24G波段高增益天线的设计.docx

24G波段高增益天线的设计.docx

《24G波段高增益天线的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《24G波段高增益天线的设计.docx（36页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

24G波段高增益天线的设计

摘要

所谓的2.4G无线技术，其频段处于2.405GHz-2.485GHz（科学、医药、农业）之间。

所以简称为2.4G无线技术。

这个频段里是国际规定的免费频段，是不需要向国际相关组织缴纳任何费用的。

这就为2.4G无线技术可发展性提供了必要的有利条件。

无线电设备输出的射频信号，通过馈线输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去，电磁波到达接收地点后，由天线接收，天线是接收和发射无线电磁波的一个重要设备。

本文对天线的原理和参数进行了详细的阐述并选择了双菱形天线进行制作和测试，后期对天线进行了一部分参数的仿真。

双菱形天线驻波系数小、方向性好、且尺寸小、结构简单、重量轻、成本低，这种天线在现代通信系统中很受欢迎。

该天线加强了无线路由器的无线信号传播强度和传播距离。

关键词：

2.4G，高增益，天线，双菱形，馈线，阻抗匹配

2.4G-bandhigh-gainantennadesign

Abstract

Theso-called2.4Gwirelesstechnology,itsfrequencyis2.405GHz-2.485GHz（science,medicine,agriculture）between.Thereforereferredtoas2.4Gwirelesstechnology.Thebandinthefreebandofinternationalregulations,relevantinternationalorganizationsdonotneedtopayanyfees.Thisisthedevelopmentof2.4Gwirelesstechnologytoprovidethenecessaryfavorableconditions.Radiofrequencyoutputsignalpower,transportthroughthefeedertotheantenna,theantennaintheformofelectromagneticwavesradiated,electromagneticwavesreachthereceivingsite,bytheantenna,theantennaistoreceiveandtransmitradiowavesisanimportantdevice.Inthispaper,theprinciplesandparametersoftheantennaindetailsandchooseapairofdiamond-shapedantennafortheproductionandtesting,laterapartoftheantennaparametersofthesimulation.DoublediamondantennaVSWRissmall,gooddirection,andsmallsize,simplestructure,lightweight,lowcost,thisantennaisverypopularinmoderncommunicationsystems.Theantennatoenhancethewirelessrouter'swirelesssignalpropagationandthediffusiondistance.

Keywords：

2.4G,highgian,antenna,doublediamond,feeder,Impedancematching

前言

从理论上来讲，2.4GHz是工作在ISM频段的一个频段。

ISM频段是工业，科学和医用频段。

一般来说世界各国均保留了一些无线频段，以用于工业，科学研究，和微波医疗方面的应用。

应用这些频段无需许可证，只需要遵守一定的发射功率（一般低于1W），并且不要对其它频段造成干扰即可。

ISM频段在各国的规定并不统一。

而2.4GHz为各国共同的ISM频段。

因此无线局域网（IEEE802.11b/IEEE802.11g），蓝牙，ZigBee等无线网络，均可工作在2.4GHz频段上。

　　大家所谓的2.4G无线技术，其频段处于2.405GHz-2.485GHz（科学、医药、农业）之间。

所以简称为2.4G无线技术。

免费频段，是指各个国家根据各自的实际情况，并考虑尽可能与世界其他国家规定的一致性，而划分出来的一个频段，专门用于工业，医疗以及科学研究使用（ISM频段），不需申请而可以免费使用的频段。

我们国家的2.4G频段，就是这样一个频段。

然而，为了保证大家都可以合理使用，国家对该频段内的无线收发设备，在不同环境下的使用功率做了相应的限制。

例如在城市环境下，发射功率不能超过100mW。

网络覆盖范围小、无线信号不稳定，经常出现断线现象，你只能提着笔记本电脑在一个狭小的区域移动，不断改变无线路由、无线AP的位置……在使用无线网络的时候，我们会遇到这些问题。

