《電磁波與天線仿真與實(shí)踐》課件-電波與天線知識(shí)點(diǎn)23 天線在移動(dòng)通信中的應(yīng)用

譚立容電話858422751號(hào)實(shí)訓(xùn)樓B511電子信息學(xué)院南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院天線在移動(dòng)通信中的應(yīng)用移動(dòng)通信基站天線基站天線的特點(diǎn)和要求移動(dòng)通信系統(tǒng)中的移動(dòng)用戶，無(wú)論是手持機(jī)還是車載臺(tái)，它們的天線都受使用條件的限制，只能使用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，小型輕便的天線；而基站的位置是固定的，服務(wù)對(duì)象數(shù)量眾多，為它配置的天線應(yīng)具有高性能并滿足下述要求:

（1）考慮到地球的曲率和地物的阻擋作用，基站天線必須架設(shè)在離地很高處，如建筑物頂上或?qū)Ｓ玫男¤F塔上。為了使用戶在移動(dòng)狀態(tài)下使用方便，天線應(yīng)采用垂直極化形式。（2）為了保證基站與業(yè)務(wù)區(qū)域內(nèi)的移動(dòng)用戶之間的通信，在業(yè)務(wù)區(qū)域內(nèi)，無(wú)線電波的能量必須均勻輻射。根據(jù)系統(tǒng)組網(wǎng)方式的不同，基站天線的方向性分為兩類：一類基站位于小區(qū)中心，其用戶分布于基站四周地面上，此時(shí)要求天線在水平面內(nèi)為全方向性；另一類基站位于小區(qū)的頂點(diǎn)或一側(cè)，其用戶分布于一定張角（常用的為120°和60°）的區(qū)域內(nèi)，要求天線在水平面內(nèi)為具有扇形方向圖的弱定向輻射。（3）要求基站天線的增益應(yīng)盡可能高，由于業(yè)務(wù)區(qū)域已經(jīng)確定了，要求天線的方向性在水平面內(nèi)為全向或弱定向。為節(jié)省發(fā)射機(jī)功率，不能通過增加水平面的波束寬度來(lái)提高天線的增益，只能通過壓縮垂直面方向圖的波束寬度來(lái)提高天線增益。例如：使全向天線具有如圖5-28所示的方向圖。其中圖（a）為垂直面方向圖，圖（b）為水平面方向圖。圖5-28全向天線的方向圖(a)垂直面方向圖；(b)水平面方向圖（4）為了保證基站天線能同時(shí)同許多移動(dòng)站進(jìn)行通信，必須采用多信道。這就要求天線具有寬帶特性和分路及（或）合成信道功能。當(dāng)發(fā)射和接收共用一副天線時(shí)，對(duì)900MHz蜂窩系統(tǒng)天線的相對(duì)帶寬要求大于7%。如果幾個(gè)系統(tǒng)（即模擬陸地移動(dòng)電話和數(shù)字移動(dòng)電話）共用一副天線，就需要更寬的天線頻帶寬度。按照無(wú)線電規(guī)則的安排，900MHz陸地移動(dòng)通信的頻帶范圍為810～960MHz。為了用一副天線覆蓋整個(gè)頻帶，就需要17%的相對(duì)帶寬。當(dāng)天線既發(fā)射又接收時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生無(wú)源交調(diào)，從而增加干擾，因此還應(yīng)采用無(wú)源交調(diào)的抑制技術(shù)?；靖咴鲆嫒蛱炀€

1．并饋共軸型通過分支饋線對(duì)天線中每個(gè)振子實(shí)現(xiàn)等幅同相饋電的全向天線稱為并饋共軸型天線。圖5-29表示出兩種輻射單元輸入阻抗和發(fā)射機(jī)輸出阻抗均為50Ω、有四副振子的共軸天線。圖中單純用作能量傳輸?shù)酿伨€長(zhǎng)度可以不限，但它們到各個(gè)振子的長(zhǎng)度應(yīng)相同，以保證同相饋電。圖中用虛線畫出長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng)（或其奇數(shù)倍）的電纜段兼作為阻抗變換器。這是一種方便實(shí)用的阻抗匹配方法。當(dāng)輻射單元的輸入阻抗不是50Ω時(shí)，也可以用類似的方法實(shí)現(xiàn)并聯(lián)饋電。注意，配用的同軸電纜的特性阻抗應(yīng)盡量與商業(yè)產(chǎn)品的規(guī)格相一致或接近。圖5-29并饋共軸型天線圖5-30實(shí)際水平方向圖和理想水平方向圖和圖5-31配有N路功率分配器的并饋共軸型天線

