电连天线理论知识

1、Provide Precision Connectors and Solutions for Global Customers 天线(tinxin)基础知识为全球客户提供(tgng)精密连接器及解决方案电连精密技术有限公司 Electric Connector Technology Co., Ltd.http:/ 共四十八页 无线电波是一种能量传输形式，在传播(chunb)过程中，电场和磁场在空间是相互垂直的，同时这两者又都垂直于传播方向。天线是一种特殊的电路,是无线电波的发射与接收一种金属装置，简单一点(y din)说就是杆与线的排列。基本功能：辐射和接收无线电波发射时把高频电流转换成电磁波

2、接收时把电磁波转换成高频电流天线具有互逆性，同一个天线即起着发射天线的作用，又起到接收天线的作用，这也就是天线的互易定理。共四十八页 天线的作用 将传输线中的高频电磁能转为自由空间的电磁波 将自由空间中的电磁波转化为传输线中的高频电磁能无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收(jishu)地点后，由天线接下来（仅仅接收(jishu)很小很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机。 天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。 同一副天线既可以辐射又可以接收无线电波 共四十八页描述天线电性能的主要电参数

3、有：方向(fngxing)图、增益、输入阻抗、效率和频带宽度等。天线的类型天线的用途很广泛，只要利用电磁波来传递信息的地方都要用到天线，如广播、电视、遥感玩具、手机通信、无线上网、物流快递跟踪服务、电子对抗等等。 对于众多品种的天线，进行适当的分类是必要的：按用途分类：通信天线、电视天线、雷达天线等；按工作频段分类：短波天线、超短波天线、微波天线等；按方向性分类，可分为全向天线、定向天线等；按外形(wi xn)分类，鞭状天线、平板天线、帽形天线等按极化方式来分：垂直极化天线也叫单极化天线、交叉极化天线也叫双极化天线，上述两种极化方式都为线极化方式，还有圆极化和椭圆极化天线共四十八页电波传播 无

4、线电波和光波(gungb)一样，它的传播速度和传播媒质有关。无线电波在真空中的传播速度等于光速。我们用亿米秒表示。在媒质中的传播速度为：/，式中为传播媒质的相对介电常数。空气的相对介电常数与真空的相对介电常数很接近，略大于。 电磁波与波长的关系：C=f,其中C为光速，为波长，f为频率。电场电场电场振子电波传输方向磁场磁场共四十八页 直视距离和发射天线以及(yj)接收天线的高度有关系，并受到地球曲率半径的影响。由简单的几何关系式可知 AB3.57(HT+HR)(公里)，由于大气层对超短波的折射作用，有效传播直视距离为AB4.12 (HT+HR)(公里)。BARTRRO接收(jishu)天线高HR

5、发射天线高HT 电波除了直接传播外，遇到障碍物，例如，山丘、森林、地面或楼房等高大建筑物，还会产生反射。因此，到达接收天线的超短波不仅有直射波，还有反射波，这种现象就叫多径传输。 由于多途径传播使得信号场强分布相当复杂，波动很大；也由于多径传输的影响，会使电波的极化方向发生变化，因此，有的地方信号场强增强，有的地方信号场强减弱。另外，不同的障碍物对电波的反射能力也不同。例如：钢筋水泥建筑物对超短波的反射能力比砖墙强。我们应尽量避免多径传输效应的影响。同时可采取空间分集或极化分集的措施加以对应。共四十八页移动通信天线的极化方式有单极化天线、双极化天线两种，其本质都是线极化方式，双极化天线利用极化

6、分集来减少移动通信系统中多径衰落的影响，提高基站接收信号质量的，通常有0/90、45两种对于GSM频段水平极化波的传播(chunb)效果不如垂直极化，因此目前很少采用0/90的交叉极化天线共四十八页双极化天线 两个天线为一个整体传输两个独立的波，两个单极化天线安装在一起组成一付双极化天线，注意，双极化天线有两个接头，双极化天线辐射(fsh)（或接收）两个极化在空间相互正交（垂直）的波。共四十八页双极化和单极化对比垂直单极化天线与双极化天线：从发射的角度来看，由于垂直于地面的手机更容易与垂直极化信号匹配，因此垂直单极化天线会比其他非垂直极化天线的覆盖效果要好一些，特别是在开阔的山区和平原农村就更

