電連天線理論知識

ProvidePrecisionConnectorsandSolutionsforGlobalCustomers天線基礎知識為全球客戶提供精密連接器及解決方案電連精密技術(shù)有限公司

ElectricConnectorTechnologyCo.,Ltd.http://

無線電波是一種能量傳輸形式，在傳播過程中，電場和磁場在空間是相互垂直的，同時這兩者又都垂直于傳播方向。天線是一種特殊的電路,是無線電波的發(fā)射與接收一種金屬裝置，簡單一點說就是桿與線的排列?；竟δ埽狠椛浜徒邮諢o線電波發(fā)射時——把高頻電流轉(zhuǎn)換成電磁波接收時——把電磁波轉(zhuǎn)換成高頻電流天線具有互逆性，同一個天線即起著發(fā)射天線的作用，又起到接收天線的作用，這也就是天線的互易定理。

天線的作用

將傳輸線中的高頻電磁能轉(zhuǎn)為自由空間的電磁波

將自由空間中的電磁波轉(zhuǎn)化為傳輸線中的高頻電磁能無線電發(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。電磁波到達接收地點后，由天線接下來（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。

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。

同一副天線既可以輻射又可以接收無線電波

描述天線電性能的主要電參數(shù)有：方向圖、增益、輸入阻抗、效率和頻帶寬度等。天線的類型天線的用途很廣泛，只要利用電磁波來傳遞信息的地方都要用到天線，如廣播、電視、遙感玩具、手機通信、無線上網(wǎng)、物流快遞跟蹤服務、電子對抗等等。

對于眾多品種的天線，進行適當?shù)姆诸愂潜匾模喊从猛痉诸悾和ㄐ盘炀€、電視天線、雷達天線等；按工作頻段分類：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，鞭狀天線、平板天線、帽形天線等按極化方式來分：垂直極化天線也叫單極化天線、交叉極化天線也叫雙極化天線，上述兩種極化方式都為線極化方式，還有圓極化和橢圓極化天線電波傳播

無線電波和光波一樣，它的傳播速度和傳播媒質(zhì)有關。無線電波在真空中的傳播速度等于光速。我們用Ｃ＝３億米／秒表示。在媒質(zhì)中的傳播速度為：Ｖε＝Ｃ/√ε，式中ε為傳播媒質(zhì)的相對介電常數(shù)。空氣的相對介電常數(shù)與真空的相對介電常數(shù)很接近，略大于１。電磁波與波長的關系：C=λ×f,其中C為光速，λ為波長，f為頻率。電場電場電場振子電波傳輸方向磁場磁場

直視距離和發(fā)射天線以及接收天線的高度有關系，并受到地球曲率半徑的影響。由簡單的幾何關系式可知AB＝3.57(√HT+√HR)(公里)，由于大氣層對超短波的折射作用，有效傳播直視距離為AB＝4.12(√HT+√HR)(公里)。BARTRRO'接收天線高HR發(fā)射天線高HT電波除了直接傳播外，遇到障礙物，例如，山丘、森林、地面或樓房等高大建筑物，還會產(chǎn)生反射。因此，到達接收天線的超短波不僅有直射波，還有反射波，這種現(xiàn)象就叫多徑傳輸。由于多途徑傳播使得信號場強分布相當復雜，波動很大；也由于多徑傳輸?shù)挠绊?，會使電波的極化方向發(fā)生變化，因此，有的地方信號場強增強，有的地方信號場強減弱。另外，不同的障礙物對電波的反射能力也不同。例如：鋼筋水泥建筑物對超短波的反射能力比磚墻強。我們應盡量避免多徑傳輸效應的影響。同時可采取空間分集或極化分集的措施加以對應。移動通信天線的極化方式有單極化天線、雙極化天線兩種，其本質(zhì)都是線極化方式，雙極化天線利用極化分集來減少移動通信系統(tǒng)中多徑衰落的影響，提高基站接收信號質(zhì)量的，通常有0°/90°、±45°兩種對于GSM頻段水平極化波的傳播效果不如垂直極化，因此目前很少采用0°/90°的交叉極化天線雙極化天線兩個天線為一個整體傳輸兩個獨立的波，兩個單極化天線安裝在一起組成一付雙極化天線，注意，雙極化天線有兩個接頭，雙極化天線輻射（或接收）兩個極化在空間相互正交（垂直）的波。雙極化和單極化對比垂直單極化天線與雙極化天線：從發(fā)射的角度來看，由于垂直于地面的手機更容易與垂直極化信號匹配，因此垂直單極化天線會比其他非垂直極化天線的覆蓋效果要好一些，特別是在開闊的山區(qū)和平原農(nóng)村就更明顯。實驗證明在開闊地區(qū)的山區(qū)或平原農(nóng)村，這種天線的覆蓋效果比雙極化±45°天線更好，但在市區(qū)由于建筑物林立，建筑物內(nèi)外的金屬體很容易使極化發(fā)生旋轉(zhuǎn)，因此無論是單極化還是±45°雙極化天線在覆蓋能力上沒有多大區(qū)別。從接收的角度來看，由于單極化天線要用兩根天線才能實現(xiàn)分集接收，而雙極化天線只要一根就可以實現(xiàn)分集接收，因此單極化天線需要更多的安裝空間，且在以后的維護工作方面要比雙極化天線要大，至于空間分集與極化分集增益差別不大，一般空間分集增益在3.5dB左右。從天線尺寸方面來說由于雙極化天線中不同極化方向的振子即使交疊在一起也可保證有足夠的隔離度，因此雙極化天線的尺寸不會比單極化天線更大極化損失

