1、天線相關(guān)設(shè)計探討,無線鍵盤和鼠標(biāo)上的無線天線設(shè)計,東莞市銘冠電子科技有限公司,一.天線,天線（英文Antenna,常簡寫為ANT），是一種變換器，它把傳輸線上傳播的導(dǎo)行波變換成在無界媒介中傳播的電磁波。 實際應(yīng)用中是作為無線電設(shè)備接收或發(fā)射電磁波的器件。 天線在我們公司的無線鍵盤和鼠標(biāo)產(chǎn)品中也同樣是用于接收的發(fā)射電磁波的。,二.天線的種類,天線按其使用途徑來說有兩種：一種為發(fā)射天線，常標(biāo)識為TX；另一種為接收天線，常標(biāo)識為RX。,三.天線的特性和參數(shù),方向性：天線的基本功能之一是把從饋線取得的能量向周圍空間輻射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向輻射。垂直放置的半波對稱振子具有平放的

2、“面包圈” 形的立體方向圖。立體方向圖雖然立體感強，但繪制困難，平面方向圖用來描述天線在某指定平面上的方向性。 共振：任何天線都諧振在一個特定的頻率上，我們要接收那個頻段的信號，就要把天線設(shè)計那個頻率點上。 帶寬：天線有一定帶寬的，雖然天線的諧振頻率是一個點，但在這個諧振點附近的一定范圍內(nèi)，這個天線的發(fā)射和接收性能都是差不多好的。就把這個范圍叫做帶寬。 阻抗 ：天線可以看作是一個諧振回路。一個諧振回路當(dāng)然有其阻抗。 增益：天線是一個無源器件，但天線上有一定的增益。當(dāng)然這個增益是相對增益，是相對于基本偶極天線而言的。 駐波比：駐波比反映了天線饋線系統(tǒng)的的匹配情況。它是以天線作為發(fā)射天線時發(fā)射出去

3、和反射回來的能量的比來衡量天線性能的。駐波比由天線系統(tǒng)的饋電阻抗決定。,四.在無線鍵盤和鼠標(biāo)產(chǎn)品設(shè)計中,天線長度：我們的無線產(chǎn)品應(yīng)用于2.4GHz（2400MHz2485MHz）的國際免費頻段中。 實際使用帶寬處于2.408GHz2.474GHz這一頻段中(66MHz頻帶）。 理論和實踐證明，當(dāng)天線的長度為無線電信號波長的1/4時，天線的發(fā)射和接收轉(zhuǎn)換效率最高。因此常規(guī)情況下天線的長度,四.在無線鍵盤和鼠標(biāo)產(chǎn)品設(shè)計中,我們知道，無線電波和光波一樣，它的傳播速率和傳播媒質(zhì)有關(guān)。 光在真空中的傳播速率c=300000km/s. 無線電波在真空中的傳播速率與光相等。 無線電波在某種媒質(zhì)中的傳播速度

4、為傳播媒質(zhì)的介電常數(shù)（真空介電常數(shù)為1）。 無線電波的波長、頻率和傳播速率的關(guān)系：,四.在無線鍵盤和鼠標(biāo)產(chǎn)品設(shè)計中,無線鍵盤和鼠標(biāo)所屬頻段的無線電波在真空中的波長：,四.在無線鍵盤和鼠標(biāo)產(chǎn)品設(shè)計中,無線鍵盤和鼠標(biāo)所屬頻段的無線電波在空氣中的波長（空氣的介電常數(shù)為1.000585）：,四.在無線鍵盤和鼠標(biāo)產(chǎn)品設(shè)計中,在真空中天線的設(shè)計長度：,四.在無線鍵盤和鼠標(biāo)產(chǎn)品設(shè)計中,在空氣中天線的設(shè)計長度：,四.在無線鍵盤和鼠標(biāo)產(chǎn)品設(shè)計中,比較天線在真空中的設(shè)計長度和空氣中的設(shè)計長度 真空中：1193.51257milLc1226.22511mil 空氣中：1192.81474milLk1225.5081

5、8mil 在實際應(yīng)用中，由于電磁波和光波在真空中和空氣中的傳播速率幾乎相差無幾，故此在實際應(yīng)用中不考慮空氣的介電常數(shù)。應(yīng)用光速作為計算用值。,五.無線電波的極化,無線電波在空間傳播時，其電場方向是按一定規(guī)律變化的，這種現(xiàn)像稱為無線電波的極化。無線電波的電場方向稱為電波的極化方向。如果電波的電場方向垂直于地面，我們就稱它為垂直極化；如果無線電波的電場方向與地面平行，我們就稱它為水平極化。,六.天線的方向性,天線對空間不同方向具有不同的輻射或接收能力，這就是天線的方向性。根據(jù)方向性的不同天線有全向和定向兩種。 全向天線，即在水平方向圖上表現(xiàn)為360都均勻輻，也就是平常所說的無方向性，在垂直方向上表

