（电子科学与技术专业论文）手机双频天线及射频前端低噪声放大器的研制.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 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成学士学位论文= = 壬扭塑麴丞绫区盟麴煎堂匮噬重越态墨的婴剑：。除论文中 已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开 发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：查：痖笔 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文 的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编学位论文。同意本学位论文收录到中国优秀博硕士学位 论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全文数 据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发行和 提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密影( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：汐胁乏导师签名：系匆殄 日期：砷年匆月堙日 手机双频p i f a 以及前端电路低噪声放大器的研制 第1 章绪论 1 1 研究背景 现代移动通信技术的发展始于本世纪2 0 年代，在7 0 年代中期至8 0 年代中期 得到了蓬勃发展。1 9 7 8 年底，美国贝尔试验室研制成功先进移动电话系统 ( a m p s ) ，建成了蜂窝状移动通信网，大大提高了系统容量。1 9 8 3 年，首次在芝 加哥投入商用。同年1 2 月，在华盛顿也开始启用。之后，服务区域在美国逐渐扩 大。到1 9 8 5 年3 月已扩展到4 7 个地区，约1 0 万移动用户。其它工业化国家也相 继开发出蜂窝式公用移动通信网。日本于1 9 7 9 年推出8 0 0 m h z 汽车电话系统 ( h a m t s ) ，在东京、大胶、神户等地投入商用。西德于1 9 8 4 年完成c 网，频段 为4 5 0 m h z 。英国在1 9 8 5 年开发出全地址通信系统( t a c s ) ，首先在伦敦投入使用， 以后覆盖了全国，频段为9 0 0 m h z 。法国开发出4 5 0 系统。加拿大推出4 5 0 m h z 移动电话系统m t s 。瑞典等北欧四国于1 9 8 0 年开发出n m t _ _ 4 5 0 移动通信网， 并投入使用，频段为4 5 0 m h z 。 八十年代中期开始，进入了数字移动通信系统发展和成熟时期。第一代移动 通信网是模拟系统，由于用户需求急速发展，其容量已经不够，因此八十年代欧 洲首先推出了数字移动通信网g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e ) ，随后美国和日本 也制订了各自的数字移动通信体制。如今，蜂窝状移动通信系统是世界上最迅猛 的工业，用户数量激增。由于手机用户激增，使手机通信网络处于超负荷运转状 态，最终导致手机用户在打电话时出现掉线，串音，话音质量不好，难以上网等 故障现象。为了解决这些故障现象，手机运营商和生产商不断采取相关措施来扩 容手机网络系统。于是g s m 一1 8 0 0 m h z 应运而生了，也叫做d c s 一1 8 0 0 m h z ，它 的出现使基于g s m d c s 的双频网络变为现实。d c s 是g s m 的一个延伸，由于增加 了一个新的频带，扩展了g s m 的信道资源，加强了在蜂窝产业的竞争。 使用设计在g s m 9 0 0 d c s l 8 0 0 的双频手机，用户可以在g s m 9 0 0 和d c s l 8 0 0 之 间自由地切换。双频手机可以使手机同时接收g s m 9 0 0 和d c s l 8 0 0 两个频段的信 号，从中做出选择，哪一个频段信号更强，就选择哪个频段的基站信号，如果一 方接不通，可以自由的转到另一个频段上。