第二讲 电小天线原理和分析.doc

电小天线的概念电小天线就是指最大几何尺寸远远小于波长()的天线。所有手机内置天线都是电小天线。当天线的尺寸与波长相比很小时,其实质就是一个带有少量辐射的电感器或电容器。它仍然是整个天线系统的一个分支,与一般大天线相比并无本质差别,只是其电尺寸小,所以有特别需要注意的一些方面。电小天线电特性分析方向性在上一讲介绍天线基本原理时曾介绍天线的辐射方向系数D的概念。它反映了辐射能量的集中程度。假设在最大辐射方向上某点上某一实际天线与各向同性天线在该点产生相同的场强,则方向系数等于:其中表示辐射功率。电流元或磁流元的方向图都呈苹果状8字型,。而电小天线的电尺寸很小,因此其方向图接近电流元或磁流元的方向图,。。辐射效率辐射效率的定义是:其中是辐射电阻,是损耗电阻。在损耗电阻中包括天线自身的欧姆损耗还包括馈线和匹配网络中的损耗电阻,即:其中是天线上的损耗电阻,是馈线和匹配网络中的损耗电阻。 一般来说在提到天线效率时并不考虑,但由于小天线和匹配电路密切相关,比如一个小的电容性天线,由于天线输入容抗很高,电阻很小,如果要求此天线和发射机匹配,则在匹配电路中必然要求引入一个串连的大电感使之调谐,并通过变换将低阻值变换为所需的电阻值。这是匹配电路必然带来可观的损耗,所以考虑电小天线的效率必须将计入,以便于对比各种电小天线的性能。[注意]上式中的各项电阻应归算于同一电流,或者是波幅电流或者是平均电流。 从辐射效率的定义式可知,提高辐射效率的途径不外乎从提高辐射电阻和降低损耗电阻入手。[思考]为什么手机天线设计中提倡尽量不使用匹配电路,或匹配元件尽量少?增益根据天线增益公式:要提高增益则应设法提高辐射效率和方向系数,但对电小天线来说,由于,所以提高增益的途径,主要依赖于提高天线的辐射效率。 同时由此也可以看出,在电小天线中,提高增益和提高辐射效率是等效的。在手机天线中,有时也使用总辐射功率(TRP)的概念,即天线的总辐射功率,可以通过天线在空间各方向上的增益求积分得到。电小天线中的增益(G)、辐射效率()和总辐射功率(TRP)是三个相互关联的概念,当其中一个性能得到改善时,另外两个性能也随之改善。输入阻抗天线输入阻抗定义为天线输入端的电压和电流之比。的有功和无功分量分别用和表示,称为输入电阻和输入电抗。在一个频带内的几个频率上测量或计算天线输入阻抗的数值,可以作出输入阻抗和频率的关系曲线,因为输入阻抗是复数,一般必须分别作出和两组曲线。还有一种显示阻抗轨迹曲线的方法是使用史密斯圆图工具。电小天线的通常很低,它由天线的辐射和天线的损耗两方面的因素形成。[注意]在直流和低频电流情况下,金属导体是等势体,导体上的电位和电流分布处处相同。但在天线导体上,同一导体上的电位和电流分布却是处处不同的。因此天线上各点的阻抗值也不同。理论上,在天线上改变馈点的位置可以实现与馈线的匹配。不过由于制造工艺难于实现,所以这个结论并不实用。但应当清楚这一概念。工作频带天线的工作频带定义为天线在辐射方面的特性基本满足所提出的要求时的频率范围。由于电小天线方向性在工作频段内类似电流元特性,在整个波段变化不显著,所以主要变化特性一般指输入阻抗的变化,工作频带也都是指阻抗带宽。手机天线一般要求阻抗带宽在VSWR<