解决这些问题，除了减少遮挡物、减少同频段设备的干扰外，最有效的方法就是更换高增益的天线了，用天线加强无线网络的传输效果、覆盖范围。

１无线电波的基本知识

1.1无线电波

无线电波是一种能量传输形式，在传播过程中，电场和磁场在空间是相互垂直的，同时这两者又都垂直于传播方向。

图1.1电磁波在空间的传播

无线电波和光波一样，它的传播速度和传播媒质有关。

无线电波在真空中的传播速度等于光速。

我们用C＝300000公里／秒表示。

在媒质中的传播速度为：

Vε＝C/ε，式中ε为传播媒质的相对介电常数。

空气的相对介电常数与真空的相对介电常数很接近，略大于１。

因此，无线电波在空气中的传播速度略小于光速，通常我们就认为它等于光速。

无线电波的波长、频率和传播速度的关系

λ＝V/f（1.1）

式中，V为速度，单位为米/秒；f为频率，单位为赫芝；λ为波长，单位为米。

由上述关系式不难看出，同一频率的无线电波在不同的媒质中传播时，速度是不同的，因此波长也不一样。

我们通常使用的聚四氟乙烯型绝缘同轴射频电缆其相对介电常数ε约为1.44，因此，Ｖε≈C/1.44，λε≈λ/1.44。

图1.2.电磁波波长图

1.2无线电波的极化

无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电波的极化。

无线电波的电场方向称为电波的极化方向。

如果电波的电场方向垂直于地面，我们就称它为垂直极化波。

如果电波的电场方向与地面平行，则称它为水平极化波。

图1.3电磁波的垂直极化和水平极化

2天线的分类及原理

2.1天线的分类

天线对空间不同方向具有不同的辐射或接收能力，这就是天线的方向性。

根据方向性的不同，天线有全向和定向两种。

下面主要简单讲解一下它们之间的区别以及相关参数。

2.1.1全向天线

全向天线，即在水平方向图上表现为360°都均匀辐射，也就是平常所说的无方向性，在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，一般情况下波瓣宽度越小，增益越大。

全向天线在通信系统中一般应用距离近，覆盖范围大，价格便宜。

增益一般在9dB以下。

全向天线阵设计较为复杂、增益很难提高、工程实现较为困难。

下图所示为全向天线的信号辐射图。

图2.1全向天线辐射图

2.1.2定向天线

定向天线，在水平方向图上表现为一定角度范围辐射，也就是平常所说的有方向性，在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，同全向天线一样，波瓣宽度越小，增益越大。

定向天线在通信系统中一般应用于通信距离远，覆盖范围小，目标密度大，频率利用率高。

有通过反射板的定向天线，也有通过阵列合成而成（阵列天线成本太高，特别相控阵天线，一个移相器有上千块，一个T/R组件大概上万）的定向天线，增益可达到20dB以上。

在卫星通信中常用到高增益螺旋天线【1】。

我们也可以这样子来思考全向天线和定向天线之间的关系：

全向天线会向四面八方发射信号，前后左右都可以接受到信号，定向天线就好像在天线后面罩一个碗状的反射面，信号只能向前面传递，射向后面的信号被反射面挡住并反射到前方，加强了前面的信号强度。

下图为定向天线的信号辐射图。

图2.2定向天线辐射图

2.2天线的原理

2.2.1天线基本阵子的辐射

图2.3天线的对称振子

一般当电路处于谐振状态时，电路上的电流最大。

对于天线也一样，若使天线处于谐振状态，流过天线导体的高频电流也最强，则天线的辐射最强。

由传输线理论可知，当导体长度L为四分之一波长（λ/4）的整数倍时，该导体在该波长的频率上呈谐振特性。

导体长度L为四分之一波长为串联谐振特性，此时，天线的阻抗最小，流过天线的电流最大，辐射也最大；导体长度L为二分之一波长为并联谐振特性，此时，天线的阻抗最大，流过天线的电流最小，辐射也最小。