在一些手机用户比较集中的地区，尤 第1 章绪论 其适合双频手机的应用。因为可以灵活的在g s m 9 0 0 和d c s l 8 0 0 之间切换，所以可 保持通话畅通和保证通话质量。由于手机可以同时工作于两个不同的网段之中， 因此具有很大的竞争力【。 半导体工艺技术的进步与移动无线通信的发展使得系统的小型化、高集成度 和高性能化研究已日益成为当前研究的热点。天线作为无线通信系统中的重要组 成部件之一，其性能的好坏直接关系到系统的通信质量。无线通信技术的飞速发 展对终端天线提出了越来越高的要求，天线的小型化、双频及多频设计在近几年 受到特别的关注【2 ，3 1 。 随着工作频率的同益提高，模拟和数字电路设计工程师们正在不断的开发和 改进电路。用于无线通信的模拟电路工作在吉赫兹波段。计算机的时钟频率也在 不断的提高。全球定位系统载波频率在1 2 2 7 6 0 m h z 和1 5 7 5 4 2 m h z 范围。个人通信 系统中用的低噪声放大器工作在1 9 g h z ，并可安装在比硬币还小的电路板上。由 于无线通信的快速发展，更紧凑的放大器、滤波器、振荡器和混频器电路将被设 计出来。通常它们的工作频率高于1 g h z ，这使得我们必须专门解决在常用的低频 系统中没有遇到过的问题【4 】。 1 2 手机天线以及低噪声放大器 传统的手机天线可以根据天线所处的位置分为外置天线和内置天线两大类。 早期受制造工艺的影响只能采用外置天线，这种天线的优点是频带范围宽、接收 信号比较稳定、制造简单、费用相对低：缺点是天线暴露在机体外易损坏、天线 靠近人体时导致性能变坏、不易加诸如反射层和保护层等来减小天线对人体的辐 射伤害、接收和发送必须使用不同的匹配电路等。随着制造工艺的改进，内置天 线很快被手机制造商所重视，它具有一些非常诱人的优点，如可小型化、不易损 坏：而且可以安装在手机内部，加上反射层之后可以减小天线对人体的辐射；在 隔离接收与发射频段方面也相当简便，不需要双工器；若采用e 场和h 场元件分集 技术，则不必附加独立的分集天线；设计参数通过最优化手段实现体积小、成本 低，并能增加带宽，同时提高对垂直和水平极化波的接收灵敏度，实现更好的全 向辐射特性；容易设计出双频段的内置集成微带天线【5 】。 p i f a 天线自产生以来，一直到今天都一直是内置天线的主要形式，因为它尺 手机双频p i f a 以及前端电路低噪声放大器的研制 寸较小，可以充分利用p c b 板作为接地面，并通过接地片将谐振长度缩小为四分之 波长。但是随着手机小型化和集成度更高的发展要求，原有p i f a 天线逐渐显示出 一些对结构方面的严格限制。 人们现在对无线通信工具的要求越来越高，功率辐射小、作用距离远、覆盖 范围大已成为各运营商乃至无线通讯设备制造商的普遍追求，因此，对系统的接 受灵敏度提出了更高的要求。在各种特定的无线通讯系统中，能有效提高灵敏度 的关键因素就是降低接收机的噪声系数，而决定接收机的噪声系数的关键部件就 是处于接收机最前端的低噪声放大器( l n a ) 。低噪声放大器的主要作用是放大 天线从空中接收到的微弱信号，降低噪声干扰，以供系统解调出所需的信息数据， 所以低噪声放大器的性能优劣对整个通信接收机来说是至关重要的。 1 3 论文中主要的内容和章节安排 本文通过对大量文献资料的研究和学习，在认真分析和总结了多种实现移动 天线的小型化、双频段方法的基础上设计了一款应用于g s m d c s 双频网络系统 的移动通信天线。同时设计实现了一款应用于1 8 g h z 的低噪声放大器。设计中 均进行了理论分析、提出了设计方法。在采用仿真软件优化了设计参数以满足技 术要求之后进行了实际的制作和测试。 论文章节安排如下： 第1 章作为绪论，主要介绍了论文的研究背景，以及手机天线和低噪声放大 器的简介。 第2 章主要介绍微带天线的基本原理，包括微带天线的辐射机理和传输线分 析方法。 。 第3 章介绍了手机内置天线的基本理论，包括电小天线的基本原理和p i f a 天 线的基本结构和分析方法。 第4 章介绍低噪声放大器的基本理论和设计方法。 第5 章简单介绍了h f s s 和a d s 仿真软件。 