7、明显。实验证明在开阔地区的山区或平原农村，这种天线的覆盖效果比双极化45 天线更好，但在市区由于建筑物林立，建筑物内外的金属体很容易使极化发生旋转，因此无论是单极化还是 45 双极化天线在覆盖能力(nngl)上没有多大区别。从接收的角度来看，由于单极化天线要用两根天线才能实现分集接收，而双极化天线只要一根就可以实现分集接收，因此单极化天线需要更多的安装空间，且在以后的维护工作方面要比双极化天线要大，至于空间分集与极化分集增益差别不大，一般空间分集增益在3.5dB左右。从天线尺寸方面来说由于双极化天线中不同极化方向的振子即使交叠在一起也可保证有足够的隔离度，因此双极化天线的尺寸不会比单极化天线更

8、大共四十八页极化损失 如果电波在传播过程中电场的方向是旋转的，就叫作椭圆极化波。旋转过程中，如果电场的幅度，即大小保持不变，我们(w men)就叫它为圆极化波。向传播方向看去顺时针方向旋转的叫右旋圆极化波，反时针方向旋转的叫做左旋圆极化波。垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收；水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收；右旋圆极化波要用具有右旋圆极化特性的天线来接收；而左旋圆极化波要用具有左旋圆极化特性的天线来接收。当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中通常都要产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生分贝的极化损失

9、，即只能接收到来波的一半能量。 当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中通常都要产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生分贝的极化损失，即只能接收到来波的一半能量；当接收天线的极化方向（例如水平或右旋圆极化）与来波的极化方向（相应为垂直或左旋圆极化）完全正交时，接收天线也就完全接收不到来波的能量，这时称来波与接收天线极化是隔离的。 隔离代表馈送到一种极化的信号在另外一种极化中出现的比例 。共四十八页天线辐射电磁波的基本原理 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.如果导线位置如由于两导

10、线的距离很近，且两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消(dxio)，因而辐射很微弱。如果将两导线张开，这时由于两导线的电流方向相同，由两导线所产生的感应电动势方向相同，因而辐射较强。当导线的长度远小于波长时，导线的电流很小，辐射很微弱. 当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，因而就能形成较强的辐射。通常将上述能产生显著辐射的直导线称为振子。 共四十八页同轴线变化(binhu)为天线共四十八页 两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波长(bchng)。全长与波长(bchng)相等的振子，称为全波对称振子。将振子折合起来的，称为折合振子。一个(y )1/2波长的对称

11、振子 在800MHz 约 200mm长 400MHz 约 400mm 长1/2波长1/4波长1/4波长1/2波长振子波长共四十八页半波振子(zhn z)上的场分布共四十八页天线(tinxin)方向图天线的方向性是指天线向一定方向辐射(fsh)电磁波的能力。对于接收天线而言，方向性表示天线对不同方向传来的电波所具有的接收能力。方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的发射或接收电磁波的能力。 天线方向图是空间立体图形，但是通常用两个互相垂直的主平面內的方向图来表示，称为平面方向图；一般叫作垂直方向图和水平方向图水平方向图有全向天线与定向天线之分，而定向天线的水平方向图的形状也有很多种，如心型、

12、8字形等天线具有方向性本质上是通过振子的排列以及各振子馈电相位的变化来获得的，在原理上与光的干涉效应十分相似。因此会在某些方向上能量得到增强，而某些方向上能量被减弱，即形成一个个波瓣或波束和零点。能量最强的波瓣叫主瓣，上下次强的波瓣叫第一旁瓣，依次类推。对于定向天线，还存在后瓣。共四十八页全向天线方向(fngxing)图在振子(zhn z)的轴线方向上辐射为零，最大辐射方向在水平面上在水平面上各个方向上的辐射一样大 共四十八页定向天线的水平(shupng)及垂直方向图共四十八页顶视在地平面上，为了(wi le)把信号集中到所需要的地方，要求把“面包圈” 压成扁平的 一个单一的对称振子具有(jy