对称振子天线是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单地单独地使用或用作抛物面天线的馈源，也可采用多个半波长波对称振子组成天线阵。

两臂长度相等的振子叫做对称振子。

每臂长度为四分之一、全长为二分之一波长的振子，称为半波对称振子。

对称振子天线由两根长度均为

的细导线构成。

由于中心馈电，所以在振子两臂上的电流是对称的，且呈正弦分布，并在上、下端点趋近于零，振子上的电流分布可表示为

（2.1）

式中|z|为z轴坐标的绝对值，I0为电流幅值,

为振子长度的一半。

不同长度的对称振子上的电流分布如图2.4所示。

λ/43λ/4λ/23λ/2

图2.4对称振子的电流

对称振子天线的辐射电场【4】

（2.2）

对称振子天线的辐射磁场【4】

（2.3）

对称振子天线的方向性函数为【4】

（2.4）

（a）

（b）

图2.5对称振子方向图a

（c）

（d）

图2.5对称振子方向图b

图2.5给出了四种不同长度的对称振子天线的方向图。

2.2.2半波振子的辐射场

当对称振子长度等于半个波长时，即

，称之为半波振子天线。

将

代入式（2.2）和式（2.3）中，可得半波振子天线的辐射场为[4]

（2.5）

（2.6）

其方向性函数为[4]

（2.7）

其平均坡印廷矢量为[4]

（2.8）

其总辐射功率为

在包围半波振子天线的闭合球面上的面积分，即

（2.9）

上式中对

的积分可用数值法计算，结果为

（2.10）

所以

（2.11）

由此得出半波振子天线的辐射电阻为

（2.12）

在自由空间

，则辐射电阻

（2.13）

半波振子的方向性系数为

（2.14）

其半功率波瓣宽度由下列方式计算

（2.15）

2.2.3天线的特性参数

衡量一副天线的的好坏，要用天线的参数描述。

天线的主要参数包括方向性、增益、输入阻抗、辐射阻抗、频带宽度等。

[7]

