天線的類別及設(shè)計要點介紹

1、螺旋天線

螺旋線是一種慢波結(jié)構(gòu)，螺旋天線實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，因此天線的長度可以縮短。

天線的設(shè)計只需根據(jù)螺旋線的相速度求出天線的等效波長，根據(jù)單極天線的設(shè)計方式即可得出所求。

也正是由于螺旋線的慢波結(jié)構(gòu)，使得天線的Q值高，帶寬窄，天線的儲能大，輻射效率降低。

多頻段螺旋天線的設(shè)計方法見下節(jié)，其設(shè)計公式未見過，但可通過直立單極天線的結(jié)構(gòu)來推導(dǎo)出。

2、PCB板螺旋天線

PCB板螺旋天線實際是一種變形的螺旋天線，利用PCB板的介電常數(shù)進一步降低天線的尺寸而已。

3、PIFA天線

PIFA天線是對倒F線天線的擴展而得到的。此天線的發(fā)展須序是―頂加載――倒L天線－倒F天線－PIFA。由此發(fā)展過程即可知天線的特性與優(yōu)點。其特點是頻帶寬，體積小，剖面低。

PIFA天線相當(dāng)于大量IFA天線的并聯(lián)，其阻抗相當(dāng)于許多線型天線阻抗的并聯(lián)，因此平面型天線比線型天線的輸入阻抗要低一些，不但產(chǎn)生了寬帶諧振特性，并且縮小了尺寸。為了使天線產(chǎn)生自諧振，避免用有耗電路，應(yīng)盡量提高輻射電阻，減小損耗電阻，使天線系統(tǒng)保持一個足夠高的效率。

其設(shè)計的要點：

平板單元的周長為半個波長左右時，產(chǎn)生諧振。

設(shè)計經(jīng)驗：

在實驗中，我們發(fā)現(xiàn)天線的水平長度L1可以粗調(diào)天線中心頻率的范圍（選定一個高度H）；天線的寬度L2可以調(diào)節(jié)天線的帶寬，過寬或過窄都會使帶寬性能變差。

PIFA天線相對頻帶寬度有一個極限值，約為16%左右。

天線的高度H可調(diào)節(jié)天線的帶寬范圍和效率，一般H越大，帶寬越寬，效率越高，但H的增加不但使重量增加而且破壞了天線低剖面的特性。天線的饋點位置也會影響中心頻率和帶寬，一般來說，饋點離接地端越遠，中心頻率也越大，為了增加天線的輸入阻抗，饋電點離接地端不要太近。

4、微帶貼片天線

a、微帶單元天線的特點與設(shè)計

微帶天線是小型化、集成化的線天線主角，素以低輪廓、印刷工藝、便于與電路集成等優(yōu)點著稱，但又有頻帶窄和效率低的缺陷。微帶貼片天線以其三維結(jié)構(gòu)的靈活性受到各種不同設(shè)計目標(biāo)的全方位開發(fā)。它既被單獨用于手機天線中，也被廣泛用作各種陣列天線的單元，既在工程設(shè)計中以型式多樣而取勝，又多見于被電磁場數(shù)值分析用作典型實例。在微帶貼片天線中應(yīng)用光子晶體結(jié)構(gòu)（PBG）來提高微帶貼片天線性能的研究是現(xiàn)在的熱點。

微帶貼片單元天線的設(shè)計是非常簡單，在此不作說明，下面主要討論其小型化技術(shù)、多頻實現(xiàn)、寬帶實現(xiàn)的方法。

b、微帶天線的小型化技術(shù)

通過饋電點與短路點間的耦合電容來實現(xiàn)小型化。天線的諧振頻率主要取決于短路探針的粗細(xì)與位置，天線尺寸可縮減50％。缺點：

1）阻抗匹配嚴(yán)重的依賴于短路探針的位置與饋電點間的距離。

2）頻帶窄

3）H面的交叉極化電平較高

天線的諧振頻率與介電常數(shù)成反比，采用高介電常數(shù)介質(zhì)的主要問題是：激勵出較強表面波，表面損耗較大，使增益減小，效率降低。

帶寬窄，但可以采用PBG結(jié)構(gòu)抑制表面波，減小互耦合。

當(dāng)在貼片天線表面開不同形式的槽時，切斷了原先的表面電流路徑，使電波繞槽邊曲折渡過而路徑變長，在天線電路中相當(dāng)于引入了級聯(lián)電感。采用貼片開槽方式，還可以產(chǎn)生雙頻天線和圓極化天線。缺點：尺寸特別小時，天線的帶寬變得特別窄，同時天線的增益也特別低。

形微帶貼片天線一邊的尺寸要求是介質(zhì)中的二分之一工作波長，在微帶貼片天線寬邊引入不連續(xù)性僅僅依靠其自身開關(guān)的改變就可以使天線單元的面積大大減小，H形天線即采用此原理。

其是通過改變電流在貼片上的分布，增大貼片的等效長度來降低諧振頻率。從物理意義講，去除的兩塊貼片等效為在天線這個諧振腔中加入合適的電感，從而實現(xiàn)小型化的目的。

3、微帶天線的寬帶化技術(shù)

微帶天線的窄頻帶特性是由于其高Q的諧振特性決定的，展寬頻帶的方法即是圍繞降低天線的Q值來實現(xiàn)。

a、采用厚基板

b、采用介電常數(shù)小或介質(zhì)損耗大的基板材料

c、采用非線性基板材料，不同介質(zhì)材料覆蓋

d、附加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)對饋電電路采用寬帶阻抗匹配（如阻抗匹配電路或采用開縫耦合對天線饋電），諧振是并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，饋電一般等效為一個電感。

如果是多頻天線，用外部匹配電路來擴展低波段振子的電性能，即“加寬頻帶”。匹配電路一般采用高通設(shè)計，以便該匹配電路對高波段振子來說是透明的。這樣的電路還可降低天線的最低工作頻率。

f、采用多層結(jié)構(gòu)，采用多貼片諧振。也可用無源振子來產(chǎn)生四極點響應(yīng)，以增加天線的帶寬?；?qū)⑻炀€維持為二極點結(jié)構(gòu)，必要時再通過匹配電路引入額外的極點。

一般來說，前三種方法的效果比較不明顯，第四種方法需要設(shè)計寬帶匹配電路，但電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作難度比較大。因此我們采用第五種方法，該方法是利用多貼片耦合的方式，使每個貼片天線的諧振中心頻率各不相同，而各諧振帶寬又相互交叉，使整個天線的總體帶寬展寬。