第6 章设计并仿真了一款双频p i f a 天线和一款工作在1 8 0 0 m h z 的低噪声放 大器，最后进行了实际制作和测试，给出了仿真和测试结果，并进行了分析和比 较。 第2 章微带天线 第2 章微带天线 微带天线的概念早在1 9 5 3 年就已经提出来了，但是并未引起重视。真正的发 展和实用起于上世纪7 0 年代。由于微波集成技术的发展以及各种低耗介质材料的 出现，微带天线的制作得到了工艺保证：基于微带天线的许多优点，例如重量轻、 体积小、成本低、平面结构、可以和集成电路兼容等，微带天线得到了广泛的研 究和发展，从而是微带天线获得了多种应用，并且在微波天线这个广阔的领域里， 作为一个分立的整体而建立了自己的课题【7 8 】。 2 1 天线的基本原理 2 1 1 天线的基本概念 ( 1 ) 天线的作用 任何无线电通信设备中，总存在一个向空间辐射电磁能量和从空间接收电磁 能量的装置，这个装置就是天线。天线的作用就是将调制到射频频率的数字信号 或模拟信号发射到空间无线信道，或从空间无线信道接收调制在射频频率上的数 字或模拟信号。 ( 2 ) 天线问题 从电磁场理论出发，天线问题实质上就是研究天线所产生的空间电磁场分布， 以及由空间电磁场分布所决定的电特性。空间任何一点的电磁场满足电磁场方程 麦克斯韦方程及其边界条件。因此，天线问题是时变电磁场问题的一种特殊 形式。 从信号系统的角度出发，天线问题可以理解为考察由一个电磁波激励源产生 的电磁响应特性。从通信系统的角度出发，天线可以理解为信号发射和接收器， 收发天线之间的无线电信号强度满足通道传输方程和多径衰落特性。 ( 3 ) 天线结构的理解 可以把天线看作为不同的模型来理解。典型的模型如开放的电容、开放的传 输线、t m m n 波导( 将天线辐射看作是在4 7 【空间管道中传输的波导，则对应的传 输波型是t m 型波，但在传输过程中不断遇到波导的不连续性，因此不断激励高 次模) 和由电磁波源和电磁波传输介质形成电磁波传输的机构。 手机双频p i f a 以及前端电路低噪声放大器的研制 电磁波具有波粒二象性。频率越低，波动性越强；频率越高，粒子性越强。 所以光波主要表现出粒子性，而长波表现出波动性。射频电磁波就是介于这二者 之间的种电磁波，它既有显著的波动性，又有显著的粒子性。 2 1 2 电磁场基本方程 ( 1 ) 麦克斯韦方程 v 日：+ a d a ， v e ：一望 岔 ( 电生磁。若电场变化，则磁场随之变化) ( 磁生电。若磁场变化，则电场随之变化) v 。b = o( 磁力线是无始无终的封闭闭合曲线) v d = p ( 电力线出发和终止于自由电荷) ( 2 1 ) 麦克斯韦方程的物理含义：变化的电场可以产生磁场，变化的磁场可以产生 电场，这是电磁波可以脱离辐射体在空间存在的物理基础。 ( 2 ) 边界条件 两种不同媒质的分界面，媒质参数会发生突变，引起某些场分量的不连续。 电磁场边界条件是： n x ( h 2 - h ，) = 以 ( 媒质分界面处磁场切向不连续) 玎( 巨- e 。) = 0 ( 媒质分界面处切向电场连续) 甩( 最一召。) = 0 ( 媒质分界面处法向磁感应强度连续) 磊( d 2 一d 。) = 反 ( 媒质分界面处法向电位移矢量不连续) ( 2 2 ) 根据电磁场边界条件，在媒质分界面处电场的切向分量和磁感应强度的法向 分量是连续的。这是非常重要的概念。 2 1 。3 天线的电参数 ( 1 ) 输入阻抗和带宽 天线的输入阻抗即馈电端输入电压和输入电流的比值。输入到天线的功率被 第2 章微带天线 输入阻抗吸收，并被天线转换成辐射功率。 天线的输入阻抗由两部分组成，即：乙= r 爿+ 。其中z a 称为天线的输入 电阻，。称为天线的输入电抗。理想情况下，天线的输入阻抗是纯电阻并等于 馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射。天线匹配电路的作用就是消除天 线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能接近馈线的特性阻抗。描述匹配的 优劣常用的参数是驻波比和回波损耗。 