《电磁波与天线仿真与实践》课件-电波与天线知识点23 天线在移动通信中的应用

谭立容电话858422751号实训楼B511电子信息学院南京信息职业技术学院天线在移动通信中的应用移动通信基站天线基站天线的特点和要求移动通信系统中的移动用户，无论是手持机还是车载台，它们的天线都受使用条件的限制，只能使用结构简单，小型轻便的天线；而基站的位置是固定的，服务对象数量众多，为它配置的天线应具有高性能并满足下述要求:

（1）考虑到地球的曲率和地物的阻挡作用，基站天线必须架设在离地很高处，如建筑物顶上或专用的小铁塔上。为了使用户在移动状态下使用方便，天线应采用垂直极化形式。（2）为了保证基站与业务区域内的移动用户之间的通信，在业务区域内，无线电波的能量必须均匀辐射。根据系统组网方式的不同，基站天线的方向性分为两类：一类基站位于小区中心，其用户分布于基站四周地面上，此时要求天线在水平面内为全方向性；另一类基站位于小区的顶点或一侧，其用户分布于一定张角（常用的为120°和60°）的区域内，要求天线在水平面内为具有扇形方向图的弱定向辐射。（3）要求基站天线的增益应尽可能高，由于业务区域已经确定了，要求天线的方向性在水平面内为全向或弱定向。为节省发射机功率，不能通过增加水平面的波束宽度来提高天线的增益，只能通过压缩垂直面方向图的波束宽度来提高天线增益。例如：使全向天线具有如图5-28所示的方向图。其中图（a）为垂直面方向图，图（b）为水平面方向图。图5-28全向天线的方向图(a)垂直面方向图；(b)水平面方向图（4）为了保证基站天线能同时同许多移动站进行通信，必须采用多信道。这就要求天线具有宽带特性和分路及（或）合成信道功能。当发射和接收共用一副天线时，对900MHz蜂窝系统天线的相对带宽要求大于7%。如果几个系统（即模拟陆地移动电话和数字移动电话）共用一副天线，就需要更宽的天线频带宽度。按照无线电规则的安排，900MHz陆地移动通信的频带范围为810～960MHz。为了用一副天线覆盖整个频带，就需要17%的相对带宽。当天线既发射又接收时，就会产生无源交调，从而增加干扰，因此还应采用无源交调的抑制技术。基站高增益全向天线

1．并馈共轴型通过分支馈线对天线中每个振子实现等幅同相馈电的全向天线称为并馈共轴型天线。图5-29表示出两种辐射单元输入阻抗和发射机输出阻抗均为50Ω、有四副振子的共轴天线。图中单纯用作能量传输的馈线长度可以不限，但它们到各个振子的长度应相同，以保证同相馈电。图中用虚线画出长度为四分之一波长（或其奇数倍）的电缆段兼作为阻抗变换器。这是一种方便实用的阻抗匹配方法。当辐射单元的输入阻抗不是50Ω时，也可以用类似的方法实现并联馈电。注意，配用的同轴电缆的特性阻抗应尽量与商业产品的规格相一致或接近。图5-29并馈共轴型天线图5-30实际水平方向图和理想水平方向图和图5-31配有N路功率分配器的并馈共轴型天线

2．串馈共轴型串馈共轴型阵列天线的关键是利用180°移相（或π倒相）器，改变长直载流导线（L>λ）上电流的相位分布，使各线段上的电流分布接近同相，以取得需要的方向特性。图5-32表示加入π倒相器前后，长直导线上的电流分布情况。图5-33的串馈阵采用集中参数的螺旋线圈为移相器。移相线圈相当于一个慢波结构，使原来带有反相电流的区段长度大大缩小，使它们的辐射作用可以被忽略。螺旋移相式串馈阵的直线辐射段的长度可以是λ/2或5λ/8（分别配用展开长度为λ/2和5λ/8的螺旋线圈）。分析和测量结果表明，在天线总长相同时，辐射段长度为5λ/8的结构具有较好的辐射特性。由于直线辐射段和螺旋移相线圈都有损耗，离馈电端愈远处，电流的振幅愈小。因此，在辐射单元数量相同时，串馈阵与并馈阵相比，前者在垂直面的方向性较弱，增益也较低。图5-32长直导线上的电流分布

