东南大学 硕士学位论文 穿戴式天线的研究与设计 姓名：苑思齐 申请学位级别：硕士 专业：电磁场与微波技术 指导教师：章文勋 20070601 箍要 摘要 穿娥式天线是可穿戴于人或物并能与之共形的天线，其特点是低轮廓、小尺 亏显灭绞性戆黠太域耱瓣毪获及运动不敏感，零交蓄先溺谯了穿戴式天线熬发 展，归纳和总结了各种穿戴式天线的设计方法及性能优劣，并提出不依赖材料的 穿戴式灭线匏设诗方寨，帮采瘸赘接建叛豹袋载摹授予天线络桴；夔蜃载述。7 摹 极子天线辐射机理和结构演变，分析了几种低轮廓单极予天线用于穿戴式天线的 可行饿，基于匿盘加载单投子天线具有轻型低剡露结构，容易蕊工、方国缝图全 向覆旒和辐射垂直极化波等特点，采用双圆盘加载结构设计了一种工作予W L A N ( 无线局域屑) 2 4 5G H z 和5 8G H z 频段的激频天线，经计算机软件仿冀在两 个中心频率处分剐获得8 帮1 7 的阻抗匹配带宽( V S W R 其中芦= 2n 是自由空间的相移常数。 图2 2 所示是天线高度势别为h x 4 ，x ，2 ，2 x 绉x ，4 时垂誊平嚣上斡方晦匿，搀与对 成的自由空间长度分踟为2 一x 4 ， 2 , 2 x , 3x 4 时的方向图与乏比较，h 逐渐增大，渡瓣 变窄：h 0 5 ( ，1 8 0 6 ) 时，方向图出现副瓣。 2 、骞效蹇袭 假设天线上电流为正弦分布，其有效高度可表示为 趣= O - c o s p h ) p 融, a h ( 2 1 2 ) 当 x 上式可简化为 1 5 查堂盔堂堡圭璺堡堡苎一 趣= h 2 ( 2 3 ) 3 、辐射电暇 无限太理想萼髂裘垂接蠛蹇立单援子天线熬辐射电黻是夔天线袁度变纯见鹭2 3 其 中短单极予的辐射电阻为 R r = 加a2 ) 2 h 、 詹。C 日， t 妒 忌( n ， 1 5 D 1 2 器 量O O O I - 3 a 一_ 6 1 1 即 l D oJ 2 口 霭2 3 怒芦女盏撬 4 ，方向性霸藏 当天线高度 矗o t 5J 辩，最大辐魅方向在4 = 0 47 Y f 砖上，此时天线的方向饿系数为 D = 1 2 0 R , ( 2 4 ) s 、麓入壤凌 无限犬理想导体表面上的接地宜立单极子天线的输入阻抗为自由空阃相对应的对称振 予天线输入阻抗的一半。- 当h 0 3 时，有下蕊的近似公式 乙一霹s i n 2 p h - 毛哟肋 ( 2 5 ) 当h 彝重，霹迸一步簿缘为 z h = 4 0 石2 ( 丑) 2 一雎J 鼬 ( 2 6 ) 式中，Z c 为天线翁平均特佼酗，箕蓬为垂出空闺露巍熬j l | 鼗援子天线鹣平均特魏疆撬豹 一半 2 1 2 有黻理想导体表面上的超蠛波单援，毫线 1 ，嫠遣教瓣天线瓣影璃 镜像瑗论不再通用有限导体表面上的单极予天线，其具体分析方法可参见文献【2 】【3 】， 冀辕入阻抗睫有限毅盘接地掇毫径变他在圆戮轰径先1 0x 时为I I 蠡界点，当匮盘赢径大子 1 0 x 时，朗分之一波长韵单板子天线钓电阻和溉抗变化小于lQ 接地板的直径d 对输入阻抗的影响不大，但对单极平天线的方向图影响很大，图2 4 是 觳予壹径凳1x 、2 x 帮璩x 强鑫接壤援孛心熬x 4 单缀子天线纛塞嚣方辩匿“1 ，箕主瓣方 1 6 第：掌单授予天线 向融经脱离水平面襁超短波波段，短单极子情况下，最丈辐射发嫩在仰角_ d m 方向。, d m 由下式决定 c o s A m = 1 - 3 五4 d ( z 7 ) 圆形导体平垂也可以用辐射状螅金属棒代替，可以通过调整金麟棒鲍下顿角度调燕方彝 萄最大辐射方向沿水平面方向 篇弧 溪箩 霹2 ，4 崔径为l x 、2 土和l O x 棚盘接地擞的盖4 革擐子天线囊宣亟方向雕 2 ，单援子介质套加羲 同轴线激励的加鬻单极子见图2 5 ( 削面图) ，在介质层中波长缩短系数( 也称为黼度缩 短系数) 为F ，一五J I ( 2 g ) 鼙2 5 鲡套苹攒予 翟2 6 翔顼单援哭线 式中， 为自由空间波长。