假设馈线的特性阻抗是z o ，则馈点处的反射系数由式( 2 3 ) 定义： r = ( 乙一z o ) ( 乙+ z o ) ( 2 3 ) 驻波比定义为： v s w r = ( 1 + l r i ) ( 1 一l r l ) ( 2 4 ) 其值在1 和无穷大之间。完全匹配状态下( z a = z 。) ，驻波比为l ；完全失配 状态下( 馈线终端短路或开路，z a = o 或无穷大) 驻波比为无穷大。手机天线一 般要求驻波比小于2 5 。 回波损耗( r l ) 定义为： r l = 2 0 1 0 9 ( r ) ( 2 5 ) 它是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。回波损耗值在o d b 到负无穷大 之间，其绝对值越大表示匹配越好。o d b 表示全反射，负无穷大表示完全匹配。 手机天线一般要求回波损耗小于7 d b 左右。 驻波比( v s w r ) 和回波损耗( i u ) 两个参数之间有固定的数值对应关系： 肚2 嘶g ( 黑 眨6 ， 天线的输入阻抗取决于天线本身的结构、工作频率并受环境因素的影响，一 般它只能通过实验确定。输入阻抗测试等效于驻波比和回波损耗测试。 在天线谐振频率附近，可使电气性能( 回波损耗或驻波比) 满足使用要求的 频带范围称为天线的带宽。 ( 2 ) 方向系数 手机双频p t f a 以及前端电路低噪声放大器的研制 天线的方向系数描述电磁能量集中程度以描述方向特性，又称为方向增益， 最大辐射方向的方向系数定义如式( 2 7 ) 。 肚再蒜 q 7 ) 其中，f 是场强方向函数。方向系数的物理含义是，天线辐射的最大方向上 获得与该点相同功率所需的点源的总辐射功率与实际天线辐射总功率的比值。 ( 3 ) 增益 增益是指：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同 一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐 射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小， 增益越高。可以这样来理解增益的物理含义为在一定的距离上的某点处产生一定 大小的信号。 如果用理想的无方向性点源作为发射天线，需要1 0 0 w 的输入功率，而用增 益为g = 1 3 d b 的某定向天线作为发射天线时，输入功率只需1 0 0 2 0 = 5 w 换言之， 某天线的增益，就其最大辐射方向上的辐射效果来说，与无方向性的理想点源相 比，把输入功率放大的倍数。半波对称振子的增益为g = 2 1 5 d b i ；4 个半波对称振 子沿垂线上下排列，构成一个垂直四元阵，其增益约为g = 8 1 5 d b i ( d b i 这个单位 表示比较对象是各向均匀辐射的理想点源) 。如果以半波对称振子作比较对象，则 增益的单位是d b d 。半波对称振子的增益为g = 0 d b d ( 因为是自己跟自己比，比 值为1 ，取对数得零值) ； ( 4 ) 极化方向 指天线发射的电磁波电场或磁场的振动方向。如果电磁波传播过程中电场振 动方向始终平行于发射源的电场方向，则称为线极化，如果传播过程中电场矢量 端点的轨迹是一个圆，则称为圆极化。 2 。2 微带天线的辐射原理 以矩形微带天线为例，用传输线模分析法介绍它的辐射原理【7 1 。设辐射元的 长为，宽为w ，介质基片的厚度为h ，如图2 1 。现将辐射元、介质基片和接地 板视为一段长为l 的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路。根据微带传输 第2 章微带天线 线理论，由于基片厚度h 毛，矗为自由空间波长。场沿h 方向均匀分布。在最 简单的情况下，场沿宽度w 方向也没有变化，而仅在长度方向( 1 2 2 ) 有变 蓉垃簟舟基鼍菏 矩形微镣哭线开路端电炀结构场分布铡视图等效辐赛中缝骧 图2 1 矩形微带天线 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。