（1）天线的方向性。

天线的方向性是描述天线在不同方向上辐射或接收电磁波的能力。

对于发射天线，其在不同方向上辐射电磁波的能量不同；对于接收天线，其对来自空间不同方向、强度相同的电磁波相对接收的能力不同。

不同形式的天线，其方向性也不同。

天线的方向性可用方向图、方向系数或波瓣宽度（辐射宽度）来表示由于天线在水平面和垂直面的方向性不同，因此表示一副天线的方向性，必须有水平面和垂直面的两个方向图。

图2.6天线水平方向图

（2）天线的增益。

天线的增益与放大器的增益不同，他不是把输入信号放大，而是描述定向天线辐射或接收电磁波的能力比标准天线大的程度。

定向天线的增益定义为：

在电磁波场强相等的条件下，定向天线在最大接收方向（即主瓣最大值方向）向匹配负载输出的有用信号功率与放在该处的有用信号功之比或两者电平之差，常用符号G表示。

定向天线的增益越大，它的方向性越强。

天线的增益G不但决定于天线的方向性，还决定于天线的效率。

由于理想天线认为是无损耗的，即效率为1，输入功率等于输出功率，但是在天线的制作过程中要考虑天线的损耗。

G=lOlgG=lOlg（DηA／4）（2.16）

图2.7增益比较

dBi表示天线增益是方向天线相对于全向辐射器的参考值，dBd是相对于半波振子天线参考值。

（3）天线的效率。

天线的效率是指从天线辐射出去的功率P与输入到天线的总功率PA之比,用η。

即

η=P/PA（2.17）

输入功率P包括辐射功率、天线振子本身的损耗、匹配不良的损耗、周围空间或地面的损耗。

通常，随着工作频率的提高，其效η会有所提高，但天线效率η<1。

（4）输入阻抗。

天线的输入阻抗定义为天线两馈电点（即天线输入端）的高频电压与高频电流之比。

不同天线的输入阻抗一般是不同的。

一般来说，输入阻抗是由电阻和电抗组成的复阻抗。

由于电抗中会储存一部分能量，使天线输入信号功率减少。

但当天线处于谐振状态时，输入阻抗为纯电阻。

八木天线的有源振子，一般采用半波振子，振子的上下两导体的长度为λ/2折合振子的输入阻抗是纯电阻。

在设计，制作天线的时，天线振子的长度比半波长要的短，采用的约为0.48λ。

用馈线连接天线时，要选用馈线的特性阻抗与天线的输入阻抗相同，也称匹配，才能有效传输天线上接受到的信号能量。

（5）辐射电阻。

天线将馈线送来的高频电能大部分转换成电磁波的形式辐射到空间，有少部分消耗在自身存在的电阻上或被周围的环境吸收。

发射天线向外辐射的功率可看做是被一个等效电阻消耗了。

通常，将这个等效电阻称作天线的辐射电阻。

天线的辐射电阻主要决定与天线本身的结构和工作波长。

对于一定结构和工作波长的天线，其辐射电阻一般为定值。

例如基本半波振子的辐射电阻一般为73.1Ω。

需要指出的是，天线的振子本身是有耗电阻的。

当振子的损耗电阻很小（如振子金属很粗，且安装，连接可靠，架设高度较高）以致可以忽略时，天线的输入阻抗就等于辐射电阻的值（但两者概念不同）。

（6）频带带宽。

天线的频带带宽是指天线的增益、方向性系数、输入阻抗等电气特性满足规定要求时，向馈线传送的功率为中心频率的1/2时所对应的两个频率之差。

也称为天线的通频带。

2.4G频段的信道所对应的信号中心频点，将在第四章中详细介绍。

（7）电压驻波比。

当天线与馈线不匹配的时，从接收天线向馈线传输能量就有一部分被反射，在天线中形成驻波，这个驻波的最大电压与最小电压之比称为驻波比。

它决定于天线的的输入阻抗与电缆特性阻抗的匹配程度。

当天线输入阻抗严格等于电缆的特性阻抗的时，实现完全匹配。

驻波比为1，从天线向电缆传输的能量最大。

电压驻波比越大，阻抗越不匹配，天线向电缆传输的效率越低。

在不匹配的情况下,馈线上同时存在入射波和反射波。

在入射波和反射波相位相同的地方，电压振幅相加为最大电压振幅Ｖmax，形成波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方电压振幅相减为最小电压振幅Ｖmin，形成波节。

其它各点的振幅值则介于波腹与波节之间。

这种合成波称为行驻波。

反射波电压和入射波电压幅度之比叫作反射系数，记为R

R＝反射波幅度/入射波幅度＝（ZL－Z0）/（ZL＋Z0）（2.18）

波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数，也叫电压驻波比，记为VSWR

VSWR＝Ｖmax/Ｖmin＝（1+R）/（1-R）（2.19）

终端负载阻抗ZL和特性阻抗Z0越接近，反射系数R越小，驻波比VSWR越接近于１，匹配也就越好。

通常匹配良好的天线，测试到的驻波比都小于1.5。

这个值越小越好，理想时接近1，即完全阻抗匹配。

天线的电压驻波比不仅与天线本身的性质有关，也同使用的电缆和阻抗匹配器性质有关。

2.2.4天线的极化

天线的极化在第一章里已经做过简单的介绍。

极化是描述电磁波场强矢量空间指向的一个辐射特性，当没有特别说明时，通常以电场矢量的空间指向作为电磁波的极化方向，而且是指在该天线的最大辐射方向上的电场矢量来说的。