13、u)“面包圈” 形的方向图全视侧视共四十八页方向(fngxing)图旁瓣显示上旁瓣抑制(yzh)下旁瓣抑制共四十八页波束宽度在方向图中通常都有两个(lin )瓣或多个瓣，其中最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称 为副瓣。主瓣两半功率点间的夹角定义为天线方向图的波瓣宽度。称为半功率（角）瓣宽。主瓣瓣宽越窄，则方向性越好，抗干扰能力越强。工程上一般用3dB波瓣宽度。方位(fngwi)即水平面方向图120 (eg)峰值 - 10dB点 - 10dB点10dB 波束宽度60 (eg)峰值 - 3dB点 - 3dB点3dB 波束宽度15 (eg)峰值 - 3dB点- 3dB点32 (eg)峰值- 10dB点-

14、10dB点俯仰面即垂直面方向图共四十八页在“扇形覆盖天线”中，反射面把功率聚焦到一个方向进一步提高了增益。这里, “扇形覆盖天线” 与单个对称振子(zhn z)相比的增益为10log(8mW/1mW) = 9dBd “扇形覆盖天线 ”将在接收机中有8mW功率 “全向阵” 例如(lr)在接收机中为4mW功率 (顶视)天线形成定向辐射的原理 反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线共四十八页 前后(qinhu)抑制比方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比。前后比大，天线(tinxin)定向接收性能就好。基本半波振子天线(tinxin)的前后比为，所以对来自振子前后的相同信号电波具有相同的接收能力。一般

15、天线的前后比在18 45dB之间，对于密集市区要积极采用前后比抑制大的天线前向功率后向功率以dB表示的前后比 = 10 log 典型值为 25dB 左右目的是有一个尽可能小的反向功率(前向功率)(反向功率)共四十八页零点填充(tinchng)和上副瓣抑制旁瓣抑制与零点填充(tinchng)（Elevation Upper Side lobes & Null Fill）基站的服务对象是地面上的移动电话用户，指向天空的辐射是毫无意义的。 共四十八页低上部旁瓣波形(b xn) 来自邻近蜂窝单元的干扰信号蜂窝单元内的手提电话信号 低上旁瓣能减少干扰 共四十八页增益是指在输入功率(gngl)相等的条件下

16、，实际天线在最大辐射方向与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的场强的平方之比，即功率之比。增益一般与天线方向图有关，方向图主瓣越窄，后瓣、副瓣越小，增益越高。全向天线增益(zngy)与垂直波瓣宽度共四十八页一个单一(dny)对称振子dipole具有面包圈形的方向图辐射 一个各向同性( xin tn xn)isotropic的辐射器在所有方向具有相同的辐射一个天线与对称振子相比较的增益用“dBd”表示一个天线与各向同性辐射器相比较的增益用“dBi”表示例如: 3dBd = 5.15dBidBd 和 dBi的区别2.15dB 对称振子的增益为2.15dBi 共四十八页若 ZA 表示天线的输入阻抗(

17、sh r z kn)，Z0 为天线的标称特性阻抗 ，则天线的反射系数为 ， 。也可以用回波损耗表示端口的匹配特性， 。VSWR = 1.5:1 时，R.L. = 13.98dB。9.5 W80 ohms50 ohms朝前: 10W返回(fnhu): 0.5W天线驻波比共四十八页 在不匹配的情况下,馈线上同时存在入射波和反射波。两者叠加，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减为最小，形成波节。其它(qt)各点的振幅则介于波幅与波节之间。这种合成波称为驻波。反射波和入射波幅度之比叫作反射系数。 反射波幅度 （L。） 反射系数 入射波幅度 （L

18、。） 驻波波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数，也叫电压驻波比(VSWR) 驻波波腹电压幅度最大值max （1+） 驻波系数 驻波波节电压辐度最小值min （1-） 终端负载阻抗和特性阻抗越接近，反射系数越小，驻波系数越接近于，匹配也就越好。馈线和天线(tinxin)的电压驻波比共四十八页驻波比、反射(fnsh)损耗和反射(fnsh)系数 共四十八页手机(shu j)天线频段NFC：13.56MHz，频偏+/-7KHz，带宽(di kun)1.921MHz蓝牙：2400-2480MHzWIFI：2400-2480MHz/5150-5875MHzGPS：1170-1600MHz（L1-L5）；