如果電波在傳播過程中電場的方向是旋轉(zhuǎn)的，就叫作橢圓極化波。旋轉(zhuǎn)過程中，如果電場的幅度，即大小保持不變，我們就叫它為圓極化波。向傳播方向看去順時針方向旋轉(zhuǎn)的叫右旋圓極化波，反時針方向旋轉(zhuǎn)的叫做左旋圓極化波。垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線來接收；水平極化波要用具有水平極化特性的天線來接收；右旋圓極化波要用具有右旋圓極化特性的天線來接收；而左旋圓極化波要用具有左旋圓極化特性的天線來接收。當來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時，在接收過程中通常都要產(chǎn)生極化損失，例如：當用圓極化天線接收任一線極化波，或用線極化天線接收任一圓極化波時，都要產(chǎn)生３分貝的極化損失，即只能接收到來波的一半能量。

當來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時，在接收過程中通常都要產(chǎn)生極化損失，例如：當用圓極化天線接收任一線極化波，或用線極化天線接收任一圓極化波時，都要產(chǎn)生３分貝的極化損失，即只能接收到來波的一半能量；當接收天線的極化方向（例如水平或右旋圓極化）與來波的極化方向（相應為垂直或左旋圓極化）完全正交時，接收天線也就完全接收不到來波的能量，這時稱來波與接收天線極化是隔離的。隔離代表饋送到一種極化的信號在另外一種極化中出現(xiàn)的比例

。天線輻射電磁波的基本原理

導線載有交變電流時，就可以形成電磁波的輻射，輻射的能力與導線的長短和形狀有關.如果導線位置如由于兩導線的距離很近，且兩導線所產(chǎn)生的感應電動勢幾乎可以抵消，因而輻射很微弱。如果將兩導線張開，這時由于兩導線的電流方向相同，由兩導線所產(chǎn)生的感應電動勢方向相同，因而輻射較強。當導線的長度ｌ遠小于波長時，導線的電流很小，輻射很微弱.當導線的長度增大到可與波長相比擬時，導線上的電流就大大增加，因而就能形成較強的輻射。通常將上述能產(chǎn)生顯著輻射的直導線稱為振子。