在两开路端的电场均可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，两垂 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，两水平分量 电场所产生的远区场同相叠加，而两垂直分量所产生的场反相相消。因此，两开 路端的水平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙。缝的电场方向与 长边垂直，并沿长边1 4 ，均匀分布。缝的宽度为础嘲，长度为w ，两缝间距为l 五2 。 这就是说，微带天线的辐射可以等效为由两个缝隙所组成的二元阵列。 2 3 微带天线的分析方法 分析微带天线的基本理论大致可分为三类【9 】。最早出现的也是最简单的方法是 传输线模型( t l m t r a n s m i s s i o nl i n em o d e l ) 理论，主要用于矩形贴片。更严格、 更有用的是空腔模型( c m c a v i t ym o d e l ) 理论，可用于各种规则形状的贴片，但 基本上限于天线厚度远小于波长的情况。最严格而计算最复杂的是积分方程法 ( 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 ) 理论，从原理上说， 积分方程法可用于各种结构、任意厚度的微带天线，然而要受计算模型精度的限 制。从数学处理上看，第一种理论把微带天线的分析简化为一维的传输线问题， 第二种理论则发展到二维边值问题的求解；第三种理论又进了一步，可计入第三 维的变化。本文将给出矩形贴片天线传输线模型理论的详细内容【1 0 】。 如图2 2 ( a ) 所示，矩形微带天线的贴片尺寸为x 形，基片厚度为h ，h 凡， 手机双频p i f a 以及前端电路低噪声放大器的研制 矗为自由空间波长。该贴片可看作为长三宽w 的一段微带传输线。沿三边终端处 呈现看路，因而将形成电压波腹。一般取三以2 ，以为微带线上波长，于是三 边另一端也呈现电压波腹。天线的辐射主要就由贴片与接地板之间的沿矿边隙缝 形成。于是矩形贴片可表示为相距三的两条缝隙】。等效电路如图2 2 ( b ) 。设缝 隙上电压为u ，缝的切向电场沿x 轴均匀分布，e x = u h ，沿z 方向的磁流密 度。 j m = u h ( 2 8 ) 考虑到理想接地板上磁流的镜像，缝隙的等效磁流密度要乘2 ，故方向z 等 效磁流为。 i m = 2 j m h = 2 u ( 2 9 ) 再设磁流沿z 方向也均匀分布，并注意到h 众，则单缝辐射的远区场为。 e矿一2咖石e-jet专in(-譬 8 i 们 2 _ o sc o s 臼1 其中，( 0 ，缈) 为场点球坐标，0 是从z 轴算起的极角，矿是从x 轴算起的 方位角。对于间距为l 的两个缝隙组成的二元阵，因其间距i = l 2 ，又同相激励， 并注意到在图所示坐标系下两阵元间相移为k s i n 0 c o s o ，故当0 = r t 2 时，其e 面 辐射方向性函数为 辱( 缈) ：c 。s ( 婴c 。s ) ( 2 1 1 ) 坡印亭矢量的实部对半空间积分可得辐射功率。当h 凡时，辐射功率为 p ：黑 (212)240 1 7 r 2 第2 章微带天线 厶= h 半卜强俐秒 t 矿 图2 2 矩形微带天线及其主面方向图 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 辐射电阻足为 当 耻丢= 半 w 矗，r ，= 9 0 2 0 2 w 2 w 凡，r ，= 1 2 0 2 0 w 对后者，缝隙的单位长度的辐射电阻为 r r = 1 2 0 & q 朋 它是下面完整的表示式的简化式( 当h 很小时) 1 0 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 手机双频p i f a 以及前端电路低噪声放大器的研制 通过距离厶和厶换算后可得馈电点的输入导纳为 x ：y o i 垒型墅盟咝+ 坐笙生丝丛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 是微带线的特性阻抗。 