19、北斗：1166-1592MHz（B1/B2/B3）Glonass：1190-1610MHz移动电视(CMMB) :474MHz-794MHz收音机：76MHz-108MHz共四十八页频段子频段信道上行频率（MHz）下行频率（MHz）GSMGSM850128 190 251824894EGSM900975 37 124880960DCS1800512 698 88517101880PCS1900512 661 81018501990CDMACDMA8001013 384 777824894190025 600 117518502167TDTD SCDMA-F9404 9500 959618801

20、919TD SCDMA-A10054 10087 1012120102024WIFI、BT-24002480GPS-1575.42NFC-13.56手机(shu j)天线频段共四十八页频段UPDLUP(Freq）MHzDL（Freq）MHzbandW21009612105621992.62112.6975010700195021409888108381997.42167.4bandW1900926296621852.61932.69400980018801960953899381907.41987.4bandW90027122937882.6927.627883013897.6942.6286

21、33088912.4957.4bandW85041324357826.6871.64183440883588042334458846.4891.4手机(shu j)天线频段共四十八页手机(shu j)天线频段共四十八页手机天线(tinxin)频段共四十八页手机天线结构(jigu)上的几种基本形式PIFA天线IFA天线monopole天线共四十八页单馈电(ku din)接触方式monopole天线共四十八页双馈角接入方式(fngsh)PIFA天线IFA天线共四十八页手机天线的几种(j zhn)工艺介绍 钢片工艺(gngy)天线优缺点 优点：成本低模具简单缺点：设计线路中限制因素较多易变形触角接触

22、容易不良钢片天线采用冲压成行，在表面打孔，依靠支架或者后壳热熔柱固定。一般功能机采用较多，智能机基本没有钢片天线。共四十八页 FPC工艺(gngy)天线优缺点优点：设计方面能有效的利用天线有利空间一致性较好电性能好缺点(qudin)：部分边缘幅面有起翘贴歪褶皱问题成本较钢片略高一般贴在支架或者后壳上，采用顶针或者弹角接触，触角一般要求镀金，保证接触良好。智能机普遍采用。共四十八页 PCB工艺(gngy)天线优缺点优点：设计方面强度(qingd)好，不容易损坏，一般用在机顶盒、路由器、POS机、笔记本等2.4G wifi天线领域一致性较好、不容易起翘相对FPC和钢片来说，容易装配，制作工艺比钢片

23、简单缺点：PCB只适合平面区域PCB一般需要配套同轴线，成本较钢片高共四十八页 胶棒工艺(gngy)天线优缺点优点：设计方面受机器干扰小、信号强度好，效率高、天线全向性好，一般用在路由器、机顶盒、对讲机领域一致性较好、不存在起翘问题缺点(qudin)：不美观成本贵共四十八页 LDS工艺(gngy)天线优缺点优点：3D 图案成型的设计适应性最大程度地利用天线有利(yul)空间一致性高缺点：需要特殊材料打样周期较长成本较FPC略高需要采用特殊的材质壳料，天线经过镭雕化镀成形。高端智能机，4G手机采用较多。多频段及恶劣环境采首选。共四十八页天线调试(dio sh)过程量产共四十八页评估：在机器未投模

24、之前（或者已经投模未调试），客户给初步成型图纸评估，（注意图纸要整机图，需要整机工艺）一般我公司根据情况适当建议客户做一些有利于天线方面的环境改善。评估分RF评估和结构评估两部分，分别确认电性能和结构可行性。无源调试：最初拿到的机器通过网络分析仪进行调试，主要调试驻波回损。此时(c sh)调试一般需要的壳料或者支架数量3。有源调试：第一时间传导主板，主板没有问题就将调试好无源的天线需要测试整机有源数据，将天线调试到一个最佳状态。然后打样继续验证。（若主板传导有问题应及时返回客户校准。） 试产：前期调试全部完成，打样偏差不大，并且需要客户提供最终整机，数据符合客户试产需求，及可根据客户要求数量安排天线试产。量产：若手机最终与试产机器没有物料更换，按照试产样品开模，验证模样后即可量产。一般客户更换物料会导致天线测试数据偏