同軸線變化為天線

兩臂長度相等的振子叫做對稱振子。每臂長度為四分之一波長。全長與波長相等的振子，稱為全波對稱振子。將振子折合起來的，稱為折合振子。一個1/2波長的對稱振子

在

800MHz約200mm長

400MHz約400mm長1/2波長1/4波長1/4波長1/2波長振子波長半波振子上的場分布天線方向圖天線的方向性是指天線向一定方向輻射電磁波的能力。對于接收天線而言，方向性表示天線對不同方向傳來的電波所具有的接收能力。方向圖可用來說明天線在空間各個方向上所具有的發(fā)射或接收電磁波的能力。天線方向圖是空間立體圖形，但是通常用兩個互相垂直的主平面內(nèi)的方向圖來表示，稱為平面方向圖；一般叫作垂直方向圖和水平方向圖水平方向圖有全向天線與定向天線之分，而定向天線的水平方向圖的形狀也有很多種，如心型、8字形等天線具有方向性本質(zhì)上是通過振子的排列以及各振子饋電相位的變化來獲得的，在原理上與光的干涉效應十分相似。因此會在某些方向上能量得到增強，而某些方向上能量被減弱，即形成一個個波瓣或波束和零點。能量最強的波瓣叫主瓣，上下次強的波瓣叫第一旁瓣，依次類推。對于定向天線，還存在后瓣。全向天線方向圖在振子的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

定向天線的水平及垂直方向圖頂視在地平面上，為了把信號集中到所需要的地方，要求把“面包圈”壓成扁平的

一個單一的對稱振子具有“面包圈”形的方向圖全視側(cè)視方向圖旁瓣顯示上旁瓣抑制下旁瓣抑制波束寬度在方向圖中通常都有兩個瓣或多個瓣，其中最大的瓣稱為主瓣，其余的瓣稱為副瓣。主瓣兩半功率點間的夾角定義為天線方向圖的波瓣寬度。稱為半功率（角）瓣寬。主瓣瓣寬越窄，則方向性越好，抗干擾能力越強?！こ躺弦话阌?dB波瓣寬度。方位即水平面方向圖120°(eg)峰值-10dB點-10dB點10dB波束寬度60°(eg)峰值-3dB點-3dB點3dB波束寬度15°(eg)峰值-3dB點-3dB點32°(eg)峰值-10dB點-10dB點俯仰面即垂直面方向圖在“扇形覆蓋天線”中，反射面把功率聚焦到一個方向進一步提高了增益。這里,“扇形覆蓋天線”與單個對稱振子相比的增益為10log(8mW/1mW)=9dBd“扇形覆蓋天線”

將在接收機中有8mW功率

“全向陣”

例如在接收機中為4mW功率

(頂視)天線形成定向輻射的原理

反射面放在陣列的一邊構(gòu)成扇形覆蓋天線

前后抑制比方向圖中，前后瓣最大電平之比稱為前后比。前后比大，天線定向接收性能就好?；景氩ㄕ褡犹炀€的前后比為１，所以對來自振子前后的相同信號電波具有相同的接收能力。一般天線的前后比在18~45dB之間，對于密集市區(qū)要積極采用前后比抑制大的天線前向功率后向功率以dB表示的前后比=10log 典型值為25dB左右目的是有一個盡可能小的反向功率(前向功率)(反向功率)零點填充和上副瓣抑制旁瓣抑制與零點填充

（ElevationUpperSidelobes&NullFill）基站的服務對象是地面上的移動電話用戶，指向天空的輻射是毫無意義的。

低上部旁瓣波形

來自鄰近蜂窩單元的干擾信號蜂窩單元內(nèi)的手提電話信號

低上旁瓣能減少干擾

增益是指在輸入功率相等的條件下，實際天線在最大輻射方向與理想的輻射單元在空間同一點處所產(chǎn)生的場強的平方之比，即功率之比。增益一般與天線方向圖有關，方向圖主瓣越窄，后瓣、副瓣越小，增益越高。全向天線增益與垂直波瓣寬度一個單一對稱振子dipole具有面包圈形的方向圖輻射

一個各向同性isotropic的輻射器在所有方向具有相同的輻射一個天線與對稱振子相比較的增益用“dBd”表示一個天線與各向同性輻射器相比較的增益用“dBi”表示例如:3dBd=5.15dBidBd

