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z20043746

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yalun

用于便携通信设备的内装集成微带天线

[摘 要]：本文介绍了一种可用在个人通信系统(PCS)和蜂窝移动电话内的宽带集成微带天线。该天线可被集成到通信设备的印制电路板或外壳上，水平和垂直极化波的灵敏度均高，屏蔽方便，人体邻近效应低，可批量生产。此外，这种天线略加优化，还可广泛应用于其它手持或便携通信设备中。 1　引　　言 　　许多便携式无线通设备要求采用的天线要小而轻，且具有两个正交极化特性，所有主面的辐射方向图应是准全向的，在许多应用中，还要求带宽要宽，人体对天线的影响和对天线的电磁能量的比吸收率(SAR)都应尽可能地小。而且，人们总希望能将天线集成到便携通信设备的印制电路板或外壳上。 　　外装式天线(多为伸缩式)，如单极天线和螺旋天线目前广泛应用于便携通信设备，尤其是PCS和蜂窝移动电话上。外装式天线有许多缺点：不能集成到印制电路板或设备外壳上，增加了设备的总尺寸；易于折断和弯曲，需小心维护；天线比吸收率高且难于屏蔽，人体对天线的性能影响较大；仅有一种极化特性，电气性能较差；外装天线，尤其是螺旋天线难以精确批量生产，需要匹配电路，使成本和损耗都增加。可伸缩的外装式天线还存在天线可伸缩多少次的物理极限；伸缩天线在处于某一中间位置时，天线在电气上并未与电话机相连；外装式天线通常要求一个内装分集天线来解决衰减问题。另外，对于外装式天线来说，通过隔离接收与发射频段来消除双工器或要做到设计简单是很难的。 2　内装集成微带天线的特点 　　与外装式天线相反，内装微带天线可被集成到通信设备的印制电路板和外壳上。这种天线具有机械刚性，不易被损坏；它们被固定在通信设备内部，不额外增加设备尺寸；不要求用户在使用时小心维护天线，当然，也不会因使用电话而担心损坏天线；而且，采用高水平的屏蔽技术来屏蔽天线，使其SAR值非常小，而天线几乎不受人体的影响。 　　目前，减小蜂窝移动电话天线与人体之间相互影响的最有希望的技术就是采用内装天线，微带天线被认为是这种应用的最佳选择。微带天线可提供50Ω的输入阻抗，不需要匹配电路或平衡转换器，还可相当容易地进行精确反复的批量生产。而且，微带天线可通过耦合馈电，因而不存在天线与射频电路之间的物理限制。在隔离接收与发射频段方面也相当简便，可以消除双工器或至少可使设计更简单。此外，若采用E场和H场元件分集技术，则不必附加独立的分集天线。还可以设计出PCS／蜂窝移动电话用的双频段内装集成微带天线。 3　内装集成微带天线的设计参数 　　常规微带天线并不满足小尺寸手持通信设备的许多要求，但通过对其许多参数进行优化可减小天线尺寸，降低费用，增宽带宽，使其具有两种极化选择特性，改善全向辐射特性，减小天线与人体的相互影响。国外已对能使传统天线满足便携通信设备要求的可能技术和改进进行了大量研究。 　　第一个众所周知的技术是将传统的半波长微带天线尺寸减少50%，即将零位等效面短路。采用局部短路微带天线可大大减小已缩短的1／4波长天线的尺寸。在这种情况中，仅对零等效面一小部分短路，而不是全部主面短路。在批量生产中，局部短路微带天线的反复制造性差，因此，需对局部短路进行模拟，由短接柱代替。这些短接柱的数量和尺寸对谐振频率有着不可忽视的影响，要优化选择。 　　最重的参数之一是微带天线的接地面尺寸。缩短接地面尺寸可减小天线尺寸，改善天线的全向辐射特性，也可降低天线邻近人体效应。但是，缩短常规微带天线几何边缘接地面会降低天线的效率，需采用非常规的结构，如双层C型贴片微带天线。 　　改善微带天线带宽的常用方式是增加厚度或采用平面／非平面层状无源器件，但这种技术会使天线尺寸增大。驱动单元和天线无源单元的长和宽通常在一个半波长到1／4波长范围内。根据以上的研究，国外已开发出一种PCS／蜂窝移动电话内装的小型宽带微带天线。这种天线将窄小的驱动单元与几何形状不同的平面层状窄小无源器件相结合，如图1所示。通过对这种天线的几何结构的配置和组合进行设计和最优化，可将其装在PCS／蜂窝移动电话内部。 　　开发出的这种微带天线的电介质常数为6，蜂窝移动电话的内装天线尺寸30×30×3(mm)，PCS用天线为15.0×15.0×1.5(mm)。图3给出了内装在蜂窝移动电话上的集成微带天线的旋转损耗和输入阻抗。驱动单元为带三角形孔径的C型贴片，无源单元是带矩形孔径的C型贴片。旋转损耗约为－10dB，带宽为8.5%，覆盖了全部的蜂窝通信频段，天线的输入阻抗为50Ω，不需要匹配电路和平衡转换器，可直接与双工器连接。图4为天线在主面的垂直和水平极化方向图。很明显，方向图是准全向的，天线对垂直和水平极化波的灵敏度均高。通过场实验、微波暗室测量以及邻近人体和自由空间测量，证明了这种天线与人体之间的相互影响很小，优越于外装式天线。 4　内装集成微带天线的其它应用 　　内装微带天线可代替外装鞭状天线或套管天线，装在900MHz数字无绳电话的手持机和基站内。900MHz数字无绳电话要求的带宽低于4%，比蜂窝电话带宽低一半。国外已推出30×30×2(mm)的无绳电话用内装集成微带天线。在不同环境、不同地区和建筑物内外进行的场实验表明，装有这种天线的无绳电话在邻近人体时工作性能仍非常好，覆盖距离也始终2倍于外装天线所达到的距离。 　　此外，这种天线还可用于PCMCIA通信卡和无线电调制解调器中。PCMCIA通信卡作为计算机、个人通信设备等的小型因素转换器，与信用卡的大小、形状等类似，PCMCIA卡被用作存储增强和／或输入输出设备，如无线电调制解调器、局域网或主机通信，可为笔记本电脑等便携式通信设备提供通信能力。PCMCIA通信不与计算机连接时，又可独立用作寻呼机，可手持或装在用户口袋内。其天线对人体影响应足够小，而且要求天线在自由空间和在计算机的PCMCIA插槽中应具有大致相同的谐振频率和阻抗。国外已推出一种30×30×1(mm)的PCMCIA卡内装集成微带天线。 　　总之，内装集成微带天线作为一项新技术，有着较为广泛的应用潜能，国外天线设计者们还在对此做进一步的研究。 　　移动通信的发展已成为天线发展的主要动力。移动天线设计的核心问题就是使天线满足更为苛刻的技术要求，并且超越原有无线型式，满足新的系统要求。在许多系统中，要求优化的参数是小尺寸、宽带、坚固性、易于操作以及降低加工成本。内装集成微带天线作为一项有潜在推广应用价值的产品，有待于有识人士进一步完善和发展。