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学校编码:10384 分类号 密级 号:200430010 UDC 用于 WCDMA 系统移动终端陶瓷天线 的设计与实现 The Design and Implementation of Ceramic Antenna for Mobile Terminals of WCDMA System 指导教师姓名: 游佰强副教授 专 业 名 称: 无 线 电 物 理 论文提交日期: 2007 年 4 月 论文答辩时间: 2007 年 5月 学位授予日期: 2007 年 月 答辩委员会主席人: 2007 5 厦门大学博硕士论文摘要库

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学校编码:10384 分类号 密级

学 号:200430010 UDC

硕 士 学 位 论 文

用于 WCDMA 系统移动终端陶瓷天线 的设计与实现

The Design and Implementation of Ceramic Antenna

for Mobile Terminals of WCDMA System

黄 龙 海

指导教师姓名: 游佰强副教授

专 业 名 称: 无 线 电 物 理 论文提交日期: 2007 年 4 月 论文答辩时间: 2007 年 5 月 学位授予日期: 2007 年 月

答辩委员会主席:

评 阅 人:

2007 年 5 月

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厦门大学学位论文原创性声明

兹呈交的学位论文,是本人在导师指导下独立完成的研究成果。本人在

论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果,均在文中以明确方式标明。

本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。

声明人(签名): 黄龙海

2007 年 5 月 21 日

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厦门大学学位论文著作权使用声明

本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大学有权保留

并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电子版,有权将学位论文用

于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅,有权将学位论文的

内容编入有关数据库进行检索,有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的

学位论文在解密后适用本规定。

本学位论文属于

1.保密(),在 年解密后适用本授权书。

2.不保密( )

(请在以上相应括号内打“√”)

作者签名: 日期: 年 月 日

导师签名: 日期: 年 月 日

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摘 要

摘 要

本文主要围绕大带宽、小尺寸天线展开系列研究工作。首先在检索国内外相

关领域的 新研究动态和我们研究项目的前期工作基础上,提出了采用高介电常

数陶瓷天线与光子带隙结构相结合的手段来设计小型化 WCDMA 移动终端天线

的新方案,完成了实际天线样品的制作,并通过对天线方向图仿真、输入端反射

系数等参数的实测优化,进一步完善了此方案的实施技术。

论文中实际天线的设计制作还成功地将近年来发展迅速的光子带隙(PBG,

Photonic Band-Gap)技术,应用到了所设计的陶瓷天线接地板上,在谐波抑制、

带宽、尺度控制等方面取得了一定进展。陶瓷天线样品尺寸只有 3cm×3cm,是

普通同频微带天线尺寸的 15%,可直接放入移动终端中。

研究工作是从利用专业软件对常用通信系统(EGSM、DCS 和 PCS)微带天

线进行仿真设计入手的,然后针对 WCDMA 通信系统实际需求设计出了陶瓷天

线, 后加工制作出一款陶瓷天线样品并进行实验测试和比较分析。实验结果表

明,陶瓷天线 E 面和 H 面的方向图在 WCDMA 收发频段(1920MHz~2170MHz)

都可获得较好的辐射幅度,并保持了陶瓷天线大角度的辐射方向,验证了理论构

思和设计的正确性。

在基本设计的基础上,本文还讨论了此类天线的实现 大功率传输技术,成

功地设计了低成本的π型匹配网络。通过测试实际匹配后的陶瓷天线样品的反射

系数 S11 可知,S11 在 1910MHz~2400MHz 内小于-10dB,工作带宽可达 490MHz,

工作频带内的 小回波损耗可降低到-39.75dB,完全覆盖了目前 WCDMA 的收

发频段。本文设计的陶瓷天线达到了大带宽、小尺寸的基本要求,所实现的技术

和性能指标也达到了 WCDMA 系统移动终端的天线设计要求,具有广阔的商用

前景。

关键词:陶瓷天线;PBG;WCDMA;FDTD; 匹配网络

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Abstract

Abstract

Our work focuses on a new kind of antenna with broad bandwidth and small in

size. Based on the review of the newest researches tendency in the home and abroad

and the prophase studies of ourselves, we propose a new kind of antenna which could

be used in WCDMA mobile terminal with a new technique by which combines the

ceramic ground plane with high dielectric and the Photonic Band-Gap on it. It has

been proved that more perfect radiation patterns and mini shape could be obtained,

which fill a blank of this research area.