电场矢量在空间的取向在任何时间都保持不变的电磁波叫直线极化波，有时以地面作参考，将电场矢量方向与地面平行的波叫水平极化波，与地面垂直的波叫垂直极化波。

由于水平极化波和入射面垂直，故又称正交极化波；垂直极化波的电场矢量与入射平面平行，称之平行极化波。

电场矢量和传播方向构成平面叫极化平面。

电场矢量在空间的取向有的时候并不固定，电场失量端点描绘的轨迹是圆，称圆极化波；若轨迹是椭圆，称之为椭圆极化波。

不论圆极化波或椭圆极化波，都可由两个互相垂直线性极化波合成。

若大小相等合成圆极化波，不相等则合成椭圆极化波。

天线可能会在非预定的极化上辐射不需要的能量。

这种不需要的能量称为交叉极化辐射分量。

对线极化天线而言，交叉极化和预定的极化方向垂直。

对于圆极化天线，交叉极化与预订极化的旋向相反。

所以交叉极化称正交极化。

图2.8天线的极化

2.3传输线

2.3.1传输线简介

连接天线和发射机输出端（或接收机输入端）的电缆称为传输线或馈线。

传输线的主要任务是有效地传输信号能量，因此，它应能将发射机发出的信号功率以最小的损耗传送到发射天线的输入端，或将天线接收到的信号以最小的损耗传送到接收机输入端，同时它本身不应拾取或产生杂散干扰信号，这样，就要求传输线必须屏蔽。

顺便指出，当传输线的物理长度等于或大于所传送信号的波长时，传输线又叫做长线。

（1）传输线的种类：

超短波段的传输线一般有两种[6]：

平行双线传输线和同轴电缆传输线；微波波段的传输线有同轴电缆传输线、波导和微带。

平行双线传输线由两根平行的导线组成它是对称式或平衡式的传输线，这种馈线损耗大，不能用于UHF频段。

同轴电缆传输线的两根导线分别为芯线和屏蔽铜网，因铜网接地，两根导体对地不对称，因此叫做不对称式或不平衡式传输线。

同轴电缆工作频率范围宽，损耗小，对静电耦合有一定的屏蔽作用，但对磁场的干扰却无能为力。

使用时切忌与有强电流的线路并行走向，也不能靠近低频信号线路。

（2）传输线的特性阻抗[8]：

无限长传输线上各处的电压与电流的比值定义为传输线的特性阻抗，用Z0表示。

同轴电缆的特性阻抗的计算公式为

Z0＝〔60/εr〕×Log（D/d）[Ω]（2.20）

式中，D为同轴电缆外导体铜网内径；d为同轴电缆芯线外径；εr为导体间绝缘介质的相对介电常数。

通常Z0=50欧，也有Z0=75欧的。

由上式不难看出，馈线特性阻抗只与导体直径D和d以及导体间介质的介电常数εr有关，而与馈线长短、工作频率以及馈线终端所接负载阻抗无关。

（3）馈线的衰减系数：

信号在馈线里传输，除有导体的电阻性损耗外，还有绝缘材料的介质损耗。

这两种损耗随馈线长度的增加和工作频率的提高而增加。

因此，应合理布局尽量缩短馈线长度。

单位长度产生的损耗的大小用衰减系数β表示，其单位为dB/m（分贝／米），电缆技术说明书上的单位大都用dB/100m（分贝／百米）.设输入到馈线的功率为P1，从长度为L（m）的馈线输出的功率为P2，传输损耗TL可表示为：

TL＝10×Lg（P1/P2）（dB）（2.21）

衰减系数为:

β＝TL/L（dB/m）（2.22）

例如，NOKIA7/8英寸低耗电缆，900MHz时衰减系数为β＝4.1dB/100m，也可写成β＝3dB/73m，也就是说，频率为900MHz的信号功率，每经过73m长的这种电缆时，功率要少一半。

而普通的非低耗电缆，例如，SYV-9-50-1，900MHz时衰减系数为β＝20.1dB/100m，也可写成β＝3dB/15m,也就是说，频率为900MHz的信号功率,每经过1　5m长的这种电缆时,功率就要少一半！