2．串饋共軸型串饋共軸型陣列天線的關(guān)鍵是利用180°移相（或π倒相）器，改變長(zhǎng)直載流導(dǎo)線（L>λ）上電流的相位分布，使各線段上的電流分布接近同相，以取得需要的方向特性。圖5-32表示加入π倒相器前后，長(zhǎng)直導(dǎo)線上的電流分布情況。圖5-33的串饋陣采用集中參數(shù)的螺旋線圈為移相器。移相線圈相當(dāng)于一個(gè)慢波結(jié)構(gòu)，使原來(lái)帶有反相電流的區(qū)段長(zhǎng)度大大縮小，使它們的輻射作用可以被忽略。螺旋移相式串饋陣的直線輻射段的長(zhǎng)度可以是λ/2或5λ/8（分別配用展開長(zhǎng)度為λ/2和5λ/8的螺旋線圈）。分析和測(cè)量結(jié)果表明，在天線總長(zhǎng)相同時(shí)，輻射段長(zhǎng)度為5λ/8的結(jié)構(gòu)具有較好的輻射特性。由于直線輻射段和螺旋移相線圈都有損耗，離饋電端愈遠(yuǎn)處，電流的振幅愈小。因此，在輻射單元數(shù)量相同時(shí)，串饋陣與并饋陣相比，前者在垂直面的方向性較弱，增益也較低。圖5-32長(zhǎng)直導(dǎo)線上的電流分布

5-33螺旋移相式串饋陣實(shí)際中還采用填充介質(zhì)的同軸電纜段作為輻射單元的串饋陣。其結(jié)構(gòu)原理如圖5-34（a）所示。輻射振子就是同軸線的外導(dǎo)體，將相鄰的同軸電纜段的內(nèi)、外導(dǎo)體交叉連接，就能在它們的外導(dǎo)體外表面上得到等幅同相的電流分布。電纜輻射段的長(zhǎng)度應(yīng)等于1/2導(dǎo)波波長(zhǎng)，即l=λg/2。其中，λg為工作波長(zhǎng)。若在同軸線內(nèi)部填充介電常數(shù)為εr=2.25的介質(zhì)，則每段同軸線的長(zhǎng)度為（5-3-1）式中，λ0為自由空間波長(zhǎng)。圖5-34同軸電纜組成的高增益天線圖5-35表示一個(gè)12段的交叉倒相串饋共軸天線的芯線及外觀，其工作頻率為910MHz，在±25MHz帶寬內(nèi)，增益大于8dBi，包括玻璃鋼護(hù)套及底座在內(nèi)全長(zhǎng)1.7m。天線芯線最頂上一段的長(zhǎng)度為（λ0/4+λg/4）。在λg/4處，同軸電纜內(nèi)、外導(dǎo)體短路，這是為了保證天線各輻射段上的電流分布接近均勻和同相。這種天線的突出優(yōu)點(diǎn)是增益高、垂直極化、水平面內(nèi)無(wú)方向性，且結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定、使用方便，盡管安裝在風(fēng)力強(qiáng)勁的高處，也能長(zhǎng)期可靠工作。圖5-35同軸高增益天線基站高增益定向天線（扇形波束天線）圖5-36角形反射器天線圖5-37120°角反射器表5-5定向天線典型的結(jié)構(gòu)尺寸角反射器的優(yōu)點(diǎn)是通過控制反射器的張角可調(diào)整其波束寬度。圖5-38示出了一種典型單元角反射器天線的基本結(jié)構(gòu)。當(dāng)饋源——初級(jí)輻射器是半波振子時(shí)，角反射器的口面張角與水平面半功率波束寬度的關(guān)系以及口面張角和方向性的關(guān)系如圖5-39所示，當(dāng)口面張角為120°～270°時(shí)，扇形波束的半功率角為60°～180°。圖5-38角反射器天線的基本幾何結(jié)構(gòu)圖5-39角反射器天線的口面張角與半功率波束寬度的關(guān)系（f=900MHz,D=0.28λ）雙頻扇形波束天線圖5-41雙頻角反射器天線的結(jié)構(gòu)圖5-42雙頻角反射器天線的波束寬度特性手機(jī)天線的分類

手機(jī)天線的分類

傳統(tǒng)的手機(jī)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。一、外置天線優(yōu)點(diǎn)：頻帶范圍寬、接收信號(hào)比較穩(wěn)定、制造簡(jiǎn)單、費(fèi)用相對(duì)低缺點(diǎn)：天線暴露于機(jī)體外易于損壞、天線靠近人體時(shí)導(dǎo)致性能變壞、不易加諸如反射層和保護(hù)層等來(lái)減小天線對(duì)人體的輻射傷害、同時(shí)對(duì)于FDD的系統(tǒng)，

接收和發(fā)送必須使用不同的匹配電路。外置天線單極天線螺旋天線PCB印制螺旋天線拉桿天線（1）單極天線

傳統(tǒng)的外置天線一般為單極天線，雖然制作簡(jiǎn)單，但是尺寸較大，不便于攜帶。

（2）螺旋天線及PCB印制螺旋天線

螺旋線是一種慢波結(jié)構(gòu)，螺旋天線實(shí)際也是一種慢波化的單極天線。由于螺旋線的作用，減小了電磁波沿螺旋線傳播的相速度，因此天線的長(zhǎng)度可以縮短。