The PBG technology is developing rapidly in the recent years. In this paper, the

PBG structure is adopt on the ground plane of the designed ceramic antenna. And the

better electric properties such as make harmonic restraint, bandwidth and size control

have been obtained. The shape of the ceramic antenna is only 3cm×3cm in size, which

is only 15% of the normal microstrip antenna under the same working frequency,

which makes it possible to put itself in the WCDMA mobile terminals entirely.

We began our research works form the emulation of the microstrip antenna of

EGSM、DCS and PCS with the professional software, then the ceramic antenna that

can meet the requirements of WCDMA system, and at last, a sample of the ceramic

antenna is manufactured, tested and analyzed. The measured E plane and H plane

radiation patterns show that the emission amplitude of ceramic antenna is good

enough working on the 1920MHz~2170MHz frequency band, and the large-angle

radiation direction is kept. Thus, all these make sure the project.

On the fundamental design of the ceramic antenna, the technology of the greatest

power transmission is discussed in the paper. Here a kind of π matching network is

selected to match this antenna, since it is an easy on design and low in cost. After the

antenna being matched with this network, the measured return loss is less than -10dB

in the 1910MHz~2400MHz frequency band, and the working frequency band is

490MHz which fully covers with the WCDMA frequency bands of sending and

receiving. And the minimum return loss of which is only -39.75dB. The designed

ceramic antenna can meet the requirements of broad bandwidth and size, and the

properties of the ceramic antenna also accord very well with the design targets, and

the vast commercial could be prospects in the future.

Key words: Ceramic Antenna; PBG; WCDMA; FDTD; Matching Network

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目 录

目 录

第一章 绪论 ...............................................................................................................1

1.1 研究背景 .............................................................................................................1 1.2 论文的主要研究工作 .........................................................................................3 1.3 论文的创新点 .....................................................................................................3

第二章 陶瓷天线的理论分析 ...................................................................................4

2.1 陶瓷天线的结构 .................................................................................................4 2.2 陶瓷天线的性能及其应用 .................................................................................5 2.3 陶瓷天线的原理分析 .........................................................................................5 2.4 陶瓷天线的 FDTD 分析 ....................................................................................9 2.4.1 麦克斯韦方程与 Yee 氏算法.....................................................................9 2.4.2 FDTD 迭代方程..........................................................................................10 2.4.3 FDTD 中激励源的选取..............................................................................12 2.4.4 散射系数 S11的计算 .................................................................................13 2.4.5 近远场变换...............................................................................................14

2.5 本章小结 ...........................................................................................................16

第三章 光子带隙技术的应用 .................................................................................17

3.1 光子晶体简介 ...................................................................................................17 3.2 PBG 结构在天线中的应用...............................................................................19 3.2.1 PBG 结构的实现........................................................................................19 3.2.2 PBG 结构的实际应用................................................................................20

3.3 本章小结 ...........................................................................................................21

第四章 常用通信系统的微带天线设计 .................................................................22

4.1 基板介电常数对微带天线的影响 ...................................................................22 4.2 微带天线 S11 参数实际测试 ............................................................................23 4.3 微带天线方向图测量分析 ...............................................................................25 4.4 本章小结 ...........................................................................................................29

第五章 陶瓷天线的设计及仿真 .............................................................................30

5.1 陶瓷介质基板的选择 .......................................................................................30 5.2 光子带隙结构的设计 .......................................................................................30 5.3 陶瓷天线的仿真设计 .......................................................................................31 5.3.1 陶瓷天线仿真过程...................................................................................31 5.3.2 陶瓷天线各种基本参数对天线性能的影响...........................................33

5.4 本章小结 ...........................................................................................................40

第六章 天线的实际制作及测量分析 .....................................................................42

6.1 天线的实际制作 ...............................................................................................42 6.2 天线测试系统的建立 .......................................................................................43