（4）匹配概念[3]：

简单地说，馈线终端所接负载阻抗ZL等于馈线特性阻抗Z0时，称为馈线终端是匹配连接的。

匹配时，馈线上只存在传向终端负载的入射波，而没有由终端负载产生的反射波，因此，当天线作为终端负载时，匹配能保证天线取得全部信号功率。

如下图所示，当天线阻抗为50欧时，与50欧的电缆是匹配的，而当天线阻抗为80欧时,与50欧的电缆是不匹配的。

如果天线振子直径较粗，天线输入阻抗随频率的变化较小，容易和馈线保持匹配，这时天线的工作频率范围就较宽。

反之，则较窄。

在实际工作中，天线的输入阻抗还会受到周围物体的影响。

为了使馈线与天线良好匹配，在架设天线时还需要通过测量，适当地调整天线的局部结构，或加装匹配装置。

（5）反射损耗[3]：

当馈线和天线匹配时，馈线上没有反射波，只有入射波，即馈线上传输的只是向天线方向行进的波。

这时，馈线上各处的电压幅度与电流幅度都相等，馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗。

而当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时，负载就只能吸收馈线上传输的部分高频能量，而不能全部吸收，未被吸收的那部分能量将反射回去形成反射波。

2.3.2长线传输线

在高频情况下,电磁波沿传输线传播时,由于电磁波的波长很短,在传输线上会发生与传输音频信号时不同的现象.必须运用,另外一套适合高频情况的分析方法.当沿传输线上传播的电磁波的波长可以与传输线的几何长度相比拟时,此时的传输线通常称为长线.

（1）长线上具有电流电压不均分布:

将一传输线取长度为10米,当线上通以高频电流时（长线情况）,如F=150MHZ.λ（波长）=2米由于波长较短,在这段传输线中电流有几个周期的变化,如图A所示.因而在同一时刻线上各点电流的大少与方向都有所不同;而在低频情况下（即短线情况下）如F=50HZ的交流电,其工作波长为6000公里,相差3000000备,同是在10米长的传输线上电流大少变化很少可认为不变.

（2）长线是一个分布参数系统:

对于长线来说,随着传输线长度的不同或是沿线传播电磁波的波长不同,在传输线上本身就具有分布电容和分布电感参数.并且这些分布参数的影响很大,在长线的情况下,由于随线长的不同或工作波长的不同,传输线本身会呈现出不同性质的阻抗（容抗,感抗或纯电阻）.而短线上只有电容器中才具有电场,线圈中才产生磁场,与线长没有关系.[8]

2.3.3终端开路传输线

当传输线接到信号时,电信号将以光速按余弦分布规律向终端传播.由于终端开路,信号不能继续向前传播,则会向始端方向形成全反射,此时相当于在传输线的终端接入一个信号源使电信号又由终端向始端以光速传播.一般的说把由始端向终端传播的电波称入射波;把由终端反射回来的电波称反射波.入射波和反射波都是行波.这里所谓的行波即是电压与电流同相的电波.

讨论传输线还引入一个驻波的概念,所谓驻波就是电压与电流相位不同且相差四分之一波长,电压电流的振幅有不均分布.在终端开路的传输线中,同时存在着反射波和入射波,反射波电流与入射波电流的相位互为反相,所以说传输线上存在着驻波,通常传输线上同时存在着行波和驻波,行波,驻波是由入射波和反射波的电流形成的.终端开路的传输线由于形成全反射,所以其驻波成份很大,故没有能量传输（只有在行波状态下线上才有能量传输）假设这条传输线无损耗.那这时只是在某一个时期内存储能量,在另一时期内放出能量.所以对信号源来说它是一个纯电抗性的负载,在终端开路的传输线有以下特点,传输线少于四分之一波长时其电抗为容性;等于四分之一波长时为电抗为零;大于四分之一波长时电抗为电感性;等于