīng)，p i f a 天線的傳輸線近似模型如圖3 3 所 示，其中飚表示接地片的寄生電阻，l s 表示接地片的分布電感。r ，和c r 表示 開路端的寄生電阻和電容【1 9 】。 ( 2 ) p i f a 天線的接地單極子近似 從某種程度上，p i f a 天線又類似于接地單極子天線，這是因為它也是一種放 置在地面上方包含接地片的一種諧振式天線。由于接地線的作用，p i f a 天線的諧 振長度從五2 縮短為2 4 ，這是p i f a 天線可以縮小物理尺寸的首要原理【2 0 1 。 ( 3 ) p i f a 天線的微帶天線近似 p i f a 天線在某種意義上也可以當(dāng)做微帶天線看待，這時輻射單元和接地面之 間就是采用s ，= 1 的空氣介質(zhì)填充。 圖3 4p i f a 天線輻射場 f i g 3 4t h er a d i a t ef i e l do fp i f aa n t e n n a 因此，p i f a 天線中的電場主要集中在導(dǎo)體邊緣，p i f a 天線輻射場是邊緣輻 射場，這一點與微帶天線類似。因此采用與微帶天線類似的分析法可以對p i f a 天線進行某些特性分析。 3 2 3plf a 天線的特性 根據(jù)以上各種近似模型，已有不少文獻中對p i f a 天線進行近似分析，并得 到很多有指導(dǎo)意義的結(jié)論。假設(shè)分析采用的p i f a 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3 5 所示，則 第3 章內(nèi)置天線 以下將總結(jié)相關(guān)結(jié)論。 ( 1 ) p i f a 天線( 矩形輻射體) 的近似諧振頻率： c o 2 f 忑i 歷 其中c 為真空光速。 上式也表明：矩形輻射體p i f a 天線長邊和寬邊之和近似等于2 4 。 ( 2 ) 輻射體和接地面之間的高度h 對天線的工作帶寬產(chǎn)生嚴重影響， 著h 的增加而增加。p i f a 天線中對帶寬起決定作用的結(jié)構(gòu)參數(shù)就是h 。 機天線中h 不允許低于7 m m ，最好大于8 m m ，不要低于6 m m 。 圖3 5p i f a 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)圖 f i g 3 5t h es t r u c t u r eo f p i f aa n t e n n a ( 3 4 ) 帶寬隨 一般手 ( 3 ) 接地片的寬度w 也對帶寬產(chǎn)生影響。增加接地片的寬度將增加帶寬，降 低接地片的寬度將降低帶寬。 ( 4 ) 變饋點的位置可以改變輸入阻抗，因此可以通過改變饋點的位置實現(xiàn)頻率 調(diào)諧。但是這種方法往往比較難于實現(xiàn)。 手機雙頻p i f a 以及前端電路低噪聲放大器的研制 ( 5 ) p i f a 天線僅在半空間輻射，因此具有很高的前后比( 6 - 8 d b ) ，比外置天 線有較好的s a r ( s a r 的意義為單位質(zhì)量的人體組織所吸收或消耗的電磁功率， 單位為w l ( g ) 值。 3 2 4 接地面尺寸對天線性能的影響 許多研究表明，p i f a 天線接地面的大小會影響天線的帶寬。最優(yōu)接地面尺寸 受p i f a 天線輻射體尺寸的影響。在手機設(shè)計中，g s m 頻段最優(yōu)接地面的大小大 致為4 0 x 1 2 0 m m ，d c s 頻段最優(yōu)接地面大小大致為4 0 x 8 0 m m ，c d m a 頻段最優(yōu) 接地面尺寸大致為4 0 x 1 3 0 r a m 。如接地面的尺寸稍稍偏離最優(yōu)尺寸，則會使帶寬 略有下降。手機板因受用戶使用要求的限制，p c b 長度和接地面尺寸多在 9 0 1 0 5 m m 附近，其中也已經(jīng)綜合考慮了p c b 對天線性能的影響因素。 3 2 5 短路片和基片之間的位置關(guān)系對天線性能的影響 短路片和接地片結(jié)合在一起可以看做雙線傳輸線。忽略其分布電阻和電導(dǎo)， 其分布電感和分布電容可以表示為： l = ( 缸n ) c o s h 叫( d 2 a ) ( 3 5 ) c = ( h ：r e ) c o s h q ( d 2 a ) ( 3 6 ) 式中，h 為輻射單元和接地面之間的高度，d 為接地片和饋電線中心的距離； 2 a 為接地線和饋線的寬度。從上面兩式可以得出以下結(jié)論： 增加短路片和饋線的間距，l 將增大，c 將減??； ( 1 ) 增加輻射單元和地面之間的高度，l 和c 都將增加； ( 2 ) 依賴于l 和c 的最終結(jié)果，電抗可能為容性或感性； ( 3 ) 如果最后獲得的電抗呈感性，天線的諧振頻率將降低；如果最后獲得的電 抗呈容性，則最后的諧振頻率將增加。 3 2 。6 多頻段的實現(xiàn) 為適應(yīng)手機多頻段工作，需要內(nèi)置天線實現(xiàn)多頻段工作。p i f a 天線實現(xiàn)多頻 段工作，可以通過使用雙饋點，或通過在p i f a 天線上采用開槽的技術(shù)來實現(xiàn)。 使用雙饋點時調(diào)諧頻率調(diào)諧范圍往往受到一定的限制，因此實際手機中的多頻段 多采用開槽的方式實現(xiàn)多頻工作。此處我們以p i f a 天線中通常使用的l 型開槽 第3 章內(nèi)置天線 為例進行分析。 l 型開槽的p i f a 天線輻射單元如圖3 6 所示。通過開槽，在高頻和低頻下， p i f a 天線可以形成兩個相對獨立的電流回路，這就是開槽的p i f a 天線實現(xiàn)雙頻 工作的基本原理。在l 型開槽下，較低工作頻段的諧振頻率的波長大致可以認為 是輻射片長和寬之和的四倍。但這不具有嚴格的意義。比如手機實際設(shè)計的預(yù)留 尺寸不能根據(jù)上述經(jīng)驗嚴格計算出諧振在8 8 0 9 6 0 m h z 之間。而較高的工作頻率 由于受多個因素的控制，因此不能用封閉公式表示。影響較高的諧振頻率的因素 主要有： 圖3 6p i f a 天線結(jié)構(gòu)圖 f i g 3 6p i f aa n t e n n as t r u c t u r e w l ：兩輻射片之間的縫寬l ； w 2 - 兩輻射片之間的縫寬2 ； l 2 - 縫隙長度1 ； l 3 ：縫隙長度2 。 手機雙頻p i f a 以及前端電路低噪聲放大器的研制 表3 1l 型開槽參數(shù)對p i f a 天線性能的影響 t a b 3 1t h ee f f e