6.2.1 OATS(Open area test site) ......................................................................44

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用于 WCDMA 系统移动终端陶瓷天线的设计与实现

6.2.2 测量距离的确定.......................................................................................45 6.3 实测数据与仿真结果对比分析 .......................................................................45 6.3.1 辐射方向图的测量...................................................................................45 6.3.2 天线匹配电路的设计...............................................................................47 6.3.3 天线输入反射系数的测量.......................................................................51

6.4 本章小结 ...........................................................................................................51

第七章 总结与展望 .................................................................................................53

参考文献 .....................................................................................................................56

附录一:实验测试系统图 .........................................................................................60

附录二:实验仪器与天线样品 .................................................................................61

攻读学位期间发表的学术论文 .................................................................................62

致 谢 .........................................................................................................................63

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Contents

Contents

Chapter 1 Foreword .................................................................................................1

1.1 Subject background and its significance ..........................................................1 1.2 Main research work of the paper......................................................................3 1.3 Innovative points of the paper...........................................................................3

Chapter 2 The theory analysis of the Ceramic Antenna .......................................4

2.1 The configuration of Ceramic Antenna............................................................4 2.2 The capability and applications of Ceramic Antenna .....................................5 2.3 The principles of the Ceramic Antenna............................................................5 2.4 The FDTD analyse of the Ceramic Antenna ....................................................9

2.4.1 Maxwell equation and Yee algorithm ............................................................9 2.4.2 The iterative equation of FDTD...................................................................10 2.4.3 The excitation sources presented in FDTD..................................................12 2.4.4 Calculation of the scattering coefficient S11.................................................13 2.4.5 Near field to far field transformation ...........................................................14

2.5 Brief summary ..................................................................................................16

Chapter 3 The application of PBG technology.....................................................17

3.1 The introduction of photonic crystals.............................................................17 3.2 The applications of PBG structures in antennas ...........................................19

3.2.1 The accomplishment of PBG structures.......................................................19 3.2.2 The practical applications of PBG structures...............................................20

3.3 Brief summary ..................................................................................................21

Chapter 4 The design of microstrip antenna in common system .......................22

4.1 The influence of substrate medium materials................................................22 4.2 The measure of S11 for microstrip Antenna....................................................23 4.3 The measure of orientation for microstrip Antenna .....................................25 4.4 Brief summary ..................................................................................................29

Chapter 5 The design and simulation of the Ceramic Antenna..........................30

5.1 The choice of substrate medium materials.....................................................30 5.2 The design of PBG structures..........................................................................30 5.3 The simulation of the Ceramic Antenna.........................................................31

5.3.1 The process of the antenna simulation.........................................................31 5.3.2 The influence of basic design parameters on antenna performances...........33

5.4 Brief summary ..................................................................................................40

Chapter 6 The execution and measurement analysis of the antenna ....................42

6.1 The execution of the Ceramic Antenna ..........................................................42 6.2 The foundation of the measurement system...................................................43

6.2.1 OATS(Open area test site) ......................................................................44 6.2.2 The determination of measurement distances..............................................45

6.3 The contrastively analyzing of the measured data ........................................45 6.3.1 Radiation patterns ........................................................................................45 6.3.2 The design of the antenna matching network ..............................................47 6.3.3 The measurement of the input return losses.................................................51

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用于 WCDMA 系统移动终端陶瓷天线的设计与实现

6.4 Brief summary ..................................................................................................51

Chapter 7 Conclusion and expectation .................................................................53

References...................................................................................................................56

Appendix I ..................................................................................................................60

Appendix II.................................................................................................................61

The papers Published during graduate student......................................................62

Acknowledgements ....................................................................................................63