当单极子高度近似为 一时，加套单极子是谐振的，采用高- 篷瞧材辩，霹褥4 较小的反射累数，对天线的辐射毒剥，襄层厚度小，缩短系数丈，在制作 小晨线上，具有明显的优势。阐时磁穗材料也鞠：纯粹的介质材料更容易匹配 3 、单极子天线的顶负载 东南大学硕士学位论文 超短波段的单极直立天线的顶部加载在工程上较容易实现主要可采用对称的金属薄 片做项负载，金属薄片可以是圆形( 图2 ，6 ) 、正方形等( 第一章的图1 1 7 是圆盘顶加载的穿 戴式单极子天线) ，若不考虑直立部分的影响，顶负载电容C - 可认为是自由空间一孤立金属薄 片c o 的一半。即 乞= C o 2 ( 2 9 ) c on - - J “ 以用矩量法求得方形金属薄片( 边长为2 b ) 的C o 可以由下式计算 C o = 7 9 b ( p F 、 ( 2 1 0 ) 4 、几种单极子加载天线 图2 7 、2 8 、2 9 、2 1 0 是几种电阻、电容、电抗顶部加载的单极天线在短波超短波波 段仍在应用。 图2 7 分段电阻加载单撮天线 圈2 9 阻容加载单极天线 2 1 3 几种常用宽频带单极子天线 圈2 8 集总电容加载单极天线 圈2 1 0 电感加载天线 1 、单极圆锥天线 单极圆锥天线结构如图2 1 1 所示，锥顶可以是平的，也可以是其他形状，当这种圆锥天 线的锥角比较大时，便具有良好的宽频带特性，一般的圆锥天线是由金属圆锥体或圆锥面构 成为了减轻天线的重量及易于工程制作，也常采用导线栅来代替圆锥的导体面，即所谓的 线栅型圆锥天线四。当然该天线还有其他的变形，还可以加介质覆层来缩小天线的尺寸。图 1 8 第= 紫单极子哭线 7 矽T 蓦麓矗，4 。五。 ， 霉2 1 l 革极霉雅兴线鬻2 1 2 线雏模鍪霜雅攀撮子天线 2 1 3 是单极予圆锥天线的几种变形旧，另外在微波段单极圆锥天线可以把轮膊做的较低，也 可以应用于穿戴式天线鲍设计。霉2 ，1 4 是一令工佟子U W B 频段豹穿戴式单擐子匿镶天线 的结构示意潮和尺寸翻 c d 图2 。1 3 单程皤壤天缝几种变形 M C A 焉a 蜘M 哦簟jV 癣E t 砸溉蛔啦琵 段j e l t t P 蛐劬m 舢m 榭期m m U 啪h 蛐h 悻c a _ 崔哪l kl ，m 口瞻H l 目B k H r a 曲I 出，m 瞳溉卫t枷皿 鼙F E 扫翻l o _ h t I 睡。丑t堂嚣I l 图2 1 4U W B 穿娥式单极圆锥天线的结构和尺寸 2 、饔薏天线 旱在上世纪四十年代i 鄙，人们就已经通过实验认识到，襁普通的单极子天线外面，戴轴放 置一个与地连接的短众属简，可使天线在很宽的频带内与馈线实现良好的阻抗匹配后来， P a s o 和M a y e 隽了避一步改蔫天线静赛频繁经貌，将绩魂煮峦天线豹赢部移至套篱内。麸 而形成了典型的套简单极子天线其结构如图2 1 5 所示适当协调这些结构参数，该天线 在坡宽的频繁盎，不仅可以实现良好的阻抗匹配，两且可以获得满意的辐射方向性图，因藤， 在现代豹遗信和遥感系统中，套简单授子天线有着广泛豹翔途。但由于箕绪构的限制，很难 直撩用于穿戴式天线 1 9 节毋警拐 东南大学硕士学位论文 圈2 1 5 套筒单极子天线 3 、倒L 形天线和倒F 形天线1 9 1 如图2 1 6 所示的左图是倒L 形天线，它由作为垂直单元的短单极子和附加在单极子末 端的水平线单元组成。由于倒L 形天线垂直单元的高度北限制在一个波长的- d , 部分上， 因而基本是一种低轮廓结构，水平单元不必非常短，其长度通常约为四分之一波长，而倒 L 形天线最简单和典型的变形结构则是倒F 天线。