6、現(xiàn)為一定寬度的波束，一般情況下波瓣寬度越小，增益越大。 全向天線在通信系統(tǒng)中一般應(yīng)用距離近，覆蓋范圍大，價格便宜場合。 全向天線一般增益都比較小，多在9dB以下。 全向天線設(shè)計較為復(fù)雜、增益很難提高、工程實現(xiàn)較為困難。 我們的無線鍵盤和鼠標(biāo)產(chǎn)即應(yīng)用此種全向天線。,六.天線的方向性,六.天線的方向性,定向天線，在水平方向圖上表現(xiàn)為一定角度范圍的輻射，也就是平常所說的有方向性，在垂直方向圖上表現(xiàn)為有一定寬度的波束，同全向天線一樣，波瓣寬度越小，增益越大。 定向天線在通信系統(tǒng)中一般用于遠(yuǎn)距離通信，覆蓋范圍小，目標(biāo)密度大，頻帶利用率高。 定向天線的結(jié)構(gòu)形式有反射板的定向天線，也有通過陣列合成而成（陣列

7、天線成本太高，特別是相控陣天線，一個移相器少則上千塊，大的T/R移相組件高達數(shù)萬塊）的定向天線。增益通?？蛇_20dB以上。,六.天線的方向性,七.天線的增益,天線“增益”指天線最強輻射方向的天線輻射方向圖強度與參考天線的強度之比取對數(shù)。如果參考天線是全向天線，增益的單位為dBi。比如，偶極子天線的增益為2.14dBi 。偶極子天線也常用作參考天線（這是由于完美全向參考天線無法制造），這種情況下天線的增益以dBd為單位。 半波對稱振子的增益為G=2.15dBi（dBi這個單位表示比較對象是各向均勻輻射的理想點源） dBi=dBd+2.15 0dBd=2.15dBi dBm=10lg(P/1mw)

8、,七.天線的增益,增益特性： 天線是無源器件，不能產(chǎn)生能量，天線增益只是將能量有效集中向某特定的方向輻射或接收電磁波能力。 天線增益由振子疊加而產(chǎn)生，增益越高，天線長度越長。 天線增益越高，方向性越好，能量越集中，波瓣越窄。,八.天線的特性阻抗,無限長傳輸線上各處的電壓與電流的比值定義為傳輸線的特性阻抗，用Z0 表示。 同軸電纜的特性阻抗的計算公式為 Z。=60/rLog ( D/d ) 歐。 式中，D 為同軸電纜外導(dǎo)體銅網(wǎng)內(nèi)徑； d 為同軸電纜芯線外徑； r為導(dǎo)體間絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)。 通常Z0 = 50 歐 ，也有Z0 = 75 歐的。 由上式不難看出，饋線特性阻抗只與導(dǎo)體直徑D和d以

9、及導(dǎo)體間介質(zhì)的介電常數(shù)r有關(guān)，而與饋線長短、工作頻率以及饋線終端所接負(fù)載阻抗無關(guān)。,八.天線的特性阻抗,定義：天線輸入端信號電壓與信號電流之比，稱為天線的輸入阻抗。 輸入阻抗具有電阻分量 Rin 和電抗分量 Xin ，即 Zin = Rin + j Xin 。電抗分量的存在會減少天線從饋線對信號功率的提取，因此，必須使電抗分量盡可能為零，也就是應(yīng)盡可能使天線的輸入阻抗為純電阻。事實上，即使是設(shè)計、調(diào)試得很好的天線，其輸入阻抗中總還含有一個小的電抗分量值。 調(diào)節(jié)饋線的阻抗，即將饋線當(dāng)作阻抗變換器 。 常見的是使用天線調(diào)諧器、巴倫、阻抗變換器、包含電容和電感的匹配網(wǎng)絡(luò)，或者如伽馬匹配的匹配段。,九

10、.天線的設(shè)計,天線的設(shè)計目前有兩種主要方法。 一種是經(jīng)驗法（此方法需有資深的專業(yè)人員設(shè)計，難度較大）； 另一種是仿真設(shè)計法。此法目前應(yīng)用較廣，適合于一般設(shè)計應(yīng)用，是目前主要的天線設(shè)計方法。常用的仿真計算機軟件有ANSYS HFSS和Agilent ADS.前者為有限元法仿真；后者在移動通信領(lǐng)域應(yīng)用較多。,九.天線的設(shè)計,Agilent ADS應(yīng)用：,九.天線的設(shè)計,Agilent ADS:,九.天線的設(shè)計,ANSYS HFSS應(yīng)用：,九.天線的設(shè)計,ANSYS HFSS,九.天線的設(shè)計,ANSYS HFSS全向天線仿真圖,十.生活中常見的天線,十.生活中常見的天線,十.生活中常見的天線,附：天線鑒賞,軍用相控陣主動追蹤橢圓極化天線,附：天線鑒賞,軍用相控陣主動追蹤橢圓極