也正是由于螺旋線的慢波結(jié)構(gòu)，使得天線的帶寬窄，天線的儲(chǔ)能大，輻射效率降低。PCB板螺旋天線實(shí)際是一種變形的螺旋天線，利用PCB板的介電常數(shù)進(jìn)一步降低天線的尺寸而已。

因此，

一般采用螺旋天線來(lái)降低天線的尺寸（法向螺旋），使用印制在PCB的螺旋天線來(lái)得到更小尺寸與各種形狀的外置天線。

這種天線還有許多種變形形式，能夠?qū)崿F(xiàn)多頻、寬帶的要求，有很強(qiáng)的靈活性，因此在外置天線中，此類天線的應(yīng)用越來(lái)越廣。螺旋天線PCB板螺旋天線（3）拉桿天線

一般是采用一節(jié)1/4波長(zhǎng)螺旋和一節(jié)1/2波長(zhǎng)螺旋構(gòu)成，需要介質(zhì)棒去耦，用來(lái)實(shí)現(xiàn)手機(jī)的高增益，在手持情況下，其增益可增加6dB以上。（4）綜述

單極天線由于其要求的長(zhǎng)度長(zhǎng)，一般不使用。

拉桿天線雖然有效增益高，電性能較好，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)需要使用記憶金屬作材料，因此價(jià)格較貴，應(yīng)用較少，我們不考慮使用。

螺旋天線以其良好的輻射特性、小體積、頻帶擴(kuò)展容易實(shí)現(xiàn)的特性成為外置天線的的主流，但其體積還是較大，同時(shí)形狀固定，不適合手機(jī)造形設(shè)計(jì)等特殊要求。PCB形式的螺旋天線比普通螺旋天線的體積更小，天線形狀是扁平特性的，同時(shí)此類天線的設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的靈活性，應(yīng)用漸多。

在外置天線的應(yīng)用中螺旋天線還是第一選擇，其次是PCB形式的螺旋天線。二、內(nèi)置天線特點(diǎn)：（1）可以做得非常小，不易損壞；可以將其安放在手機(jī)中遠(yuǎn)離人腦的一面，而在靠近人腦的部分貼上反射層、保護(hù)層來(lái)減小天線對(duì)人體的輻射傷害。（2）可以安裝多個(gè)，很方便組陣，從而實(shí)現(xiàn)手機(jī)天線的智能化，這一點(diǎn)對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)非常有用。

內(nèi)置天線的形式特別多，包括微帶貼片天線、縫隙

天線

、IFA天線和倒L天線、PIFA、陶瓷天線等等。但目前的主流天線主要有兩種：PIFA天線、MONOPOLE單極天線。（1）PIFA天線PIFA是現(xiàn)在使用得最多的一種內(nèi)置天線，具有體積小，增益高，帶寬相對(duì)較寬的特點(diǎn)，是在手機(jī)天線中使用得最多的天線。用在手機(jī)上的PIFA天線

輻射體面積550～600mm2。天線與主板有兩個(gè)饋電點(diǎn)，一個(gè)是天線模塊輸出，另一個(gè)是RF地。天線的位置在手機(jī)頂部。PIFA皮法天線如按要求設(shè)計(jì)環(huán)境結(jié)構(gòu)，電性能相當(dāng)優(yōu)越，包括SAR指標(biāo)，是內(nèi)置天線首選方案。適用于有一定厚度手機(jī)產(chǎn)品，折疊、滑蓋、旋蓋、直板機(jī)。（2）MONOPOLE單極天線

輻射體面積300～350mm2，與PCB主板TOP面的距離（高度）3～4mm，天線輻射體與PCB的相對(duì)距離應(yīng)大于2mm以上。天線與主板只有一個(gè)饋電點(diǎn)，是模塊輸出。天線的位置在手機(jī)頂部或底部。MONOPOLE單極天線如按要求設(shè)計(jì)環(huán)境結(jié)構(gòu)，電性能可達(dá)到較高的水平。缺點(diǎn)是SAR稍高。不適用折疊、滑蓋機(jī)，在直板機(jī)和超薄直板機(jī)上有優(yōu)勢(shì)。

三、內(nèi)、外置天線比較

目前手機(jī)天線主要就內(nèi)置及外置天線兩種，內(nèi)置天線客觀上必然比外置天線弱。天線的架設(shè)都是盡量遠(yuǎn)離地面和建筑物的，天線接近參考地的時(shí)候，大部分能量將集中在天線和參考地之間，而無(wú)法順利發(fā)射，所以天線發(fā)射，需要一個(gè)“盡量開放”的空間。而手機(jī)電路版就是手機(jī)天線的