5-33螺旋移相式串馈阵实际中还采用填充介质的同轴电缆段作为辐射单元的串馈阵。其结构原理如图5-34（a）所示。辐射振子就是同轴线的外导体，将相邻的同轴电缆段的内、外导体交叉连接，就能在它们的外导体外表面上得到等幅同相的电流分布。电缆辐射段的长度应等于1/2导波波长，即l=λg/2。其中，λg为工作波长。若在同轴线内部填充介电常数为εr=2.25的介质，则每段同轴线的长度为（5-3-1）式中，λ0为自由空间波长。图5-34同轴电缆组成的高增益天线图5-35表示一个12段的交叉倒相串馈共轴天线的芯线及外观，其工作频率为910MHz，在±25MHz带宽内，增益大于8dBi，包括玻璃钢护套及底座在内全长1.7m。天线芯线最顶上一段的长度为（λ0/4+λg/4）。在λg/4处，同轴电缆内、外导体短路，这是为了保证天线各辐射段上的电流分布接近均匀和同相。这种天线的突出优点是增益高、垂直极化、水平面内无方向性，且结构紧凑、性能稳定、使用方便，尽管安装在风力强劲的高处，也能长期可靠工作。图5-35同轴高增益天线基站高增益定向天线（扇形波束天线）图5-36角形反射器天线图5-37120°角反射器表5-5定向天线典型的结构尺寸角反射器的优点是通过控制反射器的张角可调整其波束宽度。图5-38示出了一种典型单元角反射器天线的基本结构。当馈源——初级辐射器是半波振子时，角反射器的口面张角与水平面半功率波束宽度的关系以及口面张角和方向性的关系如图5-39所示，当口面张角为120°～270°时，扇形波束的半功率角为60°～180°。图5-38角反射器天线的基本几何结构图5-39角反射器天线的口面张角与半功率波束宽度的关系（f=900MHz,D=0.28λ）双频扇形波束天线图5-41双频角反射器天线的结构图5-42双频角反射器天线的波束宽度特性手机天线的分类

手机天线的分类

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。一、外置天线优点：频带范围宽、接收信号比较稳定、制造简单、费用相对低缺点：天线暴露于机体外易于损坏、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、同时对于FDD的系统，

接收和发送必须使用不同的匹配电路。外置天线单极天线螺旋天线PCB印制螺旋天线拉杆天线（1）单极天线

传统的外置天线一般为单极天线，虽然制作简单，但是尺寸较大，不便于携带。

（2）螺旋天线及PCB印制螺旋天线

螺旋线是一种慢波结构，螺旋天线实际也是一种慢波化的单极天线。由于螺旋线的作用，减小了电磁波沿螺旋线传播的相速度，因此天线的长度可以缩短。

也正是由于螺旋线的慢波结构，使得天线的带宽窄，天线的储能大，辐射效率降低。PCB板螺旋天线实际是一种变形的螺旋天线，利用PCB板的介电常数进一步降低天线的尺寸而已。

因此，

一般采用螺旋天线来降低天线的尺寸（法向螺旋），使用印制在PCB的螺旋天线来得到更小尺寸与各种形状的外置天线。

这种天线还有许多种变形形式，能够实现多频、宽带的要求，有很强的灵活性，因此在外置天线中，此类天线的应用越来越广。螺旋天线PCB板螺旋天线（3）拉杆天线

一般是采用一节1/4波长螺旋和一节1/2波长螺旋构成，需要介质棒去耦，用来实现手机的高增益，在手持情况下，其增益可增加6dB以上。（4）综述

单极天线由于其要求的长度长，一般不使用。

拉杆天线虽然有效增益高，电性能较好，但其结构复杂，同时需要使用记忆金属作材料，因此价格较贵，应用较少，我们不考虑使用。

螺旋天线以其良好的辐射特性、小体积、频带扩展容易实现的特性成为外置天线的的主流，但其体积还是较大，同时形状固定，不适合手机造形设计等特殊要求。PCB形式的螺旋天线比普通螺旋天线的体积更小，天线形状是扁平特性的，同时此类天线的设计具有较强的灵活性，应用渐多。

在外置天线的应用中螺旋天线还是第一选择，其次是PCB形式的螺旋天线。二、内置天线特点：（1）可以做得非常小，不易损坏；可以将其安放在手机中远离人脑的一面，而在靠近人脑的部分贴上反射层、保护层来减小天线对人体的辐射伤害。（2）可以安装多个，很方便组阵，从而实现手机天线的智能化，这一点对移动通信系统来说非常有用。

内置天线的形式特别多，包括微带贴片天线、缝隙

天线

、IFA天线和倒L天线、PIFA、陶瓷天线等等。但目前的主流天线主要有两种：PIFA天线、MONOPOLE单极天线。（1）PIFA天线PIFA是现在使用得最多的一种内置天线，具有体积小，增益高，带宽相对较宽的特点，是在手机天线中使用得最多的天线。用在手机上的PIFA天线

辐射体面积550～600mm2。天线与主板有两个馈电点，一个是天线模块输出，另一个是RF地。天线的位置在手机顶部。PIFA皮法天线如按要求设计环境结构，电性能相当优越，包括SAR指标，是内置天线首选方案。适用于有一定厚度手机产品，折叠、滑盖、旋盖、直板机。（2）MONOPOLE单极天线

辐射体面积300～350mm2，与PCB主板TOP面的距离（高度）3～4mm，天线辐射体与PCB的相对距离应大于2mm以上。天线与主板只有一个馈电点，是模块输出。天线的位置在手机顶部或底部。MONOPOLE单极天线如按要求设计环境结构，电性能可达到较高的水平。缺点是SAR稍高。不适用折叠、滑盖机，在直板机和超薄直板机上有优势。

三、内、外置天线比较

目前手机天线主要就内置及外置天线两种，内置天线客观上必然比外置天线弱。天线的架设都是尽量远离地面和建筑物的，天线接近参考地的时候，大部分能量将集中在天线和参考地之间，而无法顺利发射，所以天线发射，需要一个“尽量开放”的空间。而手机电路版就是手机天线的