和dBi的區(qū)別2.15dB對稱振子的增益為2.15dBi若ZA

表示天線的輸入阻抗，Z0

為天線的標稱特性阻抗，則天線的反射系數(shù)為，。也可以用回波損耗表示端口的匹配特性，。VSWR=1.5:1時，R.L.=13.98dB。9.5W80

ohms50ohms朝前:10W返回:0.5W天線駐波比

在不匹配的情況下,饋線上同時存在入射波和反射波。兩者疊加，在入射波和反射波相位相同的地方振幅相加最大，形成波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方振幅相減為最小，形成波節(jié)。其它各點的振幅則介于波幅與波節(jié)之間。這種合成波稱為駐波。反射波和入射波幅度之比叫作反射系數(shù)。

反射波幅度（ＺL－Ｚ。）反射系數(shù)Γ＝─────＝───────

入射波幅度（ＺL＋Ｚ。）駐波波腹電壓與波節(jié)電壓幅度之比稱為駐波系數(shù)，也叫電壓駐波比(VSWR)

駐波波腹電壓幅度最大值Ｖmax（1+Γ）駐波系數(shù)Ｓ＝──────────────＝────

駐波波節(jié)電壓輻度最小值Ｖmin（1-Γ）終端負載阻抗和特性阻抗越接近，反射系數(shù)越小，駐波系數(shù)越接近于１，匹配也就越好。饋線和天線的電壓駐波比駐波比、反射損耗和反射系數(shù)

手機天線頻段NFC：13.56MHz，頻偏+/-7KHz，帶寬1.921MHz藍牙：2400-2480MHzWIFI：2400-2480MHz/5150-5875MHzGPS：1170-1600MHz（L1-L5）；北斗：1166-1592MHz（B1/B2/B3）Glonass：1190-1610MHz移動電視(CMMB):474MHz-794MHz收音機：76MHz-108MHz手機天線頻段手機天線頻段手機天線頻段手機天線頻段手機天線結(jié)構(gòu)上的幾種基本形式ⅢⅠⅡPIFA天線IFA天線monopole天線單饋電接觸方式monopole天線雙饋角接入方式PIFA天線IFA天線手機天線的幾種工藝介紹

鋼片工藝天線優(yōu)缺點優(yōu)點：成本低模具簡單缺點：設計線路中限制因素較多易變形觸角接觸容易不良鋼片天線采用沖壓成行，在表面打孔，依靠支架或者后殼熱熔柱固定。一般功能機采用較多，智能機基本沒有鋼片天線。

FPC工藝天線優(yōu)缺點優(yōu)點：設計方面能有效的利用天線有利空間一致性較好電性能好缺點：部分邊緣幅面有起翹貼歪褶皺問題成本較鋼片略高一般貼在支架或者后殼上，采用頂針或者彈角接觸，觸角一般要求鍍金，保證接觸良好。智能機普遍采用。

PCB工藝天線優(yōu)缺點優(yōu)點：設計方面強度好，不容易損壞，一般用在機頂盒、路由器、POS機、筆記本等2.4Gwifi天線領域一致性較好、不容易起翹相對FPC和鋼片來說，容易裝配，制作工藝比鋼片簡單缺點：PCB只適合平面區(qū)域PCB一般需要配套同軸線，成本較鋼片高

膠棒工藝天線優(yōu)缺點優(yōu)點：設計方面受機器干擾小、信號強度好，效率高、天線全向性好，一般用在路由器、機頂盒、對講機領域一致性較好、不存在起翹問題缺點：不美觀成本貴

LDS工藝天線優(yōu)缺點優(yōu)點：3D

圖案成型的設計適應性最大程度地利用天線有利空間一致性高缺點：需要特殊材料打樣周期較長成本較FPC略高需要采用特殊的材質(zhì)殼料，天線經(jīng)過鐳雕化鍍成形。高端智能機，4G手機采用較多。多頻段及惡劣環(huán)境采首選。天線調(diào)試過程量產(chǎn)評估：在機器未投模之前（或者已經(jīng)投模未調(diào)試），客戶給初步成型圖紙評估，（注意圖紙要整機圖，需要整機工藝）一般我公司根據(jù)情況適當建議客戶做一些有利于天線方面的環(huán)境改善。評估分RF評估和結(jié)構(gòu)評估兩部分，分別確認電性能和結(jié)構(gòu)可行性。無源調(diào)試：