导纳e + 由下式给出 e = 瓯+ 成 ( 2 1 8 ) 瓯= 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 ) 归化线伸长的表示式 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 + 钉他。 在同轴线端口处，探针可用个集总感抗来表示 五万3 7 7 锄i - 百2 n - h l 旺2 2 ， “s r、 因此，输入阻抗为 乙= z 1 + j x l ( 2 2 3 ) 只有填充均匀媒质的传输线才能传输单一的纯横向场t e m 模。由于空气一介 质分界面的存在，微带线的场空闯由两个不同介电常数的区域构成，微带中的传 输模是具有电场和磁场所有三个分量( 包括纵向分量) 的混合模，因此不能传输单一 的横电磁波一t e m 模。不过，在频率不太高的情况下( 如1 2 g h z 以下) ，当满足基片 厚度远小于工作波长时，能量大部分都集中在导体带下面的介质基片内，且此区 域的纵向场分量很弱，因此沿微带传输的主模与t e m 模分布非常接近，此时传播 的是准t e m 模，相应的模型就是传输线模型。 传输线分析方法简明、直观性强，计算量也小，但难于应用在矩形微带天线 第2 章微带天线 及微带振子以外的情况。 手机双频p i f a 以及前端电路低噪声放人器的研制 3 1 电小天线原理和分析 第3 章内置天线 3 1 1 电小天线的概念 电小天线就是指最大几何尺寸远远小于波长( 0 1 彳以下量级) 的天线。所有 手机内置天线都是电小天线。 当天线的尺寸与波长相比很小时，其实质就是一个带有少量辐射的电感器或 电容器。它仍然是整个天线系统的一个分支，与一般大天线相比并无本质差别， 只是其电尺寸小，所以有特别需要注意的一些方面【1 1 1 。 3 1 2 电小天线的特点 ( 1 ) 方向性 电流元或磁流元的方向图都呈苹果状8 字型，方向系数为1 5 。而电小天线的 电尺寸很小，因此其方向图接近电流元或磁流元的方向图，因此其方向系数接近 1 5 t 12 1 。 ( 2 ) 辐射效率 辐射效率的定义是： 玑= i r 瓦, r ( 3 1 ) 寸-jr 其中瓜是辐射电阻，尺，是损耗电阻。在损耗电阻中包括天线自身的欧姆损耗 还包括馈线和匹配网络中的损耗电阻，即 r l = r l l + r l 2 ( 3 2 ) l山j 其中r l 。是天线上的损耗电阻，r ：是馈线和匹配网络中的损耗电阻。 一般来说在提到天线效率时并不考虑r l ：，但由于小天线和匹配电路密切相 关，比如一个小的电容性天线，由于天线输入容抗很高，电阻很小，如果要求此 天线和发射机匹配，则在匹配电路中必然要求引入一个串连的大电感使之调谐， 并通过变换将低阻值变换为所需的电阻值。这是匹配电路必然带来可观的损耗， 第3 章内置天线 所以考虑电小天线的效率必须将尺。计入，以便于对比各种电小天线的性能【1 3 1 。 由于电小天线电尺寸很小，因此其辐射电阻将降低，假定天线本身不存在损 耗，尽管其辐射电阻降低，总可以通过适当办法消除天线的输入电抗成分，并变 换其电阻为适当的数值使其与发射机或接收机匹配，从而有效完成能量转换功能。 但遗憾的是，不仅天线本身存在热损耗，而且匹配电路也会引入损耗。当天线的 辐射电阻很低时，这些损耗就会更加突出，从而降低了天线的辐射效率，因此对 小天线来说，辐射效率低是其突出的问题。 ( 3 ) 增益 根据天线增益公式： g = r a d ( 3 3 ) 要提高增益则应设法提高辐射效率玑和方向系数d ，但对电小天线来说，由 于d 1 5 ，所以提高增益的途径，主要依赖于提高天线的辐射效率玑。 同时由此也可以看出，在电小天线中，提高增益和提高辐射效率是等效的。 在手机天线中，有时也使用总辐射功率( t r p ) 的概念，即天线的总辐射功率， 可以通过天线在空间各方向上的增益求积分得到。电小天线中的增益( g ) 、辐 射效率( r a ) 和总辐射功率( t r p ) 是三个相互关联的概念，当其中一个性能得 到改善时，另外两个性能也随之改善。 ( 4 ) 输入阻抗 电小天线的尺。通常很低，它由天线的辐射和天线的损耗两方面的因素形成。 ( 5 ) 工作带宽 由于电小天线方向性在工作频段内类似电流元特性，在整个波段变化不显著， 所以主要变化特性一般指输入阻抗的变化，工作频带也都是指阻抗带宽。