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第一章 绪论

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第一章 绪论

1.1 研究背景

随着无线通信系统的迅猛发展和用户人数的急速递增,对系统通信的容量

提出了更高的要求,由此出现了第三代移动通信系统。其中,采用直接扩频技术

的 WCDMA 通信系统除了提供传统的语音,还提供图像、数据等宽带多媒体服

务。WCDMA 系统射频的工作频率范围是 1920~2170 MHz,频宽达 250 MHz,

相对带宽达到 13%,因此对于 WCDMA 移动终端的天线设计要求有大带宽、小

尺寸,且在整个方位平面上提供均匀覆盖、0 dBi 以上的增益[1]。

近年来,移动通信的快速发展有目共睹,通信系统正向着小型化、更大容量、

多功能和智能化的趋势发展,天线的小型化和宽频带特性成为了研究的热点。手

机作为一种人与人之间的沟通工具,已经成为人们日常工作生活中不可或缺的组

成部分。由于市场的激烈竞争和人们对手机的性能以及外观的要求,手机趋于向

小型化、重量轻和多功能性发展,这就使得手机天线的设计从一个次要的地位上

升成为手机设计的重要部分。伴随集成电路的发展,无线电设备的体积大大减小,

也迫切需要一种体积小、重量轻的新型天线。

陶瓷天线是一种能够满足现代通信系统对天线的要求而发展起来的典型小

型化天线。本文设计的块状陶瓷天线工作原理与微带天线相似,它通过同轴线馈

电,在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场,并通过贴片四周与接地板间的

缝隙向外辐射。而目前商用的手机终端天线主要采用鞭状天线,其缺点是尺寸不

易缩小,且人体邻近效应的存在时会造成辐射方向覆盖不均匀。于是提出了具有

平面结构的微带天线技术。微带天线的概念早在 1953 年就由 Deschamps 提出来

了[2],但是在当时并未引起工程界的重视。1970 年由 Howell 和 Munson 研制成

功了第一批实用的微带天线。此类天线一经问世,基于微带结构的重量轻、体积

小、成本低、平面结构、可以和集成电路兼容等众多优点,就得到了较为广泛的

应用;但由于其少量的致命弱点:如带宽太窄、增益低等,从一定层面上限制了

微带天线的发展和应用。

陶瓷天线是 近几年的研究热点之一,由于它具有结构简单、尺寸小、介

质损耗小、易于加工和集成等优点非常适合用于移动终端天线,特别是 3G 系统

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用于 WCDMA 系统移动终端陶瓷天线的设计与实现

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移动终端。深入探讨陶瓷天线的设计技术、参数优化,对于扩大陶瓷天线的使用

领域,使其更广泛地应用到工业、民用、国防等领域中具有重要意义。

光子带隙(PBG,Photonic Band-Gap)结构就是可以实现光子带隙特性的周

期性结构,利用其带阻抑制特性可以实现宽带滤波,全面提高放大器效率和改善

天线的方向图特性。在微带天线中实现PBG结构时,可以在接地面上沿微带线方

向腐蚀出成周期性排列的小孔(保持介质基片不变)。将PBG结构应用于微带天

线上能够减小天线的尺寸,减少表面波的产生,提高天线的效率,改善天线的性

能,扩展天线的使用带宽等[3]。研究可用于WCDMA系统射频的工作频段同时又

能扩展带宽的PBG对于陶瓷天线工程的应用有着重要的参考价值。而利用光子带

隙技术来展宽天线带宽的技术已经被列入973国家重点基础研究项目(2006指南)

