天线的类别及设计要点介绍

1、螺旋天线

螺旋线是一种慢波结构，螺旋天线实际也是一种慢波化的单极天线。由于螺旋线的作用，减小了电磁波沿螺旋线传播的相速度，因此天线的长度可以缩短。

天线的设计只需根据螺旋线的相速度求出天线的等效波长，根据单极天线的设计方式即可得出所求。

也正是由于螺旋线的慢波结构，使得天线的Q值高，带宽窄，天线的储能大，辐射效率降低。

多频段螺旋天线的设计方法见下节，其设计公式未见过，但可通过直立单极天线的结构来推导出。

2、PCB板螺旋天线

PCB板螺旋天线实际是一种变形的螺旋天线，利用PCB板的介电常数进一步降低天线的尺寸而已。

3、PIFA天线

PIFA天线是对倒F线天线的扩展而得到的。此天线的发展须序是―顶加载――倒L天线－倒F天线－PIFA。由此发展过程即可知天线的特性与优点。其特点是频带宽，体积小，剖面低。

PIFA天线相当于大量IFA天线的并联，其阻抗相当于许多线型天线阻抗的并联，因此平面型天线比线型天线的输入阻抗要低一些，不但产生了宽带谐振特性，并且缩小了尺寸。为了使天线产生自谐振，避免用有耗电路，应尽量提高辐射电阻，减小损耗电阻，使天线系统保持一个足够高的效率。

其设计的要点：

平板单元的周长为半个波长左右时，产生谐振。

设计经验：

在实验中，我们发现天线的水平长度L1可以粗调天线中心频率的范围（选定一个高度H）；天线的宽度L2可以调节天线的带宽，过宽或过窄都会使带宽性能变差。

PIFA天线相对频带宽度有一个极限值，约为16%左右。

天线的高度H可调节天线的带宽范围和效率，一般H越大，带宽越宽，效率越高，但H的增加不但使重量增加而且破坏了天线低剖面的特性。天线的馈点位置也会影响中心频率和带宽，一般来说，馈点离接地端越远，中心频率也越大，为了增加天线的输入阻抗，馈电点离接地端不要太近。

4、微带贴片天线

a、微带单元天线的特点与设计

微带天线是小型化、集成化的线天线主角，素以低轮廓、印刷工艺、便于与电路集成等优点着称，但又有频带窄和效率低的缺陷。微带贴片天线以其三维结构的灵活性受到各种不同设计目标的全方位开发。它既被单独用于手机天线中，也被广泛用作各种阵列天线的单元，既在工程设计中以型式多样而取胜，又多见于被电磁场数值分析用作典型实例。在微带贴片天线中应用光子晶体结构（PBG）来提高微带贴片天线性能的研究是现在的热点。

微带贴片单元天线的设计是非常简单，在此不作说明，下面主要讨论其小型化技术、多频实现、宽带实现的方法。

b、微带天线的小型化技术

通过馈电点与短路点间的耦合电容来实现小型化。天线的谐振频率主要取决于短路探针的粗细与位置，天线尺寸可缩减50％。缺点：

1）阻抗匹配严重的依赖于短路探针的位置与馈电点间的距离。

2）频带窄

3）H面的交叉极化电平较高

天线的谐振频率与介电常数成反比，采用高介电常数介质的主要问题是：激励出较强表面波，表面损耗较大，使增益减小，效率降低。

带宽窄，但可以采用PBG结构抑制表面波，减小互耦合。

当在贴片天线表面开不同形式的槽时，切断了原先的表面电流路径，使电波绕槽边曲折渡过而路径变长，在天线电路中相当于引入了级联电感。采用贴片开槽方式，还可以产生双频天线和圆极化天线。缺点：尺寸特别小时，天线的带宽变得特别窄，同时天线的增益也特别低。

形微带贴片天线一边的尺寸要求是介质中的二分之一工作波长，在微带贴片天线宽边引入不连续性仅仅依靠其自身开关的改变就可以使天线单元的面积大大减小，H形天线即采用此原理。

其是通过改变电流在贴片上的分布，增大贴片的等效长度来降低谐振频率。从物理意义讲，去除的两块贴片等效为在天线这个谐振腔中加入合适的电感，从而实现小型化的目的。

3、微带天线的宽带化技术

微带天线的窄频带特性是由于其高Q的谐振特性决定的，展宽频带的方法即是围绕降低天线的Q值来实现。

a、采用厚基板

b、采用介电常数小或介质损耗大的基板材料

c、采用非线性基板材料，不同介质材料覆盖

d、附加阻抗匹配网络对馈电电路采用宽带阻抗匹配（如阻抗匹配电路或采用开缝耦合对天线馈电），谐振是并联谐振网络，馈电一般等效为一个电感。

如果是多频天线，用外部匹配电路来扩展低波段振子的电性能，即“加宽频带”。匹配电路一般采用高通设计，以便该匹配电路对高波段振子来说是透明的。这样的电路还可降低天线的最低工作频率。

f、采用多层结构，采用多贴片谐振。也可用无源振子来产生四极点响应，以增加天线的带宽。或将天线维持为二极点结构，必要时再通过匹配电路引入额外的极点。

一般来说，前三种方法的效果比较不明显，第四种方法需要设计宽带匹配电路，但电路结构复杂，制作难度比较大。因此我们采用第五种方法，该方法是利用多贴片耦合的方式，使每个贴片天线的谐振中心频率各不相同，而各谐振带宽又相互交叉，使整个天线的总体带宽展宽。