手机天 线一般要求阻抗带宽在v s w r 2 5 附近。 既然小天线相当于电容或电感，并且其电阻成分低，亦即其具有一定的高品 质因数q ，而q 值反比于带宽，因此小天线的工作频带比较窄，这就意味着工作 频带宽度也是在设计小天线中应当重视的问趔1 4 1 。 手机双频p i f a 以及前端电路低噪声放大器的研制 3 2 手机p i f 天线的分析 多年来，太多数手机天线都一直在沿用一种传统的p i f a 天线设计方案5 l 。 目前市面上可以看到的手机内置天线，有6 0 - - 8 0 都是采用这种天线设计。所咀， 这一讲主要介绍这种天线的辐射原理和辐射特性。 32 1p i f 天线的基本结构 p i f a 天线的英文全名是“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 线”【l q 。由于整个天线的形状像个倒写的英文字母f ，故得名。其基本结构是采用 一个平面辐射单元作为辐射体，并以一个大的地面作为反射面，辐射体上有两个 互相靠近的p i n 脚，分别用于接地和作为馈点。 接地板 图31p i f a 天线示意图 f i g31p i f aa n t e n n a p i f a 天线最韧来源于i f a 天线，即倒f 型线天线。但是线性i f a 天线是一种 小尺寸天线，当辐射单元仅采用顶部的一个金属导线时辐射效果并不理想( 辐射 电阻小) ，所以根据前面我们曾介绍过的，为增大辐射电阻和提高辐射效率而采用 顶部加载的技术，将顶部的辐射线用辐射平面替代从而形成平面辐射单元。 另一方面，当接地线和馈电线仅仅为一条细线时，其等效的射频分布电感较 大，而引线上的分布电容较小，这就意味着天线具有较高的q 值和较窄的频带。 第3 章内置天线 根据电小天线q 值和带宽的关系，增大带宽的途径就是降低q 值，因此将接地线 和馈电线用具有一定宽度的金属片取代可以增大分布电容和减小分布电感，从而 增大天线带宽。这样就形成了p i f a 天线。 图3 2 单极天线示意图 f i g 3 2m o n o p o l ea n t e n n a 3 2 2pif a 天线的近似 ( 1 ) p i f a 天线的传输线近似 l 1l 2 l 1 l 2 图3 3p i f a 天线的传输线模型 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 天线的传输线近似模型如图3 3 所利1 8 】。在忽略接地片和馈线的分布效 应，p i f a 天线等效于两段长度分别为，。和，：的传输线相并联。其中厶表示馈线与 手机双频p i f a 以及前端电路低噪声放大器的研制 接地片之间的电长度，厶表示馈线与开路端的电长度。 考虑馈线和接地片的分布参数效应，p i f a 天线的传输线近似模型如图3 3 所 示，其中飚表示接地片的寄生电阻，l s 表示接地片的分布电感。r ，和c r 表示 开路端的寄生电阻和电容【1 9 】。 ( 2 ) p i f a 天线的接地单极子近似 从某种程度上，p i f a 天线又类似于接地单极子天线，这是因为它也是一种放 置在地面上方包含接地片的一种谐振式天线。由于接地线的作用，p i f a 天线的谐 振长度从五2 缩短为2 4 ，这是p i f a 天线可以缩小物理尺寸的首要原理【2 0 1 。 ( 3 ) p i f a 天线的微带天线近似 p i f a 天线在某种意义上也可以当做微带天线看待，这时辐射单元和接地面之 间就是采用s ，= 1 的空气介质填充。 图3 4p i f a 天线辐射场 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 天线中的电场主要集中在导体边缘，p i f a 天线辐射场是边缘辐 射场，这一点与微带天线类似。因此采用与微带天线类似的分析法可以对p i f a 天线进行某些特性分析。 3 2 3plf a 天线的特性 根据以上各种近似模型，已有不少文献中对p i f a 天线进行近似分析，并得 到很多有指导意义的结论。假设分析采用的p i f a 天线结构参数如图3 5 所示，则 第3 章内置天线 以下将总结相关结论。 ( 1 ) p i f a 天线( 矩形辐射体) 的近似谐振频率： c o 2 f 忑i 历 其中c 为真空光速。 上式也表明：矩形辐射体p i f a 天线长边和宽边之和近似等于2 4 。 ( 2 ) 辐射体和接地面之间的高度h 对天线的工作带宽产生严重影响， 着h 的增加而增加。p i f a 天线中对带宽起决定作用的结构参数就是h 。 机天线中h 不允许低于7 m m ，最好大于8 m m ，不要低于6 m m 。 图3 5p i f a 天线结构参数图 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 ) 带宽随 一般手 ( 3 ) 接地片的宽度w 也对带宽产生影响。增加接地片的宽度将增加带宽，降 低接地片的宽度将降低带宽。 ( 4 ) 变馈点的位置可以改变输入阻抗，因此可以通过改变馈点的位置实现频率 调谐。但是这种方法往往比较难于实现。 手机双频p i f a 以及前端电路低噪声放大器的研制 ( 5 ) p i f a 天线仅在半空间辐射，因此具有很高的前后比( 6 - 8 d b ) ，比外置天 线有较好的s a r ( s a r 的意义为单位质量的人体组织所吸收或消耗的电磁功率， 单位为w l ( g ) 值。 3 2 4 接地面尺寸对天线性能的影响 许多研究表明，p i f a 天线接地面的大小会影响天线的带宽。最优接地面尺寸 受p i f a 天线辐射体尺寸的影响。在手机设计中，g s m 频段最优接地面的大小大 致为4 0 x 1 2 0 m m ，d c s 频段最优接地面大小大致为4 0 x 8 0 m m ，c d m a 频段最优 接地面尺寸大致为4 0 x 1 3 0 r a m 。如接地面的尺寸稍稍偏离最优尺寸，则会使带宽 略有下降。手机板因受用户使用要求的限制，p c b 长度和接地面尺寸多在 9 0 1 0 5 m m 附近，其中也已经综合考虑了p c b 对天线性能的影响因素。 3 2 5 短路片和基片之间的位置关系对天线性能的影响 短路片和接地片结合在一起可以看做双线传输线。忽略其分布电阻和电导， 其分布电感和分布电容可以表示为： 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 为辐射单元和接地面之间的高度，d 为接地片和馈电线中心的距离； 2 a 为接地线和馈线的宽度。从上面两式可以得出以下结论： 增加短路片和馈线的间距，l 将增大，c 将减小； ( 1 ) 增加辐射单元和地面之间的高度，l 和c 都将增加； ( 2 ) 依赖于l 和c 的最终结果，电抗可能为容性或感性； ( 3 ) 如果最后获得的电抗呈感性，天线的谐振频率将降低；如果最后获得的电 抗呈容性，则最后的谐振频率将增加。 3 2 。6 多频段的实现 为适应手机多频段工作，需要内置天线实现多频段工作。p i f a 天线实现多频 段工作，可以通过使用双馈点，或通过在p i f a 天线上采用开槽的技术来实现。 使用双馈点时调谐频率调谐范围往往受到一定的限制，因此实际手机中的多频段 多采用开槽的方式实现多频工作。此处我们以p i f a 天线中通常使用的l 型开槽 第3 章内置天线 为例进行分析。 l 型开槽的p i f a 天线辐射单元如图3 6 所示。通过开槽，在高频和低频下， p i f a 天线可以形成两个相对独立的电流回路，这就是开槽的p i f a 天线实现双频 工作的基本原理。在l 型开槽下，较低工作频段的谐振频率的波长大致可以认为 是辐射片长和宽之和的四倍。但这不具有严格的意义。比如手机实际设计的预留 尺寸不能根据上述经验严格计算出谐振在8 8 0 9 6 0 m h z 之间。而较高的工作频率 由于受多个因素的控制，因此不能用封闭公式表示。影响较高的谐振频率的因素 主要有： 图3 6p i f a 天线结构图 f i g 3 6p i f aa n t e n n as t r u c t u r e w l ：两辐射片之间的缝宽l ； w 2 - 两辐射片之间的缝宽2 ； l 2 - 缝隙长度1 ； l 3 ：缝隙长度2 。 手机双频p i f a 以及前端电路低噪声放大器的研制 表3 1l 型开槽参数对p i f a 天线性能的影响 t a b 3 1t h ee f f e