在倒L 形天线垂直单元末端附加一小段倒 L 单元，其名字因英文字母F 而得名。 灰半单元 镜电点 图2 1 6 倒L 形天线和倒F 形天线的基本结构 倒L 天线本身阻抗值就低，因为它基本上是在单极子末端加了一段长水平线得垂直短 单极子天线，天线输入阻抗几乎等于短单极子天线的阻抗加上与地面接近的水平线的电抗， 为了增加辐射电阻，在垂直单元的末端附加另外一段倒L 形线段，就产生乐倒F 天线。这 种变形使得通过调整天线的几何尺寸就能使天线输入阻抗和负载获得较好的阻抗匹配。 细导线制造的倒L 形天线频带较窄，典型的只有中心频率的百分之一或更低。为了展宽 频带宽度，用一金属板代替原来的导线把它的结构修正，就成了如图2 1 7 所示的P I L A ( 平 面倒L 形天线) ，相对于P I L A 来说，P I F A 更为常见，多应用于W L A N 和蓝牙技术。第一 章中也曾述及该天线在穿戴式天线中的应用。 图2 1 7 平面倒L 型天线 倒L 形天线和倒F 型天线还有个最突出的特性。就是由于垂直和水平单元并存造成的 天线具有垂直和水平的双极化性能。在城区环境下，例如在电磁场呈随机起伏分步的地区， 第二章单极子天线 垂直和水平极化的合成能提供一个平均效应从而改善了接收效果 2 2 单极子天线的演变 单极子天线的演变大体经历了由3 维一2 5 维- - 2 维的演变过程，这种过程是随着现代 无线通信的需求变化而自然形成的，单极子天线平面化的过程始于2 0 0 2 年珊7 c 公布超宽频 带标准以后。 单极子天线除了由于空间限制或其他因素要求它具有较短的长度外【l 川，通常它的长度 为四分之一波长，垂直单极天线广泛的应用于调幅频段( 5 0 0 1 5 0 0 K H z ) 的商业广播。部 分原因是，在这样的波长( 2 0 0 6 0 0 m ) 上，单极子天线是长度最短的高效率天线：另外由 于在这样的频率上垂直极化波的传播损耗比水平极化波要小。在V I - I F 频率范围的战术电 台、手持电话机以及个人通信系统所使用的天线都是这种垂直单极子天线】。 由于个人通信和移动通信的蓬勃发展天线的小型化和低轮廓化成为天线的发展趋势， 单极子天线由于自身的结构优势在近1 0 年来有了长足的发展，2 5 维和2 维结构单极子天线 正成为天线研究与设计的热点之一 图2 1 8 单极子天线演变图 图2 1 9 四分之一波长的垂直塔式天线。用于较低频的广播( 低于2 M H z ) 所谓2 5 维结构单极子天线就是平面单极子结构加一和天线平面垂直的接地板构成，采 用同轴线馈电的单板子天线，见图2 2 0 。平面单极天线见图2 2 1 这两种天线的设计主要应 2 I 甩予U 船频段平面革扳子天线也胃用乎穿藏式哭线( 觅第一章) 亘酉菖，酉。蘑冒璺垦，型晕 d 哪l Id a u b h h h _ 呻州黼舭- I n m r t m - d 啄_ I _ h 州卜廿 _ 雯露鑫旦重 嚣复2 0 鑫释2 。S 维缕稳魏摹强天线 埝拣 一p l 1 5 I H J 瞄 ll 一p ( a 3 目h 虻= 爿 - jp 3 0 - - - 田 U n j t ， o U 匕 y 移 。 - - 豳2 2 1 各种结构的2 雅单授天缱 2 3 单极子天线的多频设计 出于实际应用系统的需要，钍往需要多频段工作的天线设计，典攫的如W L A N 频段，在 2 4 5 G H z 、5 2 G H z 和5 8 G H z 有三个颏段的工诈频摩，如暴能在一个哭线内实现多频段王f # 。 无疑楚种穰方使的设计选择。单板子天线种类繁多，箕多频段设计方式也种粪繁多，斑就其 本质上是来说是谐振天线，多颧设计的荧键就是创造更多的谐振点