中[4],也说明在这方面进行研究的确具有巨大的应用前景。

通过查阅了大量有关陶瓷天线和PBG的有关资料得知,现在国内外对陶瓷天

线和PBG方面都有不同程度的研究[5~9]。现阶段研究中,陶瓷天线主要是用来缩

小天线尺寸;PBG结构主要是用来减小表面波,增加天线增益和带宽,提高天线

效率,并且主要是应用在航空和卫星通信中。而将这两者结合起来应用到

WCDMA通信系统移动终端的天线设计上,有希望获得更佳的电磁特性。国内外

目前主要将陶瓷天线应用在蓝牙、无线局域网以及GPS的频段上。国内对陶瓷天

线的研究还是刚刚起步,关于陶瓷天线设计的相关论文非常少。国内做的比较好

的是上海大学钟顺时教授,2005年他发表了利用陶瓷介质来实现GPS天线的小型

化的设计[5],但是国内现在还没有有关WCDMA系统陶瓷天线的论文报道,国外

文献中只发现了一篇相关研究[10],但该论文虽然设计的陶瓷天线可以工作于

IMT-2000频段,但是并没有使用光子带隙技术,导致设计复杂,尺寸也比较大,

成本较高。

针对国内外研究现状的缝隙及应用发展需求,本文首次提出将陶瓷天线和光

子带隙技术结合起来专门应用到WCDMA第三代移动通信系统终端的天线设计

上,成功地设计开发出了新型陶瓷天线,其尺寸仅3cm×3cm大小,是普通微带

天线的尺寸的15%,完全可以将其放到移动终端里,而且具有结构简单、成本低、

性能好以及易于集成等优点,此外本文中所设计的匹配电路成本低,十分利于生

产。所以,这里所设计的新型小型化陶瓷天线对以后沿这个方向的深入研究有着

重要的指导意义。

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第一章 绪论

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1.2 论文的主要研究工作

本论文是结合工程应用领域需求展开的研究工作,主要包括三个方面:常用

通信系统(EGSM900MHz、DCS1800MHz、PCS1900MHz)微带天线系列的研

制、新型陶瓷天线的研制及光子带隙的设计。具体的研究工作如下:

1、设计可以工作于 1920~2170 MHz 频段的小型化陶瓷天线。确定陶瓷天

线的辐射贴片的实现方式及其馈电方式,初步确定陶瓷天线的尺寸,并利用

FDTD 法推导出了天线的回波损耗。

2、使用 Microwave Office 仿真软件对常用通信系统微带天线和陶瓷天线进

行初步设计和优化,并且对陶瓷天线的结构和尺寸进行适当的调整,不断优化设

计光子带隙结构, 终确定光子带隙的周期和大小。

3、根据仿真结果,实际制作出陶瓷天线样品和常用通信频段系列微带天线

样品。

4、设计搭建天线的测试平台,进行常用通信频段的微带天线方向图的实际

测量和分析,同时对陶瓷天线在 WCDMA 通信频段上的方向图进行测量分析。

5、设计优化阻抗匹配网络,进行陶瓷天线和微带天线的反射系数 S11 参数的

测量,并与理论计算值进行了对比分析。

1.3 论文的创新点

1、本文利用陶瓷天线与光子带隙技术相结合来设计一种新型小型化宽带陶

瓷天线。通过采用光子带隙结构展宽陶瓷天线的带宽,减少表面波的产生,提高

天线的效率,改善陶瓷天线的性能并且满足设计要求。

2、设计出一种低成本的 π 型阻抗匹配网络,使得陶瓷天线的输入端反射系

数 S11 在所要求的频带内小于-10dB,从而有效地展宽陶瓷天线的工作带宽,达到

设计指标的要求。

3、国内外主要是把陶瓷天线应用在蓝牙、无线局域网以及 GPS 的频段上,

而本文首次把陶瓷天线与光子带隙技术结合起来应用在 WCDMA 第三代移动通

信系统终端的频段,在应用领域进行创新研制。

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用于 WCDMA 系统移动终端陶瓷天线的设计与实现

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第二章 陶瓷天线的理论分析

本章首先将对陶瓷天线的结构和工作原理进行简单的介绍;然后讨论陶瓷天

线的性能及其应用; 后将对陶瓷天线进行 FDTD 分析和讨论。这将为后面章节

的新型小型化陶瓷天线的详细设计和分析提供理论基础。

2.1 陶瓷天线的结构

陶瓷天线其实就是一种介质谐振型天线,本文设计的陶瓷天线是块状陶瓷天

线,其工作原理跟微带天线相似。块状陶瓷天线的辐射是由陶瓷天线导体边沿和

地板之间的边缘场产生的。 终设计好的陶瓷天线尺寸只有 3cm×3cm 大小,是

普通微带天线的尺寸的 15%,完全可以将其放到移动终端里,而且具有结构简单、

成本低、性能好以及易于集成等优点。我们设计制作的陶瓷天线的实物如图 2-

1 所示:

图 2-1 陶瓷天线实物图形

由于陶瓷本身的介电常数较 PCB 电路板高,所以使用陶瓷天线可以有效缩

小天线尺寸;在介质损耗方面,陶瓷介质也比 PCB 电路板的介质损耗小,所以

非常适合用在需要低耗电的手机电路中,可有效延长手机电池的使用时间和寿

命。陶瓷天线一般可以分成块状(block)陶瓷天线和多层(multilayer)陶瓷天

线两种类型。这两种天线各有优点,块状陶瓷天线是使用高温(1000℃以上)将

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第二章 陶瓷天线的理论分析

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整块陶瓷体一次性烧结完成后,再将天线的金属部分印在陶瓷块的表面上。块状

陶瓷天线设计比较简单,虽然一般情况下尺寸比多层陶瓷天线要稍微大些,但还

是可以应用在移动终端上,而且具有制作简单,成本低的优点;多层陶瓷天线采

用低温共烧的方式将多层陶瓷迭压对位后,再以 800℃~900℃的温度烧结,所

以天线的金属导体可以依设计的需要印在每一层陶瓷介质层上,如此一来便可以

有效缩小天线的尺寸,并能达到隐藏天线的目的。多层陶瓷天线设计比较复杂,

而且在加工制作方面也比较难,成本较高,一般尺寸都较小,更加适合用于智能

天线阵列中,这对于手机终端智能天线的实现具有非常重要的意义。

2.2 陶瓷天线的性能及其应用

当今国内外关于陶瓷天线的研究,主要是把它应用在 GPS、无线局域网以及

蓝牙系统频段上。陶瓷天线与其他常规的天线相比,有其自身的特点:

(1)体积小、重量轻、剖面更低,容易做成小型化天线;

(2)易与有源电路集成,适合批量生产,制作成本低;

(3)陶瓷天线的介质损耗较小;

(4)馈线和匹配网络可以和天线结构同时制作。

但是,与通常的天线相比,陶瓷天线也有一些缺点:

(1)频带相对较窄,这主要是由于陶瓷天线是介质谐振型天线。不过目前

已经对此进行了大量的研究,出现了多种办法来扩展陶瓷天线的工作频带;

(2)一般的陶瓷天线增益和辐射效率较低。

虽然陶瓷天线有着一些缺点,但是由于在许多的实际应用中,其优点要远远

的超过它的缺点,而且陶瓷天线的一些缺点正在逐渐的研究克服。因而随着陶瓷

天线的继续研究和发展以及日益增多的使用,相信有着广阔的应用前景。目前陶

瓷天线主要应用在 GPS、无线局域网以及蓝牙系统等领域。随着其缺点的逐渐克

服,陶瓷天线将会广泛的应用到各种工业及民用通信设备中。

2.3 陶瓷天线的原理分析

天线分析的基本问题是求解天线在周围空间建立的电磁场,求出电磁场,进

而得出其方向图增益和输入阻抗等特性指标。而块状陶瓷天线的辐射是由陶瓷天

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用于 WCDMA 系统移动终端陶瓷天线的设计与实现

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线导体边沿和地板之间的边缘场产生的。其基本工作原理可由 简单的矩形微带

天线来理解[2]。如图 2-2 和图 2-3 所示,辐射元长为 L,宽为 W,介质基片的

厚度为 h,h<< 0λ , 0λ 为自由空间波长。微带贴片可看作宽为 W、长为 L 的一段

微带传输线,其中一端的宽边处对应传输波呈现开路,将形成电压波腹。一般取

L= 2/gλ , gλ 为微带线上工作波长,于是另一端宽边处也呈电压波腹。

图 2-2 矩形微带天线结构

图 2-3 场分布侧面图

假定电场沿微带结构的宽度与厚度方向没有变化,仅沿约为半波长的贴片长

度方向变化,该电场可近似表达为

( )byEEx πcos0= (2-1)

由图 2-4 可见,在两开路端的电场均可分解为相对于接地板的垂直分量和

水平分量。两个垂直分量方向相反,两个水平分量方向相同,因而在垂直于接地

板的方向,两个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

场反向相消。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,缝的电场方向与其长边垂直,并沿其长边均匀分布。缝的宽度为 ΔL≈h,

缝的长度为 W,两缝隙间距为 L=λ/2。其中,微带天线基板宽度为 W0,基板长

度为 L0。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。

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Page 17: 硕 士 学 位 论 文 厦门大学博硕士论文摘要库 - CORE · 2016-06-17 · 摘 要 摘 要 本文主要围绕大带宽、小尺寸天线展开系